dapr を使った React / Express / Flask のマイクロサービスアプリケーションを Azure Container Apps にデプロイする

はじめに

本記事は、Microsoft Azure Tech の Qiita アドベントカレンダー の記事です。昔から存在は知っていたけどなんとなく難しそうなイメージがあり、なかなか手を出せていなかった dapr ですが、今回はアドベントカレンダーということでしたので、思い切って勉強と開発をしてみました。dapr ということでマイクロサービスごとは疎結合で連携されているため、Python と JavaScript という技術スタックが異なるコンテナーが動くマイクロサービスを構築してみました。構築後は、Azure Container Apps にデプロイするところまでを記事にまとめています。本記事では、まず初めに dapr や Azure Container Apps などの説明をした後、構築したマイクロサービスのデモと説明をします。そして最後に、マイクロサービスのデプロイ手順について紹介します。

マイクロサービスアーキテクチャとは

マイクロサービスアーキテクチャとは、大規模なアプリケーションを小さな独立したサービスに分割した構成のことです。マイクロサービスアーキテクチャを使用することで、システム全体の機能のコア領域を個別に開発、アップグレード、バージョン管理、スケーリングできるようになります。これにより、迅速な開発と保守が可能で、異なる技術スタックを利用できるため、効率的で柔軟性の高いアプリケーション開発が実現されます。

上の図は、モノリシックなアプリケーションとマイクロサービスアプリケーションの違いを概念図として比較したものになります。モノリシックなアプリケーションは、Web 3 層構造などの、Web、ビジネス、データなどの、機能層で分割された構造となっています。クラウドの導入が進み、従来のこうしたモノリシックなアプリケーションは、マイクロサービスアプリケーションアーキテクチャに向かう傾向にあります。マイクロサービスアプリケーションは、個々が小規模な個別サービスなので、あらゆる言語、あらゆるフレームワーク、バージョン、デプロイ、拡張、が可能で自由度が高いですが、複雑性が増すという課題もあります。次の見出しで紹介する dapr はこうした分散システムの複雑性を軽減することが可能です。

dapr とは

dapr（Distributed Application Runtime）は、分散システムの開発を容易にするためのオープンソースのランタイムフレームワークです。異なるサービスのコミュニケーション、状態管理、エベント処理などの共通機能を抽象化し、開発者がアプリケーションを構築する際の複雑さを軽減します。様々なプログラミング言語やクラウドプラットフォームで利用可能であり、柔軟で拡張可能な分散システムの構築が可能です。dapr では、マイクロサービスアプリケーションを構成要素と呼ばれる独立した API に構築するための仕組みが体系化されています。dapr の機能について、以下で簡単にまとめます。

• Service-to-service Invocation
  • サービスの呼び出しのためのエンドポイントが作成され、他のサービスとの連携を容易に実現
• State Management
  • テートフルなサービスをに対応し、状態データを保存可能
• Publish and Subscribe
  • サービス同士の Publish-Subscribe メッセージングを実現可能
• Input/Output Bindings
  • 外部のイベントによるアプリのトリガーと、入出力インターフェイスが利用可能
• Actors
  • Actor パターンにより、サービス同士の連携が可能
• Secrets
  • 機密データを格納したストレージに接続してアクセス可能
• Configuration
  • アプリケーションに関する設定情報が登録可能
• Distributed Lock
  • ロックをしてリソースへの排他的なアクセスが可能
• Workflows
  • ビジネスロジックと統合を簡単に記述し、マイクロサービスの調整が可能
• Cryptography
  • 暗号化キーをアプリケーションに公開することなく、暗号化操作を実行可能

Azure Container Apps とは

Azure Container Apps は、コンテナー化されたアプリケーションを実行するためのサーバーレスプラットフォームです。Azure Container Apps を利用することで、保守するインフラストラクチャが少なくなるため、運用コストを削減できます。Azure Container Apps は 1 つ以上のコンテナーで作られたコンテナーアプリで構成されるため、個々がマイクロサービスとしての役割を果たします。

Azure Container Apps の一般的な用途には以下になります。

• API エンドポイントのデプロイ
• バックグラウンド処理ジョブのホスティング
• イベント駆動型処理の処理
• マイクロサービスの実行

Azure Container Apps は、Container Apps Environment と呼ばれるセキュリティ境界内にデプロイされます。また、Azure Container Apps は、スケーリング、バージョン管理、アップグレード、サービス検出、ネイティブの dapr 統合、といったマイクロサービスをデプロイする基盤を提供しています。

