基本情報技術者試験 (FE)｜ 第５章 まとめ | システム構成要素
基本情報技術者試験 第5章：システム構成と信頼性評価 完全ガイド
Fundamental Information Technology Engineer Examination
こんにちは！私が2025年12月に基本情報技術者試験 (FE)に合格しました。こちらのシリーズは FEを勉強した時の個人メモです。ブログとしてシェアさせていただき、皆さんの参考になれば幸いです！
この記事では、基本情報技術者試験の第5章「システム構成と信頼性評価」について、デュプレックスシステム、クラスタシステム、RAID、信頼性設計、システムの性能評価など、試験に必要な重要トピックを詳しく解説します。
5.01：システム構成
システム構成の基本概念
- ミッションクリティカル：業務にとって不可欠なシステム。停止すると深刻なダメージを与える
デュプレックスシステム
現用系と待機系の二系統のシステム。現用系に障害が発生した場合、待機系に切り替えて処理を続行します。
- ホットスタンバイ：待機系を常に稼働状態に保ち、障害時に直ちに切り替え可能。現用系と同一の業務を行う
- コールドスタンバイ：待機系は現用系と異なる業務（バッチ処理など）を行う。障害発生後に起動して切り替える
バックアップサイト
災害などの発生に備え、システムを遠隔地に準備しておく方式です。
- ホットサイト：現用系とバックアップサイトが同じ構成で稼働し、常に更新する
- ウォームサイト：バックアップサイトにはハードウェアを準備しておく。定期的にデータ、プログラムを搬入する
- コールドサイト：バックアップサイトのみを確保。災害発生時にハードウェア、プログラムを搬入し、システムを復元
システム障害時の対応
- ウォームスタート：システム障害発生時に、システム電源をOFFせずに、ログ更新情報を使ってそのままプログラムを再起動し、処理を再開
- コールドスタート：システム障害発生時に、システム電源を再起動し、システムを初期状態に戻してからプログラムを起動、処理を開始
デュアルシステム
2系統のシステムで同じ処理を独立して行い、結果を照合（クロスチェック）します。2CPUの間で結果を照合し、一方に障害が発生しても、もう一方で処理を継続できます。
クラスタシステム
複数のサーバを一台のサーバのように見せかけるシステムです。
- HAクラスタ (High Availability Cluster)：可用性の向上を目的とする
- 負荷分散型クラスタ：複数のPCを並列で稼働させ、処理を振り分け、負荷を分散
- フェールオーバ型クラスタ：障害時、現用系から予備系へ自動的に引き継いで処理
- HPCクラスタ：性能の向上。複数のPCを連携し、演算能力、性能を向上
DBディスクの共有方式
- レプリケーション：負荷分散型クラスタで、それぞれのDBを持ち、常に同期（整合性を保つ）
- 共有ディスク方式：現用系と予備系が1つのディスクを共有
- ミラーディスク方式：現用系と予備系のディスクを別々にして、同期する
グリッドコンピューティング
インターネットを使用して多数のPCを同時に稼働させ、1台の高性能PCとして仮想的に動作させる技術です。
緊急事態の行動計画
- BCP (Business Continuity Plan)：事業継続計画。緊急事態に備え、事前に決めておく行動計画
- RTO (Recovery Time Objective)：目標復旧時間。事業が中断してから復帰までの目標時間
- RPO (Recovery Point Objective)：目標復旧時点。障害発生により業務が中断した場合に、失ったデータを過去のどの時点の状態まで復旧させるかを示す目標値
- BCM (Business Continuity Management)：PDCAで継続的に維持・改善するマネジメント
5.02：クライアントサーバシステム
3層クライアントサーバシステム
クライアント、Webサーバ、DBサーバの3層で構成されるシステムです。
ストアドプロシージャ
ネットワークのトラフィックを軽減するため、頻繁に使用するコマンド群を手続きとして1つにまとめ、DBサーバに保存します。必要な時にその手続きを1回実行するだけで済みます。
仮想化の形態
- ホスト型：ホストOS上に仮想化ソフトを稼働させ、その上で複数のOSを動かす。構築しやすい
- ハイパーバイザ型：ハイパーバイザという仮想化ソフトを稼働させ、その上で複数のOSを動かす。自由度は高いが、別のサーバに移動しにくい
- コンテナ型：ホストOS上にコンテナエンジンという管理ソフトを動作させ、その上でコンテナという実行環境を動かす。自由度は低いが、移行性は高い
その他のシステム概念
- シンクライアントシステム：サーバでOS+アプリケーション+データを集中管理し、クライアントには必要最小限の機能だけを持つシステム
- IaC (Infrastructure as Code)：サーバやネットワークの設定をコードによる自動実行で管理する
