フロントエンドAPIゲートウェイ：GraphQL Federationとスキーマスティッチング

現代のウェブアプリケーション開発の世界では、複数のソースからのデータ管理は大きな課題となり得ます。アプリケーションが複雑化し、マイクロサービスアーキテクチャを採用するにつれて、データに統一的かつ効率的にアクセスする方法の必要性が最も重要になります。フロントエンドAPIゲートウェイは、クライアントアプリケーションにとって中心的なエントリーポイントとして機能し、様々なバックエンドサービスからのデータを集約し、開発者とエンドユーザーの両方に合理化された体験を提供します。このブログ記事では、フロントエンドAPIゲートウェイを構築するための2つの強力な技術、GraphQL Federationとスキーマスティッチングについて探ります。

フロントエンドAPIゲートウェイとは？

フロントエンドAPIゲートウェイは、専用サーバーがフロントエンドクライアント（例：ウェブブラウザ、モバイルアプリ）と複数のバックエンドサービスとの間の中継役として機能するアーキテクチャパターンです。以下の方法でデータ取得を簡素化します：

• データの集約： 複数のソースからのデータを単一のレスポンスに結合します。
• データの変換： フロントエンドのニーズに合わせてデータ形式を適合させます。
• 複雑さの抽象化： バックエンドサービスの複雑さをクライアントから隠蔽します。
• セキュリティの強制： 認証および認可ポリシーを実装します。
• パフォーマンスの最適化： 頻繁にアクセスされるデータをキャッシュし、ネットワークリクエストを削減します。

本質的に、これはBackend for Frontend (BFF) パターンを大規模に実装し、フロントエンドチームが消費するAPIをよりコントロールできるようにします。大規模な組織では、フロントエンドが独自のAPIを管理・キュレーションすることで、より迅速なデリバリーとバックエンドチームへの依存度低下につながります。

なぜフロントエンドAPIゲートウェイにGraphQLを使用するのか？

GraphQLはAPIのためのクエリ言語であり、既存のデータでそれらのクエリを実行するためのランタイムです。従来のREST APIに比べていくつかの利点があり、フロントエンドAPIゲートウェイの構築に適しています：

• 効率的なデータ取得： クライアントが必要なデータのみをリクエストするため、オーバーフェッチを減らし、パフォーマンスを向上させます。
• 強力な型付け： GraphQLスキーマがデータの構造を定義するため、より良いツーリングとバリデーションが可能になります。
• イントロスペクション： クライアントはスキーマのイントロスペクションを通じて利用可能なデータと操作を発見できます。
• リアルタイム機能： GraphQLサブスクリプションにより、リアルタイムのデータ更新が可能になります。

GraphQLを活用することで、フロントエンドAPIゲートウェイは、複数のバックエンドサービスからのデータにアクセスするための柔軟で効率的、かつ開発者フレンドリーなインターフェースを提供できます。これは、それぞれ個別にクエリする必要があり、しばしば必要以上のデータを返す複数のRESTエンドポイントを使用する従来のアプローチとは対照的です。

GraphQL Federation：分散型アプローチ

GraphQL Federationとは？

GraphQL Federationは、複数のGraphQLサービス（「サブグラフ」と呼ばれる）を単一の統一されたスキーマに合成することで、分散GraphQL APIを構築するための強力な技術です。各サブグラフは特定のドメインまたはデータソースを担当し、Federationゲートウェイがこれらのサブグラフ間でクエリを調整します。

中心的な概念は、API全体を表す単一の統一されたGraphQLスキーマであるスーパーグラフを中心に展開されます。このスーパーグラフは、それぞれが特定のマイクロサービスやデータソースを表す小さなGraphQLスキーマ、いわゆるサブグラフを合成して構築されます。Federationゲートウェイは、受信したGraphQLクエリを適切なサブグラフにルーティングし、その結果を単一のレスポンスに結合する責任を負います。

