ロード バランシングとは何か、またその仕組みは?

ロードバランシングとは？

ロードバランシングとは、サーバーファームまたはプール内の複数のサーバーに着信要求を分散させるプロセスです。 単一のマシンがすべてのワークロードを負担する代わりに、要求はインテリジェントにサーバープール内で最も利用可能で能力のあるリソースに誘導されます。これにより、個々のWebサーバーがボトルネックになるのを防ぎ、最適なスループットを維持し、応答時間を最小限に抑えることができます。

トラフィックを単一のサーバーから分離することにより、ロードバランシングは水平スケーラビリティを実現します。需要が増加するにつれて、組織は追加のポイント・オブ・プレゼンス（PoP）を追加することで、数千の同時要求を管理できます。

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ロードバランシングはどのように機能するか？

ロードバランシングは、サーバーの可用性、容量、応答動作の継続的な評価を通じて動作します。トラフィックのルーティング決定は、ヘルスチェックとパフォーマンスシグナルによって導かれ、要求を最も能力のあるリソースにルーティングします。サーバーが応答しなくなったり過負荷になったりした場合、トラフィックは自動的にリダイレクトされてサービスの継続性が維持されます。

このプロセスの中心にはロードバランサーがあり、これらのルーティング決定を行い実施する責任を負う制御層として機能します。専用アプライアンスまたはソフトウェアベースのコントローラーとしてデプロイされるロードバランサーは、バックエンドリソースを監視し、分散ロジックをリアルタイムで適用します。

多くの環境では、アプリケーションデリバリーコントローラー（ADC）が、ロードバランシングポリシーを大規模に実行し、変化するネットワーク条件に対応することで、この機能を拡張します。決定ロジックは一貫していますが、ロードバランサーは動作方法と場所が異なり、特定のレイヤーとデプロイメントシナリオに最適化された明確なタイプがあります。

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ロードバランサーの種類

ロードバランサーは、その動作レイヤー、地理的範囲、デプロイメントモデルに基づいていくつかのタイプに分類できます：

ネットワークロードバランサー

トランスポートレイヤーで動作し、ネットワークロードバランサーはIPアドレスとTCP/UDPポートに基づいてトラフィックをルーティングします。パケットの内容を検査することなく、高いスループットと最小限の遅延を実現し、速度が最重要であり、ディープパケットインスペクションが不要な場合に大量のトラフィックを管理するのに理想的です。

アプリケーションロードバランサー

アプリケーションレイヤー（L7）で動作し、HTTPヘッダー、SSLセッションID、ユーザー要求を評価します。このコンテキスト対応型のアプローチにより、画像要求を専門のメディアサーバーに誘導しながら、API呼び出しを別のプールにルーティングするなど、非常に細かい粒度でのトラフィック制御が可能になります。

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、クラウドプラットフォーム内で需要に応じて自動的にスケールする管理された仮想インスタンスを通じてトラフィックを分散します。手動のハードウェア設定なしで柔軟なリソース分散を提供します。

グローバルサーバーロードバランシング（GSLB）

GSLBは、複数の地理的リージョンにわたるトラフィック管理を拡張します。分散サーバーファームを利用して、ユーザーを最も近いデータセンターに誘導し、遅延を低減し、ユーザーエクスペリエンスを向上させます。グローバルオーケストレーションはまた、フェイルオーバーメカニズムを提供します：あるリージョンで障害が発生した場合、トラフィックは自動的に世界中の健全なサイトに再ルーティングされます。

ハードウェア vs ソフトウェアロードバランシング

ロードバランシングは、ハードウェアベースのアプライアンスまたはソフトウェア定義ソリューションを介して実装できます。ハードウェアロードバランサーは、高性能トラフィックを処理するためにオンプレミスに設置される専用の物理デバイスです。専用アプライアンスは大規模なスループットと専門的な処理能力を提供しますが、初期コストが大きく、手動でのメンテナンスが必要です。

