はじめに
本資料の目的
本資料は「CDN Switch」に関する調査結果をわかりやすくまとめたものです。CDNの基本からスイッチング技術、トラフィック制御、マルチCDN切り替えまで、実務で役立つ知見を提供します。例として動画配信やソフトウェア配布での応用を想定しています。
対象読者
ネットワークやサーバーの基礎知識を持つエンジニア、システム管理者、サービス企画担当者を想定します。専門用語は最小限に抑え、具体例を交えて丁寧に解説しますので、初めて学ぶ方にも役立ちます。
本書の構成と読み方
全9章で段階的に理解を深めます。まず概念を押さえ、その後でスイッチの役割や負荷分散、配信アルゴリズム、エッジ配置、動作フロー、最後にマルチCDNの切り替えを扱います。必要に応じて興味のある章を先にお読みください。
CDNの基本的な定義と役割
定義
CDN（Content Delivery Network）は、地理的に分散したサーバー群とデータセンターの仕組みです。ユーザーに近い場所でコンテンツを配り、表示や再生を速くします。1990年代後半に登場し、インターネットの遅延や混雑を減らす役割を担ってきました。
主な役割
- レイテンシ（遅延）の短縮：画像や動画を近くのサーバーから配信し、表示を早くします。例えば東京の利用者に東京のエッジサーバーから画像を出すと、読み込みが速くなります。
- 負荷分散と可用性の向上：オリジン（元のサーバー）へのアクセスを減らし、アクセス集中時でもサービスを継続します。セール時のアクセス急増でもダウンしにくくなります。
- 帯域の節約とコスト削減：頻繁に使われるファイルをエッジで保持することで、長距離のデータ転送を減らします。
動作の簡単なイメージ
ユーザーがページを開くと、最寄りのエッジがキャッシュを持っていればそこから返します。なければオリジンから取得してエッジに保存し、次のユーザーに速く届けます。これで高速化と安定化を同時に実現します。
活用例
静的な画像や動画配信、ソフトウェア配布、ライブ配信の再生補助など、幅広い用途で使われます。使い方次第でユーザー体験が大きく改善します。
CDNにおけるネットワークスイッチの役割
はじめに
CDNでは多くのユーザーに速く安定した配信を行うため、トラフィックを効率よく振り分ける仕組みが必要です。本章ではレイヤー4-7スイッチ（ウェブスイッチ、コンテンツスイッチ）の役割をやさしく説明します。
レイヤー4-7スイッチとは
これらは単なるハードウェアのスイッチではなく、通信の内容やアプリケーションの情報を見て振り分ける装置です。例えると、郵便局で手紙の種類に応じて仕分けする係員のような働きをします。
トラフィック分散の仕組み
スイッチは1つの仮想IP（VIP）を持ち、外部からの要求を受け取ります。受け取った要求は負荷や応答速度、キャッシュの状況に応じて複数の実サーバーへ振り分けます。これにより一台に負荷が集中せず、全体の応答が改善します。具体例として、動画配信のリクエストを一番空いているサーバーに送るイメージです。
フェイルオーバーと可用性
スイッチはサーバーの死活監視も行います。あるサーバーが落ちれば自動で振り分け先から外し、正常なサーバーだけに送ります。これでサービスの停止を最小限にできます。
運用のポイント（簡単な注意点）
- ルール設計：コンテンツの種類や優先度で振り分けルールを分けます。
- モニタリング：遅延やエラーを常時監視します。
- キャッシュ考慮：キャッシュ済みコンテンツは近いエッジに送ると効果的です。
実例イメージ
ウェブサイトの静的画像はキャッシュサーバーへ、動的なログイン処理は専用のアプリサーバーへ振り分ける、といった具合に役割ごとに棲み分けします。
（ここではまとめは設けません）
サーバーロードバランシングの仕組み
概要
