MENU
  1. ホーム
  2. Apache
  3. ApacheとKubernetesを連携して負荷分散を実現する方法を徹底解説

ApacheとKubernetesを連携して負荷分散を実現する方法を徹底解説

Apache

ApacheとKubernetesを連携させることで、Webアプリケーションの可用性やスケーラビリティが飛躍的に向上します。Apacheは信頼性の高いWebサーバーとして知られていますが、単体では大規模な負荷を捌くのに限界があります。一方で、Kubernetesはアプリケーションの自動スケーリングやコンテナオーケストレーションを実現するための強力なプラットフォームです。

この二つを組み合わせることで、トラフィックの急増時にも安定したサービスを提供できる分散環境が構築可能になります。本記事では、Apacheを用いてKubernetes環境で負荷分散を行う具体的な方法について、実際の設定例を交えながら詳しく解説します。負荷分散の仕組みや連携のメリットを理解し、より強固で拡張性のあるシステム構築を目指しましょう。

目次

ApacheとKubernetesの概要


ApacheとKubernetesは、それぞれ異なる役割を持つ強力なツールですが、連携させることでより堅牢なシステムを構築できます。

Apacheとは


Apache HTTP Server（以下Apache）は、世界で最も広く使用されているWebサーバーです。リクエストを処理し、静的および動的なコンテンツをクライアントに提供する役割を担っています。モジュール構成が可能で、負荷分散やリバースプロキシ機能など、さまざまな追加機能を柔軟に実装できます。

Kubernetesとは


Kubernetesは、Googleが開発したオープンソースのコンテナオーケストレーションプラットフォームです。アプリケーションをコンテナ化し、分散環境で管理することで、自動スケーリングや自己修復機能を実現します。コンテナのデプロイ、管理、拡張を効率的に行うための基盤を提供し、クラウドネイティブなアプリケーション開発には欠かせません。

ApacheとKubernetesの連携の意義


ApacheはWebトラフィックを効率的に処理し、Kubernetesはアプリケーションの自動スケーリングを担います。これらを組み合わせることで、次のような利点が得られます。

  • スケーラビリティ：Kubernetesが必要に応じてアプリケーションの複製を行い、Apacheがトラフィックを適切に分散します。
  • 高可用性：Kubernetesの自己修復機能により、障害発生時にもサービスが継続されます。
  • 効率的なリソース管理：Kubernetesがリソースの使用状況を監視し、最適化を行います。

これにより、安定したパフォーマンスを維持しつつ、急なトラフィック増加にも対応可能なシステムが構築できます。

負荷分散の仕組みとは


負荷分散は、システムに送られるリクエストを複数のサーバーやコンテナに分散することで、サービスの安定性と応答速度を向上させる技術です。ApacheやKubernetesなどのツールを使用して、効率的にトラフィックを捌くことが可能になります。

負荷分散の目的


負荷分散は、以下の目的で実施されます。

  • 可用性の向上：システムの一部に障害が発生しても、他のサーバーやコンテナがリクエストを処理し続けるため、ダウンタイムを最小限に抑えられます。
  • パフォーマンスの最適化：複数のリソースでリクエストを分散処理することで、個々のサーバーへの負荷が軽減され、応答時間が短縮されます。
  • スケーラビリティの確保：必要に応じて新しいサーバーやコンテナを追加し、負荷分散システムを拡張できます。

負荷分散の種類


負荷分散には主に以下の2種類があります。

1. レイヤー4（L4）負荷分散


ネットワーク層で行われる負荷分散で、IPアドレスとポート番号を基にリクエストを分散します。高速ですが、アプリケーションの内容に基づく分散はできません。

2. レイヤー7（L7）負荷分散


アプリケーション層で行われる負荷分散で、リクエストのURLやヘッダー情報を基に分散します。柔軟なルーティングが可能で、動的なWebサイトやAPIサービスなどに適しています。

Apacheによる負荷分散


Apacheでは「mod_proxy_balancer」モジュールを使用して負荷分散が可能です。Kubernetesとの連携により、さらに柔軟で効率的な分散環境を構築できます。次のセクションでは、Apacheでの負荷分散の具体的な設定方法を解説します。