ソフトウェアロードバランサーは、標準サーバー上または仮想化環境内で実行されます。ソフトウェア定義コントローラーは、物理ハードウェアと同じ中核的利点を、より高いスケーラビリティと低いオーバーヘッドで提供します。組織は物理的なハードウェアの制約なく、容量を迅速に調整し、セキュリティアップデートをデプロイできます。

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ロードバランシングの利点

ロードバランシングは、特にトラフィックが変動し、厳格な稼働時間が期待される環境において、デプロイメントモデル全体で一貫した運用上の利点をもたらします。

トラフィックスパイクへのスケーラビリティ

休暇シーズンやプロモーションイベントなどの高需要期間中、トラフィックスパイクはサーバーをすぐに圧倒する可能性があります。このような条件下では、ロードバランシングにより、組織はサーバー容量を動的に調整し、ワークロードを分散させ、需要の増加に応じてアプリケーションの応答性を維持できます。Eコマースプラットフォームにとって、スケーラブルなトラフィック処理は収益結果に直接影響します。安定したパフォーマンスが、顧客の需要が購入の完了につながるか、離脱につながるかを決定するからです。

冗長性とダウンタイム防止

トラフィックの急増は、限られたインフラストラクチャに需要を集中させることで、サーバー障害のリスクを高めます。ロードバランシングは、アプリケーションを複数のWebサーバーに分散させることでこのリスクを低減し、単一障害点がサービスの可用性を妨げるのを防ぎます。1つのサーバーまたはポイント・オブ・プレゼンスが利用できなくなった場合、トラフィックは自動的に機能している場所にリダイレクトされ、サービスを中断なく継続できます。アクティブパッシブアーキテクチャは、ハードウェアまたはソフトウェアの故障時の信頼性の高いフェイルオーバーを可能にすることで、冗長性を強化します。この枠組みの中で、CDNetworksのオリジンロードバランシングは、PoPの健全性を監視し、必要に応じてトラフィックをシフトして安定性を維持することで、企業のデプロイメントをサポートします。

メンテナンスのための柔軟性

ルーティンメンテナンスは、トラフィックの運用が限られたアクティブサーバーのセットに結びついている場合、しばしばサービスを中断させます。ロードバランシングは、メンテナンス期間中にユーザートラフィックをパッシブサーバーに迂回させることを可能にすることで、運用上の柔軟性を向上させます。構成制御を通じて、ITチームは、アップデートやセキュリティパッチが他の場所で適用されている間、アクティブなトラフィックを指定されたサーバーにルーティングできます。メンテナンスタスクは、変更が本番環境でテストされている間、アイドルサーバーで進行できます。検証後、ロードバランサーは更新されたサーバーをアクティブ状態に戻し、サービス全体を停止することなくメンテナンス活動を完了させることができます。

積極的な障害検知とパフォーマンス最適化

複数のデータセンターにわたるトラフィックの管理には、インフラストラクチャの障害を早期に把握することが必要です。障害が分離されると、ルーティング決定はパフォーマンスの最適化に焦点を当てることができ、これは分散PoP環境では特に重要になります。ロードバランシングは、サーバーの停止を特定し、影響を受けた場所からトラフィックを迂回させることでこの要件をサポートし、サービスの可用性を維持します。

同じルーティングロジックはパフォーマンスも改善します。リージョン対応のオリジン選択は、要求を近隣のインフラストラクチャ内に留め、不必要なクロスリージョン転送を回避することで、遅延を低減します。バックグラウンドで問題が解決されている間、より速い応答はユーザーエクスペリエンスの維持に役立ちます。