サーバーロードバランシングは、複数のサーバーに利用者のアクセスを分配して、応答速度を保ちつつ障害時もサービスを続ける仕組みです。処理が偏らないようにし、急なアクセス増にも対応できる点が利点です。
負荷分散の方法（例）
- ラウンドロビン: 順番に振り分けます。単純で均等に配る場面で有効です。
- 接続数最少: 現在の接続数が少ないサーバーへ送ります。負荷差があるときに役立ちます。
- クライアントIPハッシュ: 同じ利用者を同じサーバーに割り当てます。ログイン状態を保持したい場合に便利です。
ヘルスチェックとフェイルオーバー
ロードバランサーは定期的にサーバーの応答を確認します。応答がなければ自動で振り分け先から外し、復帰したら再び加えます。これにより障害時でもサービス停止を最小限にできます。
セッションと暗号化対応
特定の処理を同じサーバーで続けたいときは「セッション保持（スティッキー）」を使います。SSL/TLSの処理をロードバランサー側で終えるとサーバーの負担を減らせますが、暗号化ポリシーには注意が必要です。
スケーラビリティと信頼性
ロードバランサーはサーバー追加を容易にします。トラフィックの増減に合わせて台数を調整し、無駄な負荷を避けながら安定した配信を実現します。
CDNのコンテンツ配信アルゴリズム
概要
CDNはユーザーのリクエストに対して、最も速く安定して配信できるエッジを選びます。選択は単純な近さだけでなく、複数の要因を組み合わせるアルゴリズムで行います。
主要な判断要素
- 地理的近接性：ユーザーに近いサーバーを優先します。例えば東京の利用者には東京リージョンのエッジを選びます。
- ネットワーク遅延（RTT）：実測の遅延が小さい経路を選びます。遠くても経路が良ければ優先されます。
- サーバー負荷：処理能力や接続数が低いサーバーを避け、過負荷を防ぎます。
- コンテンツタイプ：静的画像はキャッシュ済みエッジが最速、動画は帯域とバッファを考慮します。
- キャッシュ状況とTTL：既にキャッシュにあるか否かを重視し、ヒット率が高いノードを選びます。
代表的なアルゴリズム
- DNSベースルーティング：DNS応答で近隣ノードを指示します。
- Anycast：同一IPに複数ノードを割り当て、BGPで最短経路に誘導します。
- 重み付きラウンドロビン／最小接続：負荷や能力に応じて振り分けます。
- 一貫性ハッシュ：キャッシュ分散と再配置のコストを下げます。
- レイテンシ／ヘルスベースの動的選択：リアルタイム計測で最適ノードを決めます。
運用上の工夫
プリフェッチやキャッシュパージで新鮮さを保ち、ヘルスチェックとモニタリングで自動的に経路を切り替えます。これにより安定して高速な配信を実現します。
エッジサーバーの戦略的配置
概要
CDNはエッジサーバーの設置場所で性能が大きく変わります。特にインターネット交換ポイント（IXP）や大手通信事業者の近くに置くと、データの往復が短くなり遅延が減ります。具体例を交えてわかりやすく説明します。
配置の基本方針
- ユーザーに近づける：都市部や利用者が多い地域に設置します。例えば都心のデータセンターや主要モバイル基地局近傍です。
- トラフィックの発生源に合わせる：動画配信なら人口密集地、ソフト配布は企業が多い地域に重点を置きます。
重要地点（IXP・PoP）の役割
IXPは複数のネットワークが直接接続する場所です。ここに置くと経路が短くなり、ホップ数が減り速度が上がります。PoP（ポイント・オブ・プレゼンス）は地域ごとの配信拠点で、負荷分散に役立ちます。
運用上の注意点
容量や電力、冷却、保守性を考えてハードを選びます。地域ごとの法規制や回線の契約条件も確認します。冗長化を用意して障害時に自動で切り替えます。
効果
適切に配置するとレイテンシ低下、帯域節約、オリジンサーバー負荷軽減が期待できます。ユーザー体験が確実に向上します。
コンテンツクラスターとサービスノード
概要
