マイクロサービスにおける弾力性パターンの実装

マイクロサービス・レジリエンシー入門

マイクロサービス・アーキテクチャは、ソフトウェア開発における俊敏性、スケーラビリティ、保守性を可能にする能力で組織に受け入れられ、ここ数年で大きな人気を博している。しかし、マイクロサービス・アプリケーションは分散システムに大きく依存するため、その設計とパフォーマンスには弾力性が不可欠になります。

マイクロサービスのレジリエンシーとは、分散環境において障害に耐え、可用性を維持し、一貫したパフォーマンスを提供するアプリケーションの能力のことである。マイクロサービスにおけるレジリエンシー・パターンは、アプリケーションに障害を優雅に管理する力を与え、複雑な分散システムに直面しても安定性を確保する、確立されたメカニズムのセットです。レジリエンシー・パターンを実装することで、開発者は予期せぬエラーや過剰な負荷がシステムに与える影響を最小限に抑え、ダウンタイムを減らし、アプリケーションの全体的なパフォーマンス特性を向上させることができます。

マイクロサービスにレジリエンシー・パターンを実装する理由

分散環境では、ネットワークの遅延、応答しないサービス、ハードウェアの故障、またはその他の予測不可能なイベントによる障害は避けられません。これらの不確実性を受け入れ、効果的に対処する戦略を開発することが極めて重要だ。レジリエンシー・パターンは、障害に効率的に対応し、アプリケーションの可用性と機能性を確保するフォールト・トレラントなシステムを構築するのに役立ちます。マイクロサービスでレジリエンシー・パターンを使用すると、いくつかの重要な利点が得られます：

1. サービスのダウンタイムの削減：レジリエンシー・パターンは、アプリケーションの障害からの迅速な回復を支援し、サービスの中断を最小限に抑え、エンドユーザーの高い可用性を確保します。
2. 障害分離の向上：レジリエンシー・パターンを組み込むことで、開発者は障害を効果的に分離することができ、問題がシステム全体に広がり、障害が連鎖するのを防ぐことができる。
3. システムパフォーマンスの向上：弾力性のあるマイクロサービス・アプリケーションは、負荷の増加やネットワーク遅延などのさまざまな問題を効率的に処理することで、一貫したパフォーマンスをよりよく維持できます。
4. ユーザー満足度の向上：信頼性と一貫性のあるパフォーマンスは、ユーザーエクスペリエンスを向上させ、顧客の信頼とロイヤルティを育みます。

レジリエンシー・パターンを取り入れることで、開発者は障害に耐え、障害から学習して適応できるアプリケーションを構築することができ、進化するレジリエントなシステムを確保することができます。

一般的な回復力パターン

マイクロサービスアーキテクチャで障害を処理するためのベストプラクティスとして、いくつかのレジリエンシーパターンが登場している。各パターンは特定の課題に対処し、アプリケーションの稼働を維持し、不測の事態に直面しても一貫して動作することを保証します。開発者はこれらのパターンを組み合わせて、アプリケーション固有の要件に最も適した弾力性戦略を調整することができます。最も一般的な弾力性パターンには、次のようなものがある：

1. サーキットブレーカー・パターン
2. バルクヘッドパターン
3. タイムアウトとリトライ・パターン
4. レート・リミッター・パターン
5. フォールバック・パターン
6. ヘルスチェックAPIパターン

これらのパターンとその実践的な実装を理解することで、開発者は高い回復力、可用性、パフォーマンスを示すマイクロサービス・アプリケーションを作成するために必要なエッジを得ることができる。

Circuit Breakerパターン

Circuit Breaker パターンは、分散システム内のサービス間でカスケード障害が発生するのを防ぐために、マイクロサービスアーキテクチャで使用される本質的な弾力性メカニズムです。電気回路ブレーカーの概念に着想を得たこのパターンは、システム全体をダウンさせることなく、予期せぬエラーを優雅に処理することを可能にするフェイルファスト・アプローチを提供する。

