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ロードバランシングとは?ロードバランシングの仕組み

Alex Johnson
Alex Johnson

Senior Web Scraping Engineer

29-Oct-2024

オンラインサービスやアプリケーションにとって、最適なパフォーマンスと信頼性を確保することは非常に重要です。ロードバランシングは、複数のサーバーにワークロードを分散することで、これらの目標を達成するために重要な役割を果たすテクニックです。この記事では、ロードバランシングの基本、その動作原理、およびアプリケーションのパフォーマンスとスケーラビリティを向上させる上での重要性について詳しく解説します。

ロードバランシングについて

ロードバランシングは、本質的に、サーバーファームまたはサーバープールと呼ばれるサーバーのグループに、着信するネットワークトラフィックまたはアプリケーションリクエストを均等に分散するプロセスです。これにより、ロードバランサーは、単一のサーバーが多数のリクエストで過負荷になるのを防ぎ、パフォーマンスの低下やサービスの中断を回避します。

ロードバランシングは、ハードウェアベースのソリューション(物理アプライアンス)とソフトウェアベースのソリューション(標準サーバーで実行されるアプリケーション)を含むさまざまな方法で実現できます。アプローチは違っても、目標は同じです。つまり、リソースの使用を最適化し、スループットを最大化し、応答時間を最小限に抑え、アプリケーションの高可用性を確保することです。

ロードバランシングの仕組み

ロードバランサーは、OSIモデルのさまざまなレイヤーで動作し、主にレイヤー4(トランスポートレイヤー)とレイヤー7(アプリケーションレイヤー)で動作します。ロードバランシングの仕組みを詳しく見ていきましょう。

1. トラフィックの分散

ユーザーがアプリケーションにリクエストを送信すると、ロードバランサーはトラフィックマネージャーとして機能し、定義済みのアルゴリズムに基づいて、着信リクエストを適切なサーバーに転送します。一般的なトラフィック分散アルゴリズムを以下に示します。

  • ラウンドロビン: サーバー間でリクエストを順番に分散します。これは、ワークロードが均等に分散されている場合に、シンプルながらも効果的な方法です。

    python Copy
    # Pythonでのラウンドロビンロードバランシングアルゴリズムのコードスニペット例
    servers = ["server1", "server2", "server3"]
    i = 0
    
    def get_server():
        global i
        server = servers[i % len(servers)]
        i += 1
        return server
    
    # get_server()を呼び出すたびに、シーケンスの次のサーバーが返されます
    print(get_server())  # 出力: server1
    print(get_server())  # 出力: server2
  • 最小接続: アクティブな接続が最も少ないサーバーにトラフィックを転送します。これは、サーバーの処理能力が異なる場合に特に役立ちます。

  • IPハッシュ: クライアントのIPアドレスに基づいてリクエストをルーティングします。これにより、ユーザーは常に同じサーバーに接続することが保証され、セッションの永続性を維持するために重要になる場合があります。

2. ヘルスモニタリング

ロードバランサーは、サーバーが動作しているかどうかを判断するために、定期的なヘルスチェックを送信することにより、プール内のサーバーの正常性を継続的に監視します。サーバーが応答しなくなったり、異常と判断された場合、ロードバランサーはトラフィックを他の正常なサーバーに自動的にリダイレクトし、サービスの中断を防ぎます。

3. リソースのスケーリング

ホリデーセールや主要イベントなど、トラフィックがピーク時に達する期間は、アプリケーションがリソースをスケールして、増加した需要に対応することが不可欠です。ロードバランサーは、利用可能なリソース間でトラフィックを分散することで、これを容易にし、自動スケーリングテクノロジーと連携して動作できます。

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4. セッションの永続性

多くのWebアプリケーションでは、ユーザーセッションを維持することが不可欠です。ロードバランサーは、セッションの永続性(またはスティッキーセッション)を実装して、ユーザーがセッション全体で同じサーバーに転送されるようにすることができます。これは、クッキーやセッション識別子などのテクニックを使用して実現し、複数のサーバーが関与している場合でも、シームレスなユーザーエクスペリエンスを実現できます。

javascript Copy
// 例: スティッキーセッションのためのセッションクッキーの設定
// 標準的なWebアプリケーションでは、セッションIDを使用して、ユーザーを同じサーバーに転送することができます
const sessionCookie = document.cookie.replace(
    /(?:(?:^|.*;\s*)session_id\s*\=\s*([^;]*).*$)|^.*$/,
    "$1"
);

5. SSL終端

ロードバランサーは、SSL終端を処理することもできます。これにより、バックエンドサーバーから、SSL/TLSトラフィックの暗号化と復号化という計算量が多いプロセスがオフロードされます。ロードバランサーレベルでSSLを管理することで、サーバーはアプリケーションリクエストの処理に集中できるようになり、全体的なパフォーマンスが向上します。

ロードバランシングの利点

ロードバランシングを実装することで、いくつかの重要な利点が得られます。

  • パフォーマンスの向上: ワークロードを均等に分散することで、アプリケーションは、応答時間を短縮して、より多くのトラフィックを処理できます。
  • 高可用性: ロードバランサーは、トラフィックを障害が発生したサーバーからリダイレクトすることで、ダウンタイムを防ぎ、サービスが稼働し続けるようにします。
  • スケーラビリティ: 組織は、需要に応じてプールにサーバーを追加または削除することができ、効率的なリソース管理が可能になります。
  • セキュリティの強化: ロードバランサーは、バックエンドサーバーのシールドとして機能し、トラフィックの急増を吸収し、セキュリティの追加レイヤーを提供します。

まとめ

ロードバランシングは、現代のWebアプリケーションのアーキテクチャにおける重要な要素であり、さまざまな負荷下でパフォーマンスと信頼性を維持することを保証します。トラフィックを効果的に分散し、サーバーの正常性を監視し、リソースのスケーリングを容易にすることで、ロードバランサーは、ユーザーエクスペリエンスの向上とアプリケーションの可用性の維持に重要な役割を果たしています。

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