ロードバランシング：グローバルアプリケーション向けトラフィック分散の習得

今日の相互接続された世界では、アプリケーションは、最適なパフォーマンスと可用性を維持しながら、ますます増加するトラフィック量を処理しなければなりません。ロードバランシングは、このトラフィックを複数のサーバー間で効率的に分散させ、単一のサーバーが過負荷になるのを防ぐための重要な技術です。この記事では、ロードバランシングの概要、その利点、さまざまなアルゴリズム、およびグローバルアプリケーションで実装するためのベストプラクティスについて包括的に説明します。

ロードバランシングとは？

ロードバランシングとは、ネットワークトラフィックをサーバーのプール全体に均等に分散するプロセスです。すべての着信リクエストを単一のサーバーに送信する代わりに、ロードバランサーはリクエストを複数のサーバーに分散し、単一のサーバーが過負荷にならないようにします。これにより、アプリケーションのパフォーマンス、可用性、およびスケーラビリティが向上します。

忙しいレストラン（あなたのアプリケーション）に、ウェイター（サーバー）が1人しかいないと想像してください。ピーク時には、お客様は長い待ち時間と貧しいサービスを経験することになります。次に、レストランに複数のウェイター（サーバー）と、利用可能なウェイターに顧客を案内するホスト（ロードバランサー）がいると想像してください。これは、基本的にロードバランシングの仕組みです。

ロードバランシングが重要な理由

ロードバランシングには、次のような多くの利点があります。

• パフォーマンスの向上：トラフィックを複数のサーバーに分散することにより、ロードバランシングは個々のサーバーの負荷を軽減し、応答時間を短縮し、アプリケーションのパフォーマンスを向上させます。
• 可用性の向上：1つのサーバーが故障した場合、ロードバランサーは残りの正常なサーバーに自動的にトラフィックをリダイレクトし、アプリケーションがユーザーに対して引き続き利用可能であることを保証します。これは、ダウンタイムが重大な影響を及ぼす可能性のあるミッションクリティカルなアプリケーションにとって重要です。
• スケーラビリティの強化：ロードバランシングにより、より多くのサーバーをプールに追加することで、アプリケーションを簡単にスケーリングできます。ロードバランサーは新しいサーバーを自動的に検出し、それらへのトラフィックの分散を開始するため、サービスを中断することなく、トラフィック量の増加に対応できます。
• ダウンタイムの削減：計画的なメンテナンスまたはアップグレードは、アプリケーションの可用性に影響を与えることなく、個々のサーバーで実行できます。ロードバランサーは、メンテナンス期間中に残りのサーバーにトラフィックをリダイレクトするだけです。
• リソース利用の最適化：ロードバランシングは、プール内のすべてのサーバーが効率的に利用されるようにし、一部のサーバーが過負荷になり、他のサーバーがアイドル状態になるのを防ぎます。

ロードバランサーの種類

ロードバランサーは、その機能と展開に基づいていくつかのタイプに分類できます。

ハードウェアロードバランサー

ハードウェアロードバランサーは、ロードバランシング専用に設計された専用の物理デバイスです。高いパフォーマンスと信頼性を提供しますが、高価になる可能性があり、管理には専門知識が必要です。例としては、F5 Networks（現在はKeysight Technologiesの一部）やCitrixのアプライアンスなどがあります。

ソフトウェアロードバランサー

ソフトウェアロードバランサーは、標準的なサーバーで実行されるアプリケーションです。ハードウェアロードバランサーよりも柔軟で費用対効果が高いですが、同じレベルのパフォーマンスを提供しない場合があります。一般的なソフトウェアロードバランサーには、HAProxy、Nginx、Apacheなどがあります。

クラウドロードバランサー

クラウドロードバランサーは、Amazon Web Services（AWS）、Microsoft Azure、Google Cloud Platform（GCP）などのクラウドプロバイダーがサービスとして提供しています。スケーラビリティが高く、管理が容易なため、クラウドベースのアプリケーションで人気があります。AWSはElastic Load Balancing（ELB）を提供し、AzureはAzure Load Balancerを提供し、GCPはCloud Load Balancingを提供しています。

グローバルサーバロードバランサー（GSLB）

GSLBは、地理的に分散した複数のデータセンター間でトラフィックを分散します。これにより、世界中のユーザーのアプリケーションの可用性とパフォーマンスが向上します。1つのデータセンターが故障した場合、GSLBは残りの正常なデータセンターに自動的にトラフィックをリダイレクトします。GSLBは、ユーザーに最も近いデータセンターに誘導することで、レイテンシを削減するのにも役立ちます。例としては、AkamaiやCloudflareのソリューションなどがあります。AWSやAzureなどの多くのクラウドプロバイダーもGSLBサービスを提供しています。