典型的なマイクロサービス・アーキテクチャは、互いに通信する複数のサービスで構成される。あるサービスが利用不能や待ち時間の増加といった問題に直面すると、依存するサービスも遅延や応答不能に陥る可能性がある。そこでCircuit Breakerパターンが活躍する。サーキット・ブレーカー・パターンは、あるサービスが危険な状態に陥ったことを検知し、そこからトラフィックをリダイレクトすることで、システムの安定性を維持する。

サーキットブレーカー・パターンは、クローズ、オープン、ハーフオープンの3つの状態で動作する。

クローズ状態

これは、エラーが発生しない通常の動作状態である。この状態では、クライアントからのリクエストはすべてダウンストリーム・サービスに渡される。

オープン状態

あらかじめ決められた数のエラーが発生するか、継続的にサービスが利用できなくなると、サーキットブレーカは開状態に切り替わります。この状態の間、サーキット・ブレーカは障害のあるサービスへのリクエスト送信を停止し、障害応答を即座に返し、問題がシステム全体に連鎖するのを防ぎます。これにより、サービスが回復する時間も得られます。

ハーフオープン状態

一定時間が経過すると（リセットタイムアウト）、サーキットブレーカーはハーフオープン状態に入ります。サーキット・ブレーカは、障害が発生したサービスへの限定数のリクエストを許可し、サービスの回復をテストします。サービスが回復し、エラーなしでリクエストを処理した場合、サーキットブレーカーはクローズド状態に戻る。そうでない場合はオープン状態に戻り、回復のための時間を確保する。

サーキット・ブレーカー・パターンを実装するために、開発者はHystrix、Resilience4j、Pollyなど、さまざまなプログラミング言語用のライブラリやフレームワークを使うことができる。あるいは、AppMasterのようなノーコード・ツールを使えば、パターン実装の複雑さを気にすることなくレジリエントなマイクロサービスを構築できる。

バルクヘッドパターン

マイクロサービス・アーキテクチャでは、サービス障害によるシステム全体のダウンを防ぐために、リソースとコンポーネントを分離することが重要だ。バルクヘッドパターンは船の区画設計から派生したもので、安定性と可用性を維持するためにリソースを分離することでこの分離を実現します。

複数の水密コンパートメントを持つ船を思い浮かべてください。コンパートメントの1つが損傷して浸水しても、他のコンパートメントは影響を受けずに船を浮かせておくことができます。同様に、Bulkheadパターンはリソースをスレッド、プロセス、コネクションプールなどの個別のパーティションに分割します。1つのパーティションに問題が発生しても、他のパーティションは機能し続けることができるため、障害がシステム全体に連鎖するのを防ぐことができる。

バルクヘッドの分離には主に2つのタイプがあります：

• リソースレベルの分離：このタイプの分離はスレッドや接続プールのようなリソースを異なるサービスに割り当てるように管理し、あるサービスでの競合が他のサービスに影響しないようにします。
• プロセスレベルの分離：この戦略はサービスを別々のプロセスやコンテナに分離することに焦点を当てます。1つのサービスがダウンしても、他のサービスは影響を受けることなく機能し続けます。

Bulkheadパターンで適切な分離のタイプを選択するかどうかは、アプリケーションの要件、インフラ、リソースの制約に依存します。AppMaster のようなNo-code ツールを使えば、マイクロサービス内で効率的なパーティショニングを行い、耐障害性と回復力を大幅に向上させることができます。

タイムアウトとリトライパターン

分散システムでは、ネットワークの遅延や利用不能などの様々な外的要因によって、リクエストに予想以上の時間がかかることがあります。遅延が長くなるとボトルネックになり、システムが応答しなくなる可能性があります。タイムアウトとリトライパターンは、この課題に取り組むための回復メカニズムとして採用されている。

タイムアウト＆リトライ・パターンでは、操作に特定の制限時間（またはタイムアウト）を設定する。オペレーションが指定されたしきい値内に完了しなかった場合、それは失敗とみなされる。リトライロジックを導入すれば、完全に諦めてエラーを返す前に、一定回数操作を再試行することができる。