- NAS (Network Attached Storage)：ネットワーク接続型のファイルサーバ専用機（ハードウェアデバイス）。複数のPCが同一LANに接続し、OSが異なってもファイルを共有できる
5.03：RAIDと信頼性設計
RAID (Redundant Array of Independent Disks)
複数の磁気ディスク（HDD）を組み合わせ、1台の仮想的な磁気ディスクとして扱う技術。高速化と信頼性の向上を実現します。
パリティ
磁気ディスク故障時に、データ修復に用いる情報。1ビットを付加して、受信側が受信データとパリティを照合することで、誤りを検出します。
- 偶数パリティ：ビット列とパリティを合わせて、「1」のビット数が偶数になるようにする
- 奇数パリティ：ビット列とパリティを合わせて、「1」のビット数が奇数になるようにする
RAIDの種類
- RAID 0：データをブロック単位で複数の磁気ディスクに分散して書き込む（ストライピング）
- RAID 1：磁気ディスク2台に同じデータを書き込む（ミラーリング）
- RAID 3：データを分散し、パリティは1台に固定
- RAID 5：データ・パリティともに分散
信頼性設計
- フォールトアボイダンス (Fault Avoidance)：障害が発生しないように、事前に対策し、回避する設計
- 例：耐震データセンター、高品質な部品を使用、ソフトウェアのバグを徹底的にテスト
- フォールトトレランス (Fault Tolerance)：冗長化により、部分的に故障しても必要な機能は維持する設計
- 例：ロードバランサーの使用、RAIDによるディスクの冗長化
- フェールセーフ (Fail Safe)：「安全重視」で、故障しても危険が発生しないようなシステムを設計
- 例：信号機は故障を感知すると全て赤信号になる、電車の自動ブレーキ
- フェールソフト (Fail Soft)：「継続重視」で、故障時に一部の機能が低下しても、稼働を継続する設計
- 例：スマートフォンの一部アプリがクラッシュしても、OS全体が落ちることはない
- フールプルーフ (Fool Proof)：人が誤った操作をしても、誤動作させない設計
- 例：電子レンジのドアが閉まっていないと動作しない
- エラープルーフ：人間の誤り操作を100%防ぐことはできないため、人間エラーを減らすための対策
- 排除：エラー原因を除去
- 代替化：人の操作をシステム化
- 容易化：作業を簡単化
- 影響緩和：ミスの影響範囲を最小限にする
5.04：システムの性能評価
システムの性能指標
- スループット：単位時間あたりに処理できる仕事の量
- ターンアラウンドタイム：処理の開始から終了までの時間
- レスポンスタイム：入力の終了から出力の開始までの時間
ベンチマークテスト
測定数値から処理性能を相対的に評価する方法です。
- SPECint：整数演算の性能を測定
- SPECfp：浮動小数点演算の性能を測定
- TPCベンチマーク：トランザクション処理の性能を測定
MIPS (Million Instructions Per Second)
1秒間に何百万命令を実行できるかを測る指標です。
例題：50MIPSのプロセッサの平均命令実行時間はいくらか？
解答：50 MIPS = 1秒間に50 × 10⁶命令実行 → 1命令 = 0.2 × 10⁻⁷秒 = 20ナノ秒
5.05：システムの信頼性評価
システム特性：RASIS
- 信頼性 (Reliability)：故障が少なく、通常動作時間が長いほど良い。MTBFで評価
- 可用性 (Availability)：外部要因による障害があっても稼働できる。必要な時に使用できる。稼働率で評価
- 保守性 (Serviceability)：修正が容易であること。MTTRで評価
- 保全性 (Integrity)：情報の正確性が保たれること
- 安全性 (Security)：機密性、セキュリティ面での安全性
システム評価指標
- MTBF (Mean Time Between Failures)：平均故障間隔。通常動作している時間
- MTTR (Mean Time To Repair)：平均修理時間。故障を修理するのに要する時間
- 稼働率：MTBF / (MTBF + MTTR)
システム構成と稼働率
- 直列システムの稼働率：a × b (システムAの稼働率 × システムBの稼働率)
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- 並列システムの稼働率：1 - (1-a)(1-b)
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n個のシステム（各システムの稼働率はR）がある場合：全体の稼働率 = 1 - (1-R)ⁿ
バスタブ曲線
故障率と時間の関係をグラフに表したもの。初期故障期、偶発故障期、摩耗故障期の3つの期間に分かれます。
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