サンプルアプリの紹介・デモ

サンプルアプリのデモ動画を Twitter に載せました。このサンプルアプリは、りんご・ばななの在庫個数をリアルタイムで表示する Web アプリになっています。サンプルアプリの仕様として、りんご・ばななの在庫はそれぞれ 1000 個ずつあり、りんごは 1 秒ごとに 1 個 から 10 個の間の乱数、ばななは 2 秒ごとに 1 個 から 20 個の間の乱数の注文が入るようにするため、りんご・ばななの注文サービスは定期的に dapr に向けて POST 通信をするようにしています。このアプリの全体像を伝えるために、ブラウザで動く Web アプリだけを録画するよりも、他のマイクロサービスで出力されるログを同時に確認できたほうが、サービス全体の動きを理解しやすいと思うので、Visual Studio Code の画面でブラウザと複数のコンソール画面をまとめて 1 画面に録画しました。左上が React による在庫個数を表示したフロント画面であり、中央上が Worker1 によるりんごの注文ログ、右上が Worker2 によるばななの注文ログを表示しており、下が Service によるりんごとばななの受注ログ・在庫個数ログになります。

サンプルアプリのソースコードは以下の GitHub リポジトリに公開しています。

サンプルアプリは以下のソースコードを参考にして開発しました。

アーキテクチャ

構築したマイクロサービスアプリケーションのアーキテクチャ図は以下になります。Azure Container Apps Environments 内に 5 つのマイクロサービスをデプロイし、それぞれに対して Azure Container Apps でホスティングしています。マイクロサービスはそれぞれ Docker でコンテナ化されており、その横にサイドカーとして動く dapr が配置されています。dapr 間は gRPC で通信しており、dapr とサーバー間は HTTP もしくは gRPC で通信をしています。それぞれのサービスで公開しているポート番号や通信経路は以下の図にまとめています。一方で今回はサンプルなので、Vnet による閉域化などの細かい設計はしていません。また、イングレスについても図にのせていませんが、イングレスエンドポイントは常にポート 443 で公開されています。

gRPC は、HTTP/2 によって高速化された通信が可能で、クライアントとサーバー間での双方向なストリーミング通信ができます。

ローカルでのアーキテクチャ

Azure でのアーキテクチャ

ローカルと Azure では、起動しているアプリケーションは構造は同じですが、公開ポートなど若干異なる点があります。また、マイクロサービスごとの名前、フレームワークと言語、役割についてそれぞれ以下の表にまとめます。

マイクロサービス名	マイクロサービスのフレームワークと言語	役割
Web(front)	React(JavaScript)	りんご・ばななの在庫個数の表示画面
Web(backend)	Express(Node.js)	りんご・ばななの在庫個数伝達サービス
Service	Flask(Python)	りんご・ばななの受注と在庫管理サービス
Worker1	なし(Python)	りんごの注文サービス
Worker2	なし(Python)	ばななの注文サービス

また、果物の個数が更新されるまでのデータフローは以下になります。

1. Worker1 と Worker2 が dapr に向けて果物注文のための POST リクエストを行います
2. dapr 間で gRPC Request が行われ、dapr-Service 間で HTTP 通信が行われます
3. Service で在庫数を変更した後、Service-dapr 間で HTTP 通信が行われます
4. dapr 間で gRPC 通信が行われた後、Web backend へ HTTP 通信が行われます
5. Web backend と Web frontend は WebSocket で繋がっており、HTTP 通信が行われます
6. Web frontend で果物の在庫個数が更新されます

ローカル実行

サンプルアプリの紹介・デモでは、ローカル実行した様子を録画したものを載せています。dapr run を実行して dapr を使用するには、どうやら以下の 3 パターン方法しかないようだったので、ローカルで実行するときはアプリと dapr はプロセスとして起動し、コンテナーは利用しませんでした。当然、Azure Container Apps にデプロイする際には Docker コンテナ化する必要がありますが。

• アプリと dapr をプロセスとして起動する方法
• アプリがプロセスで dapr を Docker コンテナとして起動する方法
• アプリと dapr を 1 つの Docker コンテナ内で起動する方法

ローカル実行をするためのコマンドは サンプルアプリを公開している GitHub リポジトリ の README.md にまとめているので必要であればそちらをご確認ください。

デプロイ

ローカルで実行したマイクロサービスアプリケーションのデプロイは、以下の公式ドキュメントを参考にして Azure CLI にて実行しました。コマンドの詳細についてはローカル実行と同様に、 サンプルアプリを公開している GitHub リポジトリ の README.md にまとめているので必要であればそちらをご確認ください。

デプロイ結果

Webfrontend のフロント画面

Webbackend のログ

service のログ

worker1 のログ

worker2 のログ

無事、デプロイができました。

おわりに

初めて、dapr に挑戦してみて戸惑う点も多かったですが、慣れてくると確実に便利な技術だと感じました。今回のマイクロサービスアーキテクチャでは dapr コンポーネントは扱わず、サービス呼び出し機能しか扱いませんでしたが、PubSub や Secret や Bind など、他にも dapr には数多くの機能があるので、試してみようと思います。