GraphQL Federationの仕組み

1. サブグラフの定義： 各マイクロサービスは、独自のデータと操作を定義するGraphQL API（サブグラフ）を公開します。これらのスキーマには、Federationゲートウェイに型とフィールドの解決方法を指示するディレクティブが含まれています。主要なディレクティブには`@key`、`@external`、`@requires`があります。
2. スーパーグラフの合成： Federationゲートウェイ（例：Apollo Gateway）は、各サブグラフからスキーマを取得し、それらを単一の統一されたスキーマ（スーパーグラフ）に合成します。このプロセスには、型とフィールドの競合解決や、異なるサブグラフ間の型の関係確立が含まれます。
3. クエリの計画と実行： クライアントがゲートウェイにGraphQLクエリを送信すると、ゲートウェイはクエリを分析し、リクエストを満たすためにどのサブグラフをクエリする必要があるかを判断します。その後、クエリを適切なサブグラフに分配し、結果を収集して単一のレスポンスに結合し、クライアントに返します。

例：GraphQL Federationを使用したEコマースプラットフォーム

製品、顧客、注文にそれぞれ別のマイクロサービスを持つEコマースプラットフォームを考えてみましょう。

• 製品サブグラフ： 製品情報（名前、説明、価格など）を管理します。
• 顧客サブグラフ： 顧客データ（名前、住所、メールアドレスなど）を管理します。
• 注文サブグラフ： 注文情報（注文ID、顧客ID、製品ID、合計金額など）を管理します。

各サブグラフはGraphQL APIを公開し、FederationゲートウェイはこれらのAPIを単一のスーパーグラフに合成します。クライアントはその後、スーパーグラフをクエリして、製品、顧客、注文に関する情報を単一のリクエストで取得できます。

例えば、顧客の名前とその注文履歴を取得するためのクエリは次のようになります：

query GetCustomerAndOrders($customerId: ID!) {
  customer(id: $customerId) {
    id
    name
    orders {
      id
      orderDate
      totalAmount
    }
  }
}

Federationゲートウェイはこのクエリを顧客サブグラフと注文サブグラフにルーティングし、必要なデータを取得して単一のレスポンスに結合します。

GraphQL Federationの利点

• 簡素化されたデータアクセス： クライアントは、基盤となるデータソースに関係なく、単一のGraphQLエンドポイントと対話します。
• パフォーマンスの向上： 各サブグラフから必要なデータのみを取得することで、データ取得が最適化されます。
• スケーラビリティの向上： 各サブグラフは独立してスケーリングできるため、リソースの利用効率が向上します。
• 分散開発： チームは独立してサブグラフを開発・デプロイできるため、俊敏性とイノベーションが促進されます。
• スキーマガバナンス： Federationゲートウェイは、サブグラフ間でのスキーマの一貫性と互換性を強制します。

GraphQL Federationのためのツール

• Apollo Federation： GraphQL Federationの人気のオープンソース実装で、ゲートウェイ、スキーマレジストリ、およびフェデレーションGraphQL APIを構築・管理するためのツールを提供します。Apollo Federationはそのスケーラビリティと堅牢なエラーハンドリングで知られています。
• GraphQL Hive： このツールはGraphQLフェデレーションサービスのためのスキーマレジストリとガバナンスを提供し、変更検出、使用状況分析、スキーマチェックなどの機能を提供します。これにより、スーパーグラフの可視性と制御が向上します。

スキーマスティッチング：代替アプローチ

スキーマスティッチングとは？

スキーマスティッチングは、複数のGraphQLスキーマを単一の統一されたスキーマに結合するもう一つの技術です。Federationとは異なり、スキーマスティッチングは通常、異なるスキーマの型とフィールドがどのように接続されるかを定義する、より手動のプロセスを伴います。Federationがより現代的で堅牢なソリューションと見なされていますが、スキーマスティッチングはより単純なユースケースや既存のGraphQL APIからの移行時に有効な選択肢となり得ます。

