負荷分散アルゴリズム

　負荷分散アルゴリズムとは、どのようなルールに従って複数台のサーバにデータを振り分けるかを指す。代表的なアルゴリズムには以下のようなものがある。

サーバのヘルスチェック

　負荷分散の際、信頼性を維持するには、配下のサーバを常に死活監視（ヘルスチェック）し、利用可能なサーバのみを負荷分散の対象とする手段が必要となる。代表的なヘルスチェックの方法には以下のようなものがある。

　後者になるほど、より正確な死活監視ができる。半面、ヘルスチェックは数秒ごとに行うことが多く、同様に後者になるほどスイッチやサーバへの負荷も掛かる。

　負荷分散と冗長化は、その登場の背景から見ても、アプリケーションスイッチを利活用するほぼすべてのケースに適用できる機能だといってよいだろう。

アプリケーションスイッチへの要求（2）：サーバのオフロード

　以上のような負荷分散により、複数台のサーバを用意すれば性能と信頼性を向上させることができる。一方で、サーバを必要以上に増やすことなくシステムの性能を高められれば、ハード／ソフトを含めたサーバのコストを抑えることもできる。つまり、サーバの負荷を軽減（サーバオフロード）するのだ。

SSLアクセラレーション

　サーバ負荷軽減としてまず求められるのが、SSLアクセラレーションである（図2）。インターネットショッピングなどで用いられるHTTPS（HTTP over SSL）は、SSLの鍵交換や暗号化／復号の処理のため、通常のHTTP通信よりサーバに負荷が掛かる。このSSL処理をアプリケーションスイッチ上で代わりに行い、サーバとの間はHTTP通信とすることで、サーバに掛かる負荷を大幅に軽減できる。

図2●SSLアクセラレーションの仕組み。サーバは通常のHTTPのみを処理する

　SSLアクセラレーションは、クレジットカード決済可能なインターネットショッピングサイトや、インターネットバンキングなど、特に電子決済系で通信の暗号化を必要とするWebサイトには必須の機能といえる。

TCPコネクション集約

　HTTPなどに代表されるTCP通信は、通信の信頼性を高めるため、セッションの確立から、一定量のデータ転送ごとの通信確認、セッションの終了確認までを行う。このため、特にクライアントからのリクエストが集中するサーバでは、TCPセッションの確立や終了による負荷が無視できない。これを改善するのが、TCPコネクション集約である（図3）。アプリケーションスイッチとサーバとの間で一定数のTCPセッションを確立し、クライアントからのリクエストはそのセッション内に含めることで、TCPセッション開閉のオーバーヘッドを減らし、サーバの負荷を飛躍的に下げることができる。

図3●TCPコネクション集約の仕組み。TCP接続の開閉によるオーバーヘッドが減るためサーバの負荷が下がる

　TCPコネクション集約は、サーバアプリケーションが高価であるなど、何らかの理由によりサーバ台数が増やせない場合に大きな効果が期待できる。

　なおTCPコネクション集約とは異なるが、携帯電話など通信速度が比較的遅いクライアントが多い場合、サーバからのセッションを早めに解放し、クライアントとアプリケーションスイッチが継続してコンテンツを提供する「TCPバッファリング」も、サーバとのTCPセッションにかかわる負荷を下げる技術として有効だ。

コンテンツキャッシュ

　Webサーバ上で頻繁に使われるコンテンツをキャッシュし、サーバの代わりに応答させるリバースキャッシュは、かねてよりサーバの負荷軽減策として用いられてきた。アプリケーションスイッチの中には、搭載メモリの一部をキャッシュ用に割り当てることで、リバースキャッシュを実現しているものがある。コンテンツキャッシュは、静止画像やテキストなど、静的なコンテンツが多く含まれるWebサイトの高速化に大きな効果が期待できる。

HTTPコンテンツ圧縮

　HTTPコンテンツ圧縮は、WebサーバからのコンテンツをGZIPなどの形式で圧縮してトラフィックを削減する技術だ。サーバからのコンテンツデータを、クライアント送信前にアプリケーションスイッチであらかじめ圧縮し、クライアントのWebブラウザでデータを展開する（図4）。クライアントとの通信帯域（トラフィック）削減のほか、応答時間の短縮などによるサーバ負荷軽減の効果が期待できる。また送受信データの削減により、パケットロスや遅延時間の影響を受けにくくなる。

図4●HTTPコンテンツ（オブジェクト）を圧縮してトラフィックを減らすことでレスポンスが向上する

　HTTPコンテンツ圧縮は、圧縮が期待できるコンテンツ、つまりテキストや圧縮率の低い画像などに効果がある。一方で圧縮率の高いJPEGなどの画像はほとんど効果が得られない。

　ここで挙げた機能の多くは、「WAN高速化装置」（関連記事「WAN高速化装置の導入効果が得られる条件とは？」参照）でも搭載されていることが多い。同じくアプリケーションの性能を向上させるものだが、両者が異なるのは、WAN高速化装置が拠点間に対向で設置するのに対し、アプリケーションスイッチはサーバ側にのみ設置する点だ。アプリケーションスイッチが特定のWebサーバやアプリケーションなどの高速化を目的としているため、サーバ側の設置のみである程度の効果が得られるよう設計されている。

アプリケーションスイッチへの要求（3）：セッション維持

　サーバ負荷分散によって、クライアントからのリクエストを均等に振り分けることができるが、その一方で負荷分散させたくない場合もある。例えばショッピングサイトで、ユーザーのショッピングカートに品物が入っている間は、同一のサーバで処理をさせたいことがある。これを実現するのがセッション維持機能だ。パーシステンス機能（「持続性」の意味）やスティッキー機能（「ねばねばした」の意味）と呼ばれることもある。以下に、セッション維持の代表的な2つの方法を紹介する。

IPアドレスによるセッション維持

　最も簡単かつ確実な方法は、同一のクライアントIPアドレスからのリクエストを同じサーバに振り分けることである。ただし、プロキシサーバ経由のアクセスが多いなど、クライアントIPアドレスに偏りがあると、サーバへ負荷を均等に分散できないことがある。このようなときは、セッション開始時にラウンドロビンなどで通信するサーバを決め、以降セッション終了まで同じIPアドレスからのリクエストを同じサーバへ振り分けることもできる。

上位レイヤー情報によるセッション維持

　IPアドレスによるセッション維持が使用できないときは、より上位のレイヤーであるCookieやURIによる情報を使ってセッションを維持することができる。図5の例で見ると、まずセッション開始時にサーバやアプリケーションスイッチでCookieを設定する。そして次回以降のアクセスでは、アプリケーションスイッチがHTTPセッションを終端して、設定されたCookieの値を読み取り、同一のサーバへ振り分けられるようになるというものだ。

図5●Cookieによるセッション維持

　携帯電話は、セッション中にIPアドレスが変更されることがあるため、IPアドレスによるセッション維持ができない。またSSL通信では、Cookieなどの情報も暗号化されるため、IPアドレスによるセッション維持が使えない場合がある。そこで、SSLアクセラレーション処理時に併せて復号し、URIなどの情報を用いてセッション維持を行う必要がある。

　ここまでは、アプリケーションスイッチの基本として、負荷分散と冗長化、サーバ負荷軽減、パーシステンスの3つの要求と、その実現方法について説明してきた。次回は応用編として、そのほかの拡張機能について紹介し、製品・技術に関するトレンドを踏まえた製品選択のポイントを解説しよう。