ロードバランシングアルゴリズム

ロードバランシングアルゴリズムは、トラフィックがプール内のサーバー全体にどのように分散されるかを決定します。さまざまなアルゴリズムがあり、それぞれに独自の利点と欠点があります。

ラウンドロビン

ラウンドロビンは、プール内の各サーバーに順番にトラフィックを分散します。最も単純なロードバランシングアルゴリズムであり、実装が簡単です。ただし、各サーバーの現在の負荷を考慮しないため、すべての場合で最も効率的なアルゴリズムではない可能性があります。たとえば、サーバーAが計算量の多いタスクを処理している場合、ラウンドロビンは、それほど要求の多くないタスクを処理しているサーバーBと同じ量のトラフィックを送信します。

加重ラウンドロビン

加重ラウンドロビンは、各サーバーに異なる重みを割り当てることができるラウンドロビンのバリエーションです。より高い重みのサーバーは、より低い重みのサーバーよりも多くのトラフィックを受け取ります。これにより、各サーバーの容量を考慮し、それに応じてトラフィックを分散できます。たとえば、より多くのRAMとCPUパワーを持つサーバーには、より高い重みを割り当てることができます。

最小接続数

最小接続数は、アクティブな接続数が最も少ないサーバーにトラフィックを誘導します。このアルゴリズムは、各サーバーの現在の負荷を考慮し、それに応じてトラフィックを分散します。これは、特にサーバーがさまざまな期間のリクエストを処理する場合、ラウンドロビンよりも一般的に効率的です。ただし、各サーバーのアクティブな接続数を追跡するためにロードバランサーが必要になり、オーバーヘッドが発生する可能性があります。

最短応答時間

最短応答時間は、応答時間が最も速いサーバーにトラフィックを誘導します。このアルゴリズムは、各サーバーの現在の負荷と、リクエストを処理する速度の両方を考慮します。これは、一般的に最も効率的なロードバランシングアルゴリズムですが、各サーバーの応答時間を監視するためにロードバランサーが必要であり、かなりのオーバーヘッドが発生する可能性があります。

IPハッシュ

IPハッシュは、クライアントのIPアドレスを使用して、リクエストを送信するサーバーを決定します。これにより、同じクライアントからのすべてのリクエストが常に同じサーバーに送信されるようになります。これは、セッションの永続性に依存するアプリケーションに役立ちます。セッションの期間中、クライアントは同じサーバーに接続している必要があります。ただし、多くのクライアントが同じIPアドレス（たとえば、NATゲートウェイの背後）から発信している場合、このアルゴリズムはトラフィックの不均等な分散につながる可能性があります。

URLハッシュ

URLハッシュは、リクエストのURLを使用して、リクエストを送信するサーバーを決定します。これは、静的コンテンツをキャッシュするのに役立ちます。同じURLに対するすべてのリクエストが同じサーバーに送信されるため、サーバーはコンテンツをキャッシュして、より迅速に提供できます。IPハッシュと同様に、URLの小さなサブセットが頻繁にアクセスされる場合、これはトラフィックの不均等な分散につながる可能性があります。

地理位置情報に基づくルーティング

地理位置情報に基づくルーティングは、地理的にクライアントに最も近いサーバーにトラフィックを誘導します。これにより、レイテンシを削減することで、アプリケーションのパフォーマンスを向上させることができます。たとえば、ヨーロッパのユーザーはヨーロッパのサーバーに誘導され、アジアのユーザーはアジアのサーバーに誘導されます。これは、GSLBソリューションの重要なコンポーネントです。

ロードバランシングの実装

ロードバランシングの実装には、いくつかの手順が含まれます。

1. ロードバランサーの選択：パフォーマンス、コスト、管理の容易さなどの要因を考慮して、ニーズに最適なタイプのロードバランサーを選択します。
2. ロードバランサーの設定：プールのサーバーのIPアドレス、ロードバランシングアルゴリズム、ヘルスチェックパラメーターなど、適切な設定でロードバランサーを構成します。
3. ヘルスチェックの設定：ヘルスチェックは、プール内のサーバーの正常性を監視するために使用されます。ロードバランサーは、正常と見なされるサーバーにのみトラフィックを送信します。一般的なヘルスチェックには、サーバーへのping、特定のポートの状態の確認、または特定のURLへのリクエストの送信などがあります。
4. ロードバランサーの監視：ロードバランサーを監視して、正しく機能していること、およびトラフィックがプール内のサーバー間で均等に分散されていることを確認します。これは、ロードバランサーベンダーが提供する監視ツールを使用するか、サードパーティの監視ソリューションを使用することで実行できます。