DDoS攻撃の緩和

分散型サービス拒否（DDoS）攻撃は、単一のエントリーポイントを過剰なトラフィックで圧倒することでインフラストラクチャを圧倒します。このようなシナリオでは、単一のサーバーに依存することは、サービスの中断リスクを大幅に高めます。ロードバランシングは、着信トラフィックを複数のサーバーに分散させることでこのリスクを緩和し、いずれかのシステムがボトルネックになるのを防ぎます。攻撃トラフィックが特定のサーバーを標的とする場合、トラフィックは利用可能なリソースに再ルーティングされ、露出した攻撃対象領域が減少します。その結果、サービスは引き続きアクセス可能になり、ネットワークは持続的な攻撃試行に対してより回復力を持ちます。

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一般的な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、着信トラフィックがバックエンドサーバーにどのようにルーティングされるかを定義します。異なる決定モデルは、異なる運用上のニーズに対応し、負荷下での安定性、パフォーマンス、およびリソース利用に影響を与えます。

ラウンドロビン

ラウンドロビンは、着信要求を利用可能なサーバーに順次分散させます。各要求はサイクル内の次のサーバーに転送され、最後のサーバーに到達した後、最初のサーバーに戻ります。ラウンドロビンはシンプルで実装が容易であり、サーバーが類似の容量とパフォーマンス特性を持つ環境に適しています。ただし、ラウンドロビンは均一なワークロードを想定しており、リアルタイムのサーバー負荷を考慮しないため、トラフィックパターンが変動する場合に不均衡が生じる可能性があります。

加重ラウンドロビン

加重ラウンドロビンは、基本のラウンドロビンモデルを拡張し、サーバー容量の違いを考慮します。各サーバーには、その相対的な処理能力または利用可能なリソースを反映した重みが割り当てられます。要求はこれらの重みに比例して分散され、より高い容量のサーバーがより多くのトラフィックを処理できるようにします。加重ラウンドロビンは、バックエンドインフラストラクチャが異種であり、ワークロード分散がハードウェアの能力に合わせる必要があるマルチオリジン環境で一般的に使用されます。

IPハッシュ

IPハッシュは、クライアントのIPアドレスから導出された値に基づいて要求をルーティングします。結果のハッシュは、各クライアントを一貫して同じバックエンドサーバーにマッピングします。一貫したルーティングは、一時的なユーザーデータをローカルに保存するアプリケーションのセッションペーシスタンスをサポートします。IPハッシュは、共有セッションストレージが利用できない場合、または正しいアプリケーション動作のために接続アフィニティを維持する必要がある場合に一般的に使用されます。

最少接続

最少接続は、新しい要求を、到着時に最も少ないアクティブ接続を処理しているサーバーに誘導します。ルーティング決定は、固定された分散ルールではなく、現在のワークロードを反映します。最少接続は、混雑度の低いサーバーを優先することで、高並行性期間中の過負荷のリスクを低減します。最少接続は、セッション長が様々で、1日を通してトラフィック量が変動する環境でうまく機能します。

最少応答時間

最少応答時間は、観測された応答性とアクティブな要求量に基づいてバックエンドサーバーを選択します。ルーティングは、単に接続数の少ないサーバーではなく、より速い応答を提供できるサーバーを優先します。応答性を優先することは、遅延に敏感なアプリケーションの一貫したパフォーマンス維持に役立ちます。最少応答時間は、動的なリソース使用または共有インフラストラクチャによりバックエンドパフォーマンスが変動する環境によく適応します。

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CDNコンテキストでのロードバランシング

コンテンツ配信ネットワーク（CDN)では、ロードバランシングは、グローバルレベルで高速で信頼性が高くスケーラブルなコンテンツ配信を保証するコアメカニズムとして機能します。従来のサーバーファームとは異なり、CDNは数百または数千の地理的に分散したPoPで動作し、トラフィック決定は複数の要因を一度に考慮する必要があります。

この複雑さを管理するために、CDNロードバランシングは各要求を最適な場所に誘導し、低遅延を確保し、混雑を防止し、高いパフォーマンスを維持します。その主な機能は以下の通りです：