タイムアウトとリトライのパターンを効果的に使うためのヒントは以下の通りです：

• 適切なタイムアウトを選択する：タイムアウトは、サービスの予想待ち時間とアプリケーションの応答性要件に基づいて慎重に設定する必要があります。タイムアウトを低く設定しすぎると不必要な再試行が発生する可能性があります。一方、過度に高い値を設定するとシステム負荷が増加し、応答性が低下する可能性があります。
• リトライ回数を制限する：リトライ回数の制限：操作の無限ループを防ぐため、一定のリトライ回数を設定する必要があります。リトライの最大回数は、アプリケーションのエラー処理能力とパフォーマンス要件に基づいて設定すべきである。
• 指数バックオフを使用する：再試行間の遅延を長くする（指数関数的バックオフと呼ばれる）ことで、サービスへの負担を軽減し、回復の可能性を高めることができる。
• 冪等性を処理する：再試行がデータに意図しない副作用を与えないようにします。idempotentオペレーションを使用して、同じ入力パラメーターを持つ複数の呼び出しが、たとえ1つのリクエストが失敗してオペレーションが再試行されたとしても、同じ結果をもたらすことを保証する。

AppMaster のようなノーコード・プラットフォームは、複雑なコードを書くことなく、適切なタイムアウトを設定し、再試行を管理するためのユーザーフレンドリーなインターフェイスを提供し、タイムアウトと再試行パターンを効率的に実装するのに役立ちます。

レートリミッターパターン

Rate Limiter パターンは分散システムにおける一般的なレジリエンスパターンで、リクエストの受信速度を制御することで過剰な負荷からサービスを保護するように設計されています。一定時間内に処理されるリクエストの数を制限することで、負荷が変化してもサービスが安定して応答し、ユーザーが利用できるようにするパターンです。マイクロサービスでよく使われるレート制限のストラテジーはいくつかあります：

1. 固定ウィンドウ：この戦略では、特定の時間ウィンドウ内で固定数のリクエストが許可されます。制限に達すると、次の時間ウィンドウまでリクエストは拒否されます。しかし、この方法はトラフィックの多い時間帯に不当にリクエストをブロックする可能性があります。
2. スライディングウィンドウ：トークン・バケット・アルゴリズムとしても知られるスライディング・ ウインドウ・アプローチは、ある期間中に許可されるリクエスト数を表すトー クンのバケットを継続的に補充することで動作する。リクエストが到着すると、トークンが消費される。バケツが空の場合、リクエストは拒否される。この方法によって、トラフィックの状態が変化しても、より柔軟に対応することができる。
3. リーキーバケット：トークンバケットと似ているが、リーキーバケットアルゴリズムは、一定の割合でバケツを空にすることで、レート制限を課す。着信リクエストはバケツに追加され、バケツがオーバーフローすると リクエストは拒否される。このストラテジーはサービスにおいて一貫した処理ペースを強制する。

レートリミッターパターンを実装するには、通常以下のステップを踏む：

1. サービスのニーズに基づいて適切なレートリミッター戦略を選択する。
2. 選択したストラテジーを適用するレートリミッターミドルウェアまたはコンポーネントを構成する。
3. 目的のマイクロサービスにレートリミッターミドルウェアを適用するendpoints 。
4. システム負荷とパフォーマンス要件に従って、レート制限設定を監視および調整します。

フォールバックパターン

Fallbackパターンは、障害が発生したときやサービスが一時的に過負荷になったときに、マイクロサービスベースのアプリケーションの安定性と可用性を維持するのに役立ちます。サービスがリクエストを処理できないときに、代替のレスポンス（フォールバックレスポンス）を返すことができます。そうすることで、Fallbackパターンは、プライマリサービスが望ましい結果を提供できなくても、ユーザーが意味のあるフィードバックを受け取ることを保証する。Fallbackパターンを効果的に実装するには、以下のステップを考慮してください：