スキーマスティッチングの仕組み

1. スキーマの定義： 各マイクロサービスは独自のスキーマを持つGraphQL APIを公開します。
2. スティッチングロジック： スティッチング層（多くはGraphQL Toolsなどのライブラリを使用して実装）が、異なるスキーマの型とフィールドがどのように接続されるかを定義します。これには、基盤となるサービスからデータを取得し、それを統一スキーマにマッピングするリゾルバ関数を記述することが含まれます。
3. 統一スキーマ： スティッチング層は個々のスキーマを単一の統一されたスキーマに結合し、クライアントに公開します。

例：製品とレビューのスティッチング

製品用とレビュー用の2つの別々のGraphQLサービスを想像してください。

• 製品サービス： 製品に関する情報（ID、名前、説明、価格）を提供します。
• レビューサービス： 製品のレビュー（ID、製品ID、評価、コメント）を提供します。

スキーマスティッチングを使用すると、クライアントが製品情報とレビューを単一のクエリで取得できる統一スキーマを作成できます。

スティッチング層でリゾルバ関数を定義し、レビューサービスから特定の製品IDのレビューを取得し、それを統一スキーマのProduct型に追加します。

// Example (Conceptual): Stitching logic using GraphQL Tools
const { stitchSchemas } = require('@graphql-tools/stitch');

const productsSchema = ... // Define your products schema
const reviewsSchema = ... // Define your reviews schema

const stitchedSchema = stitchSchemas({
  subschemas: [
    {
      schema: productsSchema,
    },
    {
      schema: reviewsSchema,
      transforms: [
        {
          transformSchema: (schema) => schema,
          transformRequest: (originalRequest) => {
            return originalRequest;
          },
          transformResult: (originalResult) => {
            return originalResult;
          }
        }
      ],
    },
  ],
  typeDefs: `
    extend type Product {
      reviews: [Review]
    }
  `,
  resolvers: {
    Product: {
      reviews: {
        resolve: (product, args, context, info) => {
          // Fetch reviews for the product from the Reviews Service
          return fetchReviewsForProduct(product.id);
        },
      },
    },
  },
});

この例は、スキーマを一緒にスティッチングする中心的な概念を示しています。`reviews`フィールドを取得するためにカスタムリゾルバが必要であることに注意してください。各リレーションシップのためにリゾルバをコーディングするこの追加のオーバーヘッドは、Federationを使用するよりも開発プロセスを遅くする可能性があります。

スキーマスティッチングの利点

• 統一API： クライアントは単一のGraphQLエンドポイントにアクセスし、データアクセスを簡素化します。
• 段階的な採用： スキーマスティッチングは段階的に実装できるため、徐々に統一APIに移行できます。
• 柔軟性： スキーマスティッチングはスキーマの結合方法についてより多くの制御を提供し、特定のニーズに合わせてスティッチングロジックをカスタマイズできます。

スキーマスティッチングの欠点

• 手動設定： スキーマスティッチングはスティッチングロジックの手動設定が必要で、これは複雑で時間がかかることがあります。
• パフォーマンスのオーバーヘッド： リゾルバ関数は、特に複雑なデータ変換を伴う場合、パフォーマンスのオーバーヘッドを引き起こす可能性があります。
• スケーラビリティの制限： スティッチングロジックは通常集中管理されるため、スキーマスティッチングはFederationよりもスケーリングが難しい場合があります。
• スキーマの所有権： 特に異なるチームがスティッチングされたサービスを管理する場合、スキーマの所有権に関する曖昧さを生む可能性があります。

スキーマスティッチングのためのツール

• GraphQL Tools： スキーマスティッチングのサポートを含む、GraphQLスキーマの構築と操作のための人気のあるライブラリです。
• GraphQL Mesh： GraphQL Meshを使用すると、GraphQLクエリ言語を使用してREST API、データベース、gRPCなどの様々なソースからデータにアクセスできます。これらのAPIを統一されたGraphQLスキーマにスティッチングすることができます。