ロードバランシングのベストプラクティス

ロードバランシングの実装が効果的であることを確認するには、次のベストプラクティスに従ってください。

• ヘルスチェックの使用：ロードバランサーが正常なサーバーにのみトラフィックを送信するように、堅牢なヘルスチェックを実装します。アプリケーションの正常性を正確に反映するようにヘルスチェックをカスタマイズします。
• パフォーマンスの監視：潜在的な問題を特定し、パフォーマンスを最適化するために、ロードバランサーとサーバーのパフォーマンスを継続的に監視します。CPU使用率、メモリ使用量、ネットワークトラフィックなどのメトリックを使用して、システムの正常性を追跡します。
• 適切なアルゴリズムの選択：ニーズに最適なロードバランシングアルゴリズムを選択します。アプリケーションの特性と予想されるトラフィックパターンを考慮してください。
• ロードバランサーのセキュリティ：ファイアウォールや侵入検知システムなどの適切なセキュリティ対策を実装して、ロードバランサーをセキュリティ上の脅威から保護します。
• スケーラビリティの計画：トラフィックの増加に合わせてプールにさらに多くのサーバーを簡単に追加できるように、ロードバランシングの実装をスケーラブルに設計します。
• スティッキーセッションの使用は慎重に：スティッキーセッション（セッションの永続性）は役立つ場合がありますが、慎重に実装しないと、トラフィックの不均等な分散につながる可能性があります。スティッキーセッションを使用する前に、スケーラビリティと可用性への潜在的な影響を考慮してください。
• 冗長性の実装：高可用性を確保するために、複数のロードバランサーを冗長構成で使用します。1つのロードバランサーが故障した場合、他のロードバランサーが自動的に引き継ぎます。
• 構成のテスト：本番環境に展開する前に、ロードバランシング構成を徹底的にテストします。ロードテストツールを使用して、現実的なトラフィックパターンをシミュレートし、潜在的なボトルネックを特定します。
• 展開と構成の自動化：自動化ツールを使用して、ロードバランサーを展開および構成します。これにより、エラーを減らし、効率を向上させることができます。Ansible、Chef、Puppetなどの構成管理ツールを使用して、構成プロセスを自動化できます。

実際の例

ロードバランシングがさまざまな業界でどのように使用されているかの実際の例を次に示します。

• Eコマース：EコマースのWebサイトは、ロードバランシングを使用してトラフィックを複数のサーバーに分散し、ブラックフライデーやサイバーマンデーなどのピーク時のショッピングシーズン中にWebサイトが利用可能で応答性を維持できるようにします。AmazonやAlibabaなどの小売業者は、大量のトラフィックの急増を処理するためにロードバランシングに大きく依存しています。
• オンラインゲーム：オンラインゲーム会社は、ロードバランシングを使用してトラフィックを複数のゲームサーバーに分散し、プレーヤーがスムーズでラグのないゲーム体験を確実に得られるようにします。FortniteやLeague of Legendsなどのゲームは、世界中の何百万人もの同時プレーヤーを処理するために、洗練されたロードバランシング技術を利用しています。
• 金融サービス：金融機関は、オンラインバンキングプラットフォームの可用性とセキュリティを確保するためにロードバランシングを使用しています。銀行は、稼働時間を保証し、DDoS攻撃から保護する必要があります。
• メディアストリーミング：メディアストリーミングサービスは、ビデオコンテンツを複数のサーバーに分散するためにロードバランシングを使用し、ユーザーがバッファリングや中断なしにビデオをストリーミングできるようにします。Netflix、YouTube、Spotifyはすべて、世界中の何百万人ものユーザーにコンテンツを配信するためにロードバランシングを使用しています。
• ヘルスケア：ヘルスケアプロバイダーは、電子健康記録（EHR）システムの可用性を確保するためにロードバランシングを使用しています。医師や看護師は、患者情報にすばやく確実にアクセスできる必要があります。

グローバルサーバロードバランシング（GSLB）の詳細

グローバルサーバロードバランシング（GSLB）は、地理的に分散した複数のデータセンターまたはクラウドリージョン間でトラフィックを分散する、特殊な形式のロードバランシングです。世界中のユーザーに対して高可用性とパフォーマンスが必要なアプリケーションにとって重要です。

GSLBの利点

• 災害復旧：GSLBは、データセンターの停止に対する回復性を提供します。1つのデータセンターが故障した場合、トラフィックは自動的に別のデータセンターにリダイレクトされ、ビジネス継続性が確保されます。
• パフォーマンスの向上：GSLBは、ユーザーを最も近い利用可能なサーバーの場所にルーティングし、レイテンシを削減し、応答時間を改善します。これは、グローバルなユーザーベースを持つアプリケーションにとって特に重要です。
• レイテンシの削減：地理的に近いサーバーからコンテンツを提供することにより、GSLBは、サーバーとユーザー間でデータが移動する時間を最小限に抑えます。
• コンプライアンスとデータの主権：GSLBは、特定の地理的領域内のサーバーにトラフィックをルーティングするように構成できるため、組織はデータの主権規制に準拠できます。たとえば、ヨーロッパのユーザーは、欧州連合内のサーバーにルーティングできます。
• 容量管理：GSLBは、容量に基づいて複数のデータセンター間でトラフィックを分散し、単一のデータセンターが過負荷にならないようにすることができます。