1. 潜在的な障害シナリオやサービスが過負荷になる可能性のある状況を特定する。
2. キャッシュされたデータを返す、デフォルト値を返す、ユーザーフレンドリーなエラーメッセージを表示するなど、各シナリオに適したフォールバックレスポンスやアクションを決定する。
3. 障害状態を検出し、適切なフォールバック・アクションを実行するミドルウェアまたはラッパー・コンポーネントを実装する。
4. フォールバック・レスポンスとアクションを定期的に改訂し、関連性と有効性を確保する。

Fallback パターンは、Circuit Breaker パターンや Retry パターンなどの他の回復力パターンと組み合わせることで、マイクロサービスベースのアプリケーションの可用性をさらに高めることができる。

ヘルスチェックAPIパターン

可用性と回復力の高い分散システムを維持するための重要な側面の1つは、そのサービスの健全性を監視することである。Health Check APIパターンは、マイクロサービスベースのアプリケーション内の個々のサービスのステータスに関するリアルタイムの情報を提供する監視メカニズムを導入する。Health Check APIを実装することで、問題の早期発見が可能になり、問題がエスカレートしてシステム全体のパフォーマンスに影響を与える前に予防措置を取ることができる。Health Check APIパターンを実装するには、以下の手順に従う：

1. 応答時間、エラー率、リソース使用量、またはサービスの機能に関連するカスタムメトリクスなど、各サービスの重要な健全性指標を特定する。
2. 必要なヘルス・インジケータと、期待されるレスポンス・フォーマットおよびデータタイプを含む、共有のHealth Check API契約または仕様を作成する。
3. 共有された契約に従って、各サービスにヘルスチェック（endpoints ）を実装し、正確で最新のヘルス情報を確実に提供する。
4. 健全性チェックAPIを監視およびアラートシステムと統合し、問題の自動検出、通知、および潜在的な緩和戦略を可能にする。

効果的なHealth Check APIパターンは、サービスの健全性のプロアクティブなモニタリングをサポートし、マイクロサービスベースのアプリケーションにおけるサービスディスカバリー、ロードバランシング、オートスケーリングメカニズムを簡素化する。

low-code やAppMaster のようなno-code プラットフォームの人気が高まるにつれ、マイクロサービスにおける回復力パターンの実装はさらに効率的になります。これらのツールの視覚的インターフェースとドラッグ＆ドロップ機能を活用することで、開発者はコーディングの複雑な詳細を気にすることなく、マイクロサービスの設計と更新に集中することができます。

No-Code ツールによるレジリエンシーパターンの実装

マイクロサービスアーキテクチャにレジリエンシーパターンを採用することは、特に必要とされる技術的な複雑さや開発労力を考慮すると、複雑な場合があります。No-code ツールは、非技術的な開発者が複雑なコーディングを気にすることなく、スケーラブルなマイクロサービスを作成、更新、維持できるようにすることで、この課題を効果的に解決します。

これらのツールは、マイクロサービスの設計、構築、デプロイのプロセスを簡素化する視覚的なインターフェースと抽象化レイヤーを提供し、開発者が低レベルの実装の詳細よりもアプリケーションロジックに集中できるようにします。no-code ソリューションにより、回復力パターンの実装はより合理的でコスト効率の高いプロセスとなり、チームは障害に耐え、高可用性を維持できる回復力の高いアプリケーションを作成することができます。

マイクロサービスにレジリエンシー・パターンを実装するためにno-code ツールを使用する主な利点は以下のとおりです：

• シンプルさ：No-code プラットフォームは、ビジュアルツールと事前構築されたコンポーネントを使用してレジリエンシーパターンを作成・実装する簡単な方法を提供するため、コーディングや分散システムの複雑さに関する深い知識を必要としません。
• スケーラビリティ： No-code ソリューションにより、開発者は、需要の増加に容易に対応できる高度にスケーラブルなアプリケーションを作成できます。スケーリング技術の複雑さを抽象化することで、これらのプラットフォームは、使用量とユーザーの増加を簡単にサポートします。
• 費用対効果： no-code ツールを使用して弾力性パターンを実装することで、開発時間、コスト、その後のメンテナンスとアップデートが削減される。この効率性は、企業にとって経費削減と迅速な納品につながります。
• 技術的負債の削減:No-code プラットフォームは、ブループリントからコードを自動生成することで一貫性を確保し、コードの重複や古い依存関係の可能性を排除するため、技術的負債を最小限に抑え、保守可能なアプリケーションを実現します。