GraphQL Federation vs. スキーマスティッチング：比較

GraphQL Federationとスキーマスティッチングはどちらも複数のGraphQLスキーマを単一のAPIに結合する方法を提供しますが、アプローチと機能が異なります。

機能	GraphQL Federation	スキーマスティッチング
アプローチ	分散型、自動合成	集中型、手動設定
複雑さ	維持・スケーリングの複雑さが低い	手動のリゾルバロジックによる複雑さが高い
スケーラビリティ	大規模な分散システム向けに設計	スケーラビリティが低く、通常は小規模なアプリケーションに使用
スキーマガバナンス	組み込みのスキーマガバナンスとバリデーション	手動のスキーマ管理と調整が必要
ツール	強力なツールとライブラリのエコシステム（例：Apollo Federation）	より多くのカスタムツールと設定が必要
ユースケース	マイクロサービスアーキテクチャ、大規模API、分散開発	小規模アプリケーション、段階的移行、特定のカスタマイズ要件

GraphQL Federationを使用する場合： 複雑なマイクロサービスアーキテクチャがあり、APIをスケーリングする必要があり、独立したチームが独自のサブグラフを管理できるようにしたい場合にFederationを選択します。また、スキーマの管理とガバナンスも簡素化されます。

スキーマスティッチングを使用する場合： APIがより単純で、スティッチングロジックに対するより多くの制御が必要な場合、または既存のGraphQL APIから移行する場合にスキーマスティッチングを検討します。ただし、潜在的な複雑さとスケーラビリティの制限に注意してください。

認証と認可の実装

GraphQL Federationまたはスキーマスティッチングのどちらを選択するかにかかわらず、フロントエンドAPIゲートウェイを保護するためには認証と認可の実装が不可欠です。いくつかのアプローチがあります：

• ゲートウェイレベルの認証： APIゲートウェイがリクエストをバックエンドサービスにルーティングする前に認証と認可を処理します。このアプローチはセキュリティロジックを集中化し、バックエンドサービスを簡素化します。一般的な方法にはJWT（JSON Web Token）検証やOAuth 2.0があります。
• サービスレベルの認証： 各バックエンドサービスが独自の認証と認可を処理します。このアプローチはセキュリティに対するより詳細な制御を提供しますが、管理がより複雑になる可能性があります。
• ハイブリッドアプローチ： ゲートウェイレベルとサービスレベルの認証の組み合わせ。ゲートウェイが初期認証を処理し、バックエンドサービスがより詳細な認可チェックを実行します。

例：Apollo FederationでのJWT認証

Apollo Federationを使用すると、リクエストヘッダーに含まれるJWTトークンを検証するようにゲートウェイを設定できます。ゲートウェイはその後、トークンから抽出されたユーザー情報をサブグラフに渡し、サブグラフはこの情報を認可に使用できます。

// Example (Conceptual): Apollo Gateway configuration with JWT validation
const { ApolloGateway } = require('@apollo/gateway');

const gateway = new ApolloGateway({
  serviceList: [
    // ... your subgraph configurations
  ],
  buildService: ({ name, url }) => {
    return new MyCustomService({
      name,  // Name of the subgraph
      url,   // URL of the subgraph
    });
  },
});

class MyCustomService extends RemoteGraphQLDataSource {
  willSendRequest({ request, context }) {
    // Get the user from the context
    const user = context.user;

    // Add the user's ID to the request headers
    if (user) {
      request.http.headers.set('user-id', user.id);
    }
  }
}

この例では、JWTから派生したユーザーIDを含むように送信リクエストを変更するためのカスタムサービスが作成されます。ダウンストリームサービスは、このIDを認可チェックに使用できます。

