システムデザインの概念（part5: Proxy&Load Balancing）

プロキシとロードバランシングについて解説します。プロキシ（代理）は、特定の通信プロトコルと混同しないように注意が必要です。

プロキシ（代理）

プロキシサーバ は、ネットワークの仲介者として機能します。これにより、IPアドレスの隠蔽や、コンテンツのキャッシュを通じた効率の向上、さらにはネットワークトラフィックの制御も可能です。

• フォワードプロキシ：クライアントのために動作し、インターネット上でクライアントを匿名化します。

• リバースプロキシ：ターゲットサーバのために動作し、クライアントではなくサーバを匿名化します。リバースプロキシはインターネットとサーバの間に配置され、フォワードプロキシとは異なる方法で動作します。リバースプロキシはクライアントからのリクエストを受け取り、それを適切なサーバに転送します。

リバースプロキシの利点

リバースプロキシの主な利点は、以下の通りです：

1. 負荷分散：リバースプロキシは、複数のサーバ間でのリクエストの分散を通じて、サーバの負荷を管理します。
2. DDoS攻撃の防止：分散型サービス拒否 (DDoS) 攻撃からサーバを保護します。
3. キャッシュ：要求されたコンテンツをキャッシュすることで、レスポンスを迅速に提供し、元のサーバの負荷を軽減します。
4. CDN（コンテンツデリバリーネットワーク）：CDNは、リバースプロキシの一例であり、クライアントが直接オリジンサーバにアクセスする代わりに、リバースプロキシ（CDN）が要求を処理します。

ロードバランサ

リバースプロキシの一つの例として、ロードバランサ が広く認識されています。ロードバランサは、クライアントとサーバの間に位置し、通信の仲介者として機能します。

ロードバランシングの方法

以下は、一般的なロードバランシングの方法です：

1. ラウンドロビン（Round Robin）：リクエストを順番に各サーバに割り当てる方法です。この方法は簡単で効率的ですが、サーバの実際の負荷を動的に調整することはできません。

2. 最小接続数（Least Connections）：現在の接続数が最も少ないサーバに新しいリクエストを割り当てる方法です。これにより、サーバの負荷が均等に保たれます。

3. 最短応答時間（Least Response Time）：応答時間が最も短いサーバにリクエストを割り当てる方法です。システム全体の応答時間を最小化するのに効果的です。

4. IPハッシュ（IP Hash）：クライアントのIPアドレスに基づいてリクエストを特定のサーバに割り当てる方法です。これにより、同じクライアントのリクエストが常に同じサーバに割り当てられ、セッションの一貫性が保たれます。

5. 加重ラウンドロビン（Weighted Round Robin）：各サーバの性能に応じてリクエストを分配する方法です。より高性能なサーバにはより多くのリクエストが割り当てられます。

6. 加重最小接続数（Weighted Least Connections）：サーバの性能に基づいて、接続数が最も少ないサーバにリクエストを割り当てる方法です。これにより、柔軟な負荷分散が可能となります。

7. DNSベースのロードバランシング（DNS-based Load Balancing）：リクエストのドメイン名に基づいてトラフィックを異なるサーバクラスターにルーティングする方法です。

8. コンテンツに基づくロードバランシング（Content-aware Load Balancing）：リクエストの内容（URLやヘッダーなど）に基づいてトラフィックを分配する方法です。

9. アダプティブロードバランシング（Adaptive Load Balancing）：サーバのリアルタイムの負荷と性能指標に基づいて、動的にロードバランシング戦略を調整する方法です。

10. 四層および七層ロードバランシング（Layer 4 and Layer 7 Load Balancing）：四層（TCP/UDP層）では、転送層の情報に基づいてロードバランシングを行います。一方、七層（HTTP層）では、アプリケーション層の情報（HTTPリクエストの内容やURLなど）に基づいてより詳細な制御を行います。

一貫性のあるハッシュ

1. ハッシュロードバランシング：リクエストをサーバに分配する際に、ハッシュ関数を使用して一意の識別子（IPアドレス、ユーザーID、リクエストIDなど）をサーバにマッピングします。しかし、サーバの追加や削除があるときに、すべてのリクエストの再割り当てが必要になるため、不安定な負荷分散を引き起こす可能性があります。

2. 一貫性ハッシュの原理：一貫性ハッシュは、サーバの追加や削除時にも、リクエストとサーバのマッピングを安定させます。ハッシュ関数とリング構造を使用して、均等な負荷分散を実現します。

3. サーバ故障の処理：一貫性ハッシュでは、サーバが故障した場合、そのサーバが処理していたリクエストは、時計回りに次の利用可能なサーバに再割り当てされます。

4. モジュロ演算：一貫性ハッシュでは、結果のハッシュ値をリング上の利用可能な位置にマッピングするためにモジュロ演算を使用します。これにより、オーバーフローを防ぎ、リクエストの均等な分布が促進されます。

5. 一貫性ハッシュの応用：一貫性ハッシュは、コンテンツデリバリーネットワーク（CDN）やデータベースのような、特定のユーザーを同じキャッシュサーバやデータベースサーバにルーティングする必要があるシナリオに適しています。

6. 他の負荷分散技術との比較：一貫性ハッシュは、キャッシュの効果的な利用などの利点を提供しますが、単純なシナリオではラウンドロビンのような他の技術も有効です。

一貫性ハッシュは、分散システムにおいて安定した効率的な負荷分散を提供し、さまざまなアプリケーションにおいて貴重な技術です。

まとめ

この内容を通じて、プロキシとロードバランシングの違いと各技術の特徴について理解を深めていただければ幸いです。