AppMasterマイクロサービスの耐障害性へのアプローチ

AppMaster no-code 開発プラットフォームのリーディング・カンパニーである .io は、マイクロサービスにおける弾力性パターンの実装に包括的なアプローチを採用しています。 は、バックエンド、ウェブ、モバイル・アプリケーションを作成するための統合環境を提供することで、ユーザーが弾力性と拡張性の高いアプリケーションを迅速に構築し、デプロイできるようにします。AppMaster

ここでは、AppMaster がどのようにマイクロサービスにレジリエンシーパターンを実装するのに役立つかを紹介します：

• ビジュアルデザイン: AppMaster のビジュアルデザインツールにより、データモデル、ビジネスロジック、REST API、WSSendpoints をdrag-and-drop のシンプルさで作成できます。このアプローチにより、複雑なコードを書かずにマイクロサービスを設計し、レジリエンシーパターンを実装することができます。
• ブループリント・ベース：AppMaster ブループリントからアプリケーションを生成するため、一貫性が保証され、技術的負債がなくなります。アプリケーション設計に変更を加えるたびに、AppMaster は必要なコンポーネントを再生成し、アプリケーションの最新性と保守性を維持します。
• 高性能： AppMaster で構築されたアプリケーションは、バックエンド サービスには Go プログラミング言語、フロントエンド アプリケーションにはVue.js、Kotlin、またはSwiftUI を使用して生成されるため、スタック全体で高いパフォーマンスとスケーラビリティが保証されます。
• オンプレミスまたはクラウド・デプロイメント: AppMaster のプラットフォームは、Dockerコンテナによるデプロイメントをサポートしており、アプリケーションをオンプレミスまたはクラウドでホストして、インフラストラクチャを最大限に柔軟かつ制御することができます。
• オープンAPIの互換性:AppMaster は、サーバendpoints 用の Swagger (OpenAPI) ドキュメントを自動的に生成するため、アプリケーションを他のシステムと簡単に統合したり、サードパーティの開発者がAPIをベースに構築したりすることができます。
• エンタープライズグレードのスケーラビリティ：コンパイル済みのステートレスバックエンドアプリケーションと、あらゆる Postgresql 互換データベースのサポートにより、AppMaster は企業や高負荷のユースケースに対応する優れたスケーラビリティを提供し、パフォーマンスや信頼性を損なうことなく、アプリケーションが大量のトラフィックや使用量に対応できるようにします。

AppMaster'sの弾力性機能と強力なno-code プラットフォームは、様々なユースケースにおいて弾力性のあるマイクロサービスアーキテクチャを作成し、維持するためのビジネスに最適なソリューションを提供します。AppMaster のアプローチを採用することで、企業は今日の競争的で急速に進化するデジタル・エコシステムで必要とされる耐障害性を備えたアプリケーションを構築することができる。

結論

マイクロサービスアーキテクチャに弾力性パターンを実装することは、不測のエラーに耐え、高可用性を維持できるアプリケーションを作成するために不可欠である。AppMaster のようなNo-code 開発プラットフォームは、コーディングと分散システムの複雑さを抽象化することによって、これらの目標を達成するための効率的でコスト効率の高いアプローチを提供し、企業がスケーラブルで弾力性のあるアプリケーションを作成できるようにする。

AppMaster 「no-code 」プラットフォームのパワーを活用することで、企業はコアコンピタンスとビジネス要件に集中できる一方、刻々と変化する需要や市場環境に適応できる、信頼性と可用性の高いマイクロサービスアーキテクチャの利点を得ることができます。