パフォーマンス最適化のためのキャッシング戦略

キャッシングは、フロントエンドAPIゲートウェイのパフォーマンスを向上させるために不可欠です。頻繁にアクセスされるデータをキャッシュすることで、バックエンドサービスへの負荷を軽減し、クライアントへの応答時間を改善できます。以下にいくつかのキャッシング戦略を示します：

• HTTPキャッシング： HTTPキャッシングメカニズム（例：`Cache-Control`ヘッダー）を活用して、ブラウザや中間プロキシに応答をキャッシュします。
• インメモリキャッシング： インメモリキャッシュ（例：Redis、Memcached）を使用して、ゲートウェイ上で頻繁にアクセスされるデータをキャッシュします。
• CDNキャッシング： コンテンツデリバリーネットワーク（CDN）を利用して、静的アセットやAPI応答をクライアントに近い場所にキャッシュします。
• GraphQLクエリキャッシング： GraphQLクエリの結果を、そのクエリ文字列と変数に基づいてキャッシュします。これは、頻繁に実行されるクエリに特に効果的です。Apollo Serverはクエリキャッシングの組み込みサポートを提供しています。

キャッシングを実装する際は、クライアントが最新のデータを受け取れるように、キャッシュの無効化戦略を検討してください。一般的な戦略には以下のようなものがあります：

• 時間ベースの有効期限： キャッシュされたデータに固定の有効期限を設定します。
• イベントベースの無効化： バックエンドサービスでデータが変更されたときにキャッシュを無効化します。これは、Webhookやメッセージキューを使用して実現できます。

モニタリングと可観測性

モニタリングと可観測性は、フロントエンドAPIゲートウェイの健全性とパフォーマンスを確保するために不可欠です。以下のような主要なメトリクスを追跡するために、包括的なモニタリングを実装してください：

• リクエストレイテンシ： リクエストの処理にかかる時間。
• エラーレート： エラーになるリクエストの割合。
• スループット： 単位時間あたりに処理されるリクエストの数。
• リソース使用率： ゲートウェイとバックエンドサービスのCPU、メモリ、ネットワーク使用量。

トレーシングを使用して、システムを流れるリクエストを追跡し、ボトルネックやパフォーマンスの問題を特定します。ロギングは、ゲートウェイとバックエンドサービスの振る舞いに関する貴重な洞察を提供します。

モニタリングと可観測性のためのツールには以下のようなものがあります：

• Prometheus： オープンソースのモニタリングおよびアラートシステム。
• Grafana： データ可視化およびモニタリングツール。
• Jaeger： オープンソースの分散トレーシングシステム。
• Datadog： クラウドアプリケーション向けのモニタリングおよびセキュリティプラットフォーム。
• New Relic： ソフトウェアのパフォーマンスをモニタリングし、改善するためのデジタルインテリジェンスプラットフォーム。

堅牢なモニタリングと可観測性を実装することで、問題を積極的に特定・解決し、フロントエンドAPIゲートウェイの信頼性とパフォーマンスを確保できます。

結論

GraphQL Federationまたはスキーマスティッチングで構築されたフロントエンドAPIゲートウェイは、現代のウェブアプリケーションにおいて、データアクセスを大幅に簡素化し、パフォーマンスを向上させ、開発者体験を向上させることができます。GraphQL Federationは分散GraphQL APIを構成するための強力でスケーラブルなソリューションを提供し、一方スキーマスティッチングは既存のスキーマを結合するためのより柔軟なアプローチを提供します。アプリケーションの特定の要件とこれらの技術間のトレードオフを慎重に検討することで、堅牢で効率的なフロントエンドAPIゲートウェイを構築するための最良のアプローチを選択できます。

ゲートウェイのセキュリティ、パフォーマンス、信頼性を確保するために、適切な認証と認可、キャッシング戦略、モニタリングと可観測性を実装することを忘れないでください。これらのベストプラクティスを採用することで、GraphQLの可能性を最大限に引き出し、卓越したユーザー体験を提供する現代のウェブアプリケーションを構築できます。