NodIOとは何か？アーキテクチャ徹底解説

はじめに

NodIOは、ブラウザをクライアントノードとして利用し、JavaScriptベースでボランティア分散計算を実現するフレームワークです。本記事ではその背景や目的、アーキテクチャの全体像から各コンポーネントの役割までを詳細に解説します。

目次

1. 背景と目的
2. システム全体構成
3. 各コンポーネント詳細
   • オーケストレーションサーバ
   • クライアント（ブラウザ）
   • タスクキューとデータストア
4. 通信フロー
5. フェイルオーバーと冗長化
6. セキュリティ考慮
7. まとめ

1. 背景と目的

• 専用アプリ不要: SETI@homeやFolding@homeのようにユーザー側に別途アプリをインストールさせずに、ブラウザのみで参加可能
• 汎用性: JSONでタスク定義を行い、さまざまな並列アルゴリズムに対応
• リアルタイム性: WebSocketによる双方向通信で低レイテンシなタスク配信＆結果収集を実現

2. システム全体構成

• オーケストレーションサーバ: クライアント管理、タスク配信、結果検証を統括
• Redis: タスクキューとして使用。高スループットでタスクの取得／登録を処理
• 結果ストレージ: S3やオブジェクトストレージに集約後の結果を保存
• ブラウザクライアント: WebSocket接続を維持し、JSONタスクを受信。Web Workerで並列実行

3. 各コンポーネント詳細

3.1 オーケストレーションサーバ

• 役割
  • クライアントの接続管理（認証トークン発行など）
  • タスクの配信／再配分
  • 結果の受信と一時保管
  • 冗長性チェック（重複ノードへの再配信）
• 技術スタック例
  • Node.js + Express
  • WebSocketライブラリ（ws など）
  • Redisクライアント（ioredis）

サーバサイド擬似コード

// 接続ハンドラ
wss.on('connection', socket => {
  const nodeId = registerClient(socket);
  socket.on('message', data => handleClientMessage(nodeId, JSON.parse(data)));
});

// タスク配信
async function dispatchTasks() {
  const task = await redis.lpop('tasks');
  if (task) {
    const targetNode = selectAvailableNode();
    targetNode.socket.send(JSON.stringify({ type: 'TASK', payload: task }));
  }
}
setInterval(dispatchTasks, 50);

3.2 クライアント（ブラウザ）

• 役割
  • サイト訪問時にサーバへWebSocket接続
  • タスク受信 → Web Workerへ委譲
  • 計算結果をサーバへ送信
• ポイント
  • メインスレッドをブロックしないようWeb Workerを活用
  • 離脱時のクリーンアップ（再配分通知）

クライアント擬似コード

const socket = new WebSocket('wss://example.com');
socket.onmessage = e => {
  const msg = JSON.parse(e.data);
  if (msg.type === 'TASK') {
    const worker = new Worker('worker.js');
    worker.postMessage(msg.payload);
    worker.onmessage = ev => {
      socket.send(JSON.stringify({ type: 'RESULT', payload: ev.data }));
    };
  }
};
window.addEventListener('beforeunload', () => {
  socket.send(JSON.stringify({ type: 'LEAVE' }));
});

3.3 タスクキューとデータストア

• Redisの利用
  • LPUSH／LPOP で簡易タスクキュー
  • 冗長性のための複製リスト管理
• 結果ストレージ
  • 中間結果をバイナリまたはJSONでS3に保管
  • バッチ処理で集約・バリデーション

4. 通信フロー

1. クライアント→サーバ: HELLO（ノード登録）
2. サーバ→クライアント: TASK（タスク配信）
3. クライアント→ワーカー: RUN_TASK
4. ワーカー→クライアント: TASK_DONE
5. クライアント→サーバ: RESULT
6. サーバ: VALIDATE → 再配分 or ACK

5. フェイルオーバーと冗長化

• 同一タスクを2〜3ノードに並行配信し、結果を照合
• タスク実行中のノード離脱検知 → 未完了タスクを再キューイング
• 定期的にノードヘルスチェック（ping/pong）

6. セキュリティ考慮

• コードサンドボックス: Web WorkerとCSPによる悪意あるコード実行の防止
• データ検証: 結果のハッシュチェック、許可トークンの検証
• 通信保護: WSS（TLS）で通信の盗聴・改竄を防止

7. まとめ

NodIOは、インストール不要かつ高い汎用性を備えたブラウザ分散計算基盤です。WebSocket＋Web Worker＋JSONタスク定義の組み合わせにより、低レイテンシかつ動的参加型の並列処理を実現します。本記事で紹介したアーキテクチャをベースに、次はハンズオン実装記事で具体的なコード例を見ていきましょう。