GSLBの実装に関する考慮事項

• DNS管理：GSLBは、トラフィックを適切なサーバーの場所に誘導するためにDNSに大きく依存しています。その有効性には、適切なDNS構成が不可欠です。
• ヘルスモニタリング：データセンターの停止とサーバーの故障を検出するには、堅牢なヘルスモニタリングが不可欠です。GSLBシステムは、これらのイベントをすばやく特定して対応できる必要があります。
• 同期：整合性を確保するために、すべてのデータセンター間でデータを同期する必要があります。これは、さまざまなデータレプリケーション技術を通じて実現できます。
• コスト：GSLBは、追加の複雑さとインフラストラクチャの要件があるため、従来のロードバランシングよりも高価になる可能性があります。

GSLBルーティング方法

• GeoDNS：GeoDNSは、クライアントのIPアドレスを使用して、地理的な場所を特定し、最も近いデータセンターにルーティングします。
• レイテンシベースのルーティング：レイテンシベースのルーティングは、クライアントと各データセンター間のレイテンシを測定し、クライアントを最も低いレイテンシのデータセンターにルーティングします。
• 加重ルーティング：加重ルーティングを使用すると、各データセンターに異なる重みを割り当てて、トラフィックの分散を制御できます。
• フェイルオーバールーティング：フェイルオーバールーティングは、プライマリデータセンターが故障した場合に、自動的にバックアップデータセンターにトラフィックをリダイレクトします。

クラウドでのロードバランシング

クラウドプロバイダーは、簡単に展開および管理できる堅牢なロードバランシングサービスを提供しています。これらのサービスは、通常、スケーラビリティが高く、費用対効果が高くなります。

AWS Elastic Load Balancing（ELB）

AWS ELBは、いくつかのタイプのロードバランサーを提供しています。

• Application Load Balancer（ALB）：ALBはHTTPおよびHTTPSトラフィック用に設計されており、コンテンツベースのルーティングやホストベースのルーティングなどの高度なルーティング機能を提供します。
• Network Load Balancer（NLB）：NLBはTCPおよびUDPトラフィック用に設計されており、高いパフォーマンスと低いレイテンシを提供します。
• Classic Load Balancer（CLB）：CLBは、AWSロードバランサーの古い世代であり、ALBおよびNLBに置き換えられています。

Azure Load Balancer

Azure Load Balancerは、内部および外部のロードバランシング機能の両方を提供します。さまざまなロードバランシングアルゴリズムとヘルスチェックオプションをサポートしています。

Google Cloud Load Balancing

Google Cloud Load Balancingは、次のようないくつかのタイプのロードバランサーを提供しています。

• HTTP（S）Load Balancing：HTTP（S）Load Balancingは、HTTPおよびHTTPSトラフィック用に設計されており、グローバルロードバランシング機能を提供します。
• TCP Load Balancing：TCP Load Balancingは、TCPトラフィック用に設計されており、リージョナルロードバランシング機能を提供します。
• UDP Load Balancing：UDP Load Balancingは、UDPトラフィック用に設計されており、リージョナルロードバランシング機能を提供します。

結論

ロードバランシングは、最新のアプリケーションのパフォーマンス、可用性、スケーラビリティを確保するための不可欠な技術です。トラフィックを複数のサーバー間で均等に分散することにより、ロードバランシングは、単一のサーバーが過負荷になるのを防ぎ、ユーザーがスムーズで応答性の高いエクスペリエンスを得られるようにします。小規模なWebサイトを実行している場合でも、大規模なエンタープライズアプリケーションを実行している場合でも、ロードバランシングはインフラストラクチャの重要なコンポーネントです。さまざまなタイプのロードバランサー、アルゴリズム、およびベストプラクティスを理解することは、特定のニーズを満たす効果的なロードバランシングソリューションを実装するために不可欠です。

アプリケーションがますますグローバルになるにつれて、グローバルサーバロードバランシング（GSLB）はさらに重要になります。地理的に分散した複数のデータセンター間でトラフィックを分散することにより、GSLBは、世界中のユーザーが、データセンターの停止やネットワークの中断が発生した場合でも、高速で信頼性の高いエクスペリエンスを確実に得られるようにします。ロードバランシングを受け入れ、必要に応じてGSLBを含めることは、グローバルなオーディエンス向けの、回復力があり、高性能なアプリケーションを構築するための重要なステップです。