コンテンツクラスターは、複数のサーバーやキャッシュを一つの論理ユニットとしてまとめたものです。レイヤー4〜7のスイッチ（ロードバランサー）でトラフィックを振り分け、利用者から見ると単一のサービスに見えます。サービスノードはクラスタ内で特定の役割を担うサーバーを指します。例えばキャッシュ専用、SSL処理、動画トランスコーディングなどです。
仕組み（具体例）
- 仮想IP（VIP）やDNSでクラスタを一つに見せます。利用者はVIPに接続し、ロードバランサーが内部の実サーバーへ振り分けます。
- レイヤー4スイッチはTCP/UDPレベルで接続を割り振り、レイヤー7スイッチはHTTPヘッダやURIを見てきめ細かく振り分けます。例えば画像配信はキャッシュノードへ、動的APIはアプリサーバーへ送ります。
- ヘルスチェックが常に行われ、故障したノードは自動で外します。負荷が増えれば新しいノードを追加し、負荷が下がれば縮小します。
運用上のポイント
- セッション管理：状態を持つセッションは共有キャッシュやセッションストアで扱います。Stickyセッションは短期的には楽ですが拡張性で制約になります。
- キャッシュ戦略：静的ファイルはエッジや専用キャッシュに置き、TTLを設定してヒット率を高めます。
- 監視とアラート：遅延やエラー率を基準に自動スケーリングや再配置を行います。ログとメトリクスを分けて集めると障害対応が速くなります。
まとめは不要
CDNの動作フロー
ユーザーのリクエスト送信
ユーザーがウェブページや動画を開くと、ブラウザはそのコンテンツのURLに対してリクエストを送ります。たとえば画像を表示するとき、ブラウザがその画像のデータを求めます。
エッジサーバーの選定
リクエストはCDN側の仕組みで最も近くて応答が早いサーバーに誘導されます。DNSやAnycast（近さや混雑をもとに選ぶ仕組み）でエッジが決まります。
キャッシュヒットの場合
選ばれたエッジに目的のコンテンツが既に保存されていれば、すぐに配信します。画像や静的ファイルはこのケースが多く、待ち時間が短くなります。
キャッシュミスの場合
目的のデータがエッジにないときは、エッジがオリジンサーバー（元のサーバー）へ取りにいきます。取得後、エッジはそのコンテンツを一時保存し、ユーザーへ配信します。次回はキャッシュヒットになりやすいです。
追加の動作
多くのCDNはTTL（保存期間）やキャッシュ制御ヘッダに従います。負荷分散やヘルスチェックで故障を避け、条件付きGETで無駄な転送を減らします。これらで配信の安定性と効率を保ちます。
マルチCDN切り替え機能
概要
マルチCDN切り替えは、複数のCDNプロバイダー間でトラフィックを動的に振り分ける機能です。目的は速度と可用性の向上で、Akamai、Cloudflare、Amazon CloudFrontなどを組み合わせて使います。
切り替えの仕組み（簡単な説明）
- DNSベース：DNS応答を変えて利用先を切り替えます。例：遅延が大きい地域には別CDNを返す。
- HTTPリダイレクト：エッジでリダイレクトして流量を変えます。
- API/コントロールプレーン：監視データに応じて管理者側でルールを変更します。
監視と判断基準
遅延、パケットロス、エラー率、キャッシュヒット率を監視します。閾値超過時に自動で切り替えます。短時間の波は再試行で吸収し、長期障害は恒久切替へ移行します。
実装上の注意点
SSL証明書、キャッシュ整合性、クッキーやセッション維持、コストが課題です。例えばSSLを各CDNに配備しないとHTTPSで問題が起きます。
導入の流れとテスト
1) 小規模トラフィックでABテスト
2) 監視閾値と自動化ルール設定
3) フェイルオーバーのリハーサルを実施
ベストプラクティス
短い監視間隔で異常を早期検出し、段階的に切り替える。プロバイダーごとの特性を把握し、コストと性能のバランスを取って運用してください。