効率的な静的アセット配信

画像、スタイルシート、メディアファイルなどの静的コンテンツは、ほとんどのCDNの主なワークロードを表します。ロードバランシングは、キャッシュの可用性とエンドユーザーへの近接性を評価することで、各要求にどのPoPが応答するかを決定します。

有効なキャッシュされたコンテンツを持つ最も近いPoPにトラフィックを誘導することで、ロードバランシングは配信距離を短縮し、遅延を低下させます。また、要求を複数のPoPに分散させることで、トラフィック急増時の局所的な混雑を防止し、CDNが突然の需要増加下でも一貫したパフォーマンスを維持できるようにします。この役割において、ロードバランシングは効率的でスケーラブルな静的アセット配信を直接サポートします。

GSLBによるグローバルトラフィック調整

CDNインフラストラクチャがリージョン全体に拡大するにつれて、トラフィック分散の決定は、リージョン認識を超えて移動する必要があります。グローバルサーバーロードバランシングは、世界中のPoPおよびオリジンリソースの健全性、場所、到達可能性を評価する調整レイヤーを導入します。

GSLBにより、ユーザー要求は不必要なクロスリージョン横断なしに適切なリージョンにルーティングされます。このようなアプローチは、単一の場所への依存を減らしながら、最適なネットワークパス内にトラフィックを保持することで、オリジンの回復力を向上させます。CDNetworksのようなCDNプロバイダーは、GSLBを適用して、リージョン対応のオリジンルーティングと自動フェイルオーバーをサポートし、リージョンでの混乱中のサービスの可用性維持に役立てています。

プロトコル対応トラフィックルーティング

CDNは、複数のトランスポートプロトコルにわたるトラフィックを処理し、それぞれが異なる接続特性を持っています。ロードバランシングは、均一な処理を適用するのではなく、各プロトコルのルーティングを最適化します：

• HTTPトラフィック：ロードバランシングは接続を再利用し、セッションを管理して、ハンドシェイクのオーバーヘッドを削減し、スループットを向上させます。
• HTTPSトラフィック：セキュア接続を効率的に処理し、暗号化とSSL/TLSネゴシエーションからの遅延を最小限に抑えます。
• QUICトラフィック：プロトコル対応ルーティングは、動的なネットワーク条件下でのより速い接続確立とスムーズなハンドオフを可能にします。

これらの最適化を組み合わせることで、多様な環境全体で応答性の高いアプリケーション配信を維持することができます。

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ロードバランシングに関するよくある質問

ロードバランシングとは何ですか？

ロードバランシングは、ネットワークトラフィックを複数のサーバーに分散させ、単一のリソースが過負荷にならないようにし、高需要期間中のシステム可用性を最大化します。

ロードバランサーとは何ですか？

ロードバランサーとは、リアルタイムで着信要求を評価し、可用性と健全性に基づいて各要求を最も適切なサーバーに誘導するデバイスまたはソフトウェアコントローラーです。

静的および動的ロードバランシングアルゴリズムの違いは何ですか？

静的アルゴリズムは固定されたルールに基づいてトラフィックを分散させますが、動的アルゴリズムはリアルタイムのパフォーマンスデータを利用して、アクティブな接続とサーバー遅延に基づいてルーティング決定を調整します。

GSLBとは何ですか？

グローバルサーバーロードバランシング（GSLB）は、ユーザーを最も近いデータセンターに誘導し、世界中の複数のリージョンにわたる遅延を低減し、リージョン障害時の自動フェイルオーバーを提供します。

CDNetworksのオリジンロードバランシングの主な利点は何ですか？

CDNetworksが提供するオリジンロードバランシングは、以下のような企業にとって具体的な利点をもたらします：

• 複数のオリジンサーバー間でのワークロード分散による安定性と稼働時間の向上
• サーバー異常の積極的な検出と自動フェイルオーバーによる障害からの迅速な回復
• リージョンベースのオリジン取得によるパフォーマンスの強化と遅延の低減