Apacheで負荷分散を実現する方法


Apacheは「mod_proxy」および「mod_proxy_balancer」モジュールを使用することで、簡単に負荷分散を構築できます。これにより、複数のバックエンドサーバーやKubernetesのPodにリクエストを振り分け、システムの可用性とスケーラビリティを向上させることができます。

Apacheのモジュール概要

  • mod_proxy：HTTP、HTTPS、FTPなど、さまざまなプロトコルのリクエストを他のサーバーに転送するリバースプロキシモジュールです。
  • mod_proxy_balancer：複数のバックエンドサーバーに対してリクエストを振り分け、負荷分散を行います。
  • mod_status：Apacheの状態を可視化し、負荷分散の状況をリアルタイムで確認できるモジュールです。

Apacheの負荷分散設定手順


以下は、Apacheで3台のバックエンドサーバーに対して負荷分散を設定する例です。

1. 必要なモジュールの有効化

a2enmod proxy proxy_balancer proxy_http status

2. バランサの設定


/etc/apache2/sites-available/000-default.confに以下の設定を追加します。

<Proxy "balancer://mycluster">
    BalancerMember http://192.168.1.101 loadfactor=1
    BalancerMember http://192.168.1.102 loadfactor=2
    BalancerMember http://192.168.1.103 loadfactor=1
</Proxy>

ProxyPass "/" "balancer://mycluster/"
ProxyPassReverse "/" "balancer://mycluster/"

<Location "/balancer-manager">
    SetHandler balancer-manager
    Require ip 192.168.1.0/24
</Location>

3. 設定の確認と再起動


設定を確認し、Apacheを再起動します。

apachectl configtest
systemctl restart apache2

設定のポイント

  • BalancerMemberの「loadfactor」で各バックエンドサーバーへの負荷の割合を調整できます。
  • balancer-managerを使用して、Webブラウザから負荷分散の状態を監視・管理できます。

動作確認


ブラウザでhttp://<ApacheサーバーIP>/balancer-managerにアクセスし、負荷分散の状況を確認します。

次のセクションでは、Kubernetes環境でのサービス設定方法について解説します。Apacheの負荷分散設定と連携させることで、より効果的なシステムが構築できます。

Kubernetesでのサービス設定と役割


Kubernetesでは、コンテナ化されたアプリケーションを効率的に管理・運用するために「Service（サービス）」という概念が導入されています。Serviceは、複数のPodに対するネットワークアクセスを一元化し、ロードバランシングや内部通信を担う重要な役割を果たします。

Serviceの役割


KubernetesにおけるServiceの主な役割は以下の通りです。

  • Podの安定したアクセス先の提供：Podは動的に生成・削除されるため、直接アクセスするのが困難です。ServiceはPodの前面に立ち、安定したアクセスポイント（クラスタIP）を提供します。
  • 負荷分散：Serviceは対象となる複数のPodに対してリクエストを均等に振り分けます。これにより、トラフィックの集中を防ぎ、システムの安定性が向上します。
  • 内部通信の最適化：クラスタ内の異なるアプリケーション間の通信を簡易化し、ネットワーク構成を効率化します。

Serviceの種類


Kubernetesでは、用途に応じて複数のタイプのServiceが提供されています。

1. ClusterIP（デフォルト）


クラスタ内でのみアクセス可能な内部IPを提供します。外部からの直接アクセスはできませんが、クラスタ内のアプリケーション同士が通信する際に使用されます。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  selector:
    app: my-app
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080

2. NodePort


クラスタ内のすべてのノードで特定のポートを開放し、外部からアクセス可能にします。ノードのIPアドレスとポートを指定することで、外部クライアントが直接アプリケーションにアクセスできます。

spec:
  type: NodePort
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 8080
      nodePort: 30000

3. LoadBalancer


クラウドプロバイダーのロードバランサーを自動的に構築し、外部アクセスを簡易化します。複数のノードにまたがるトラフィックを効率的に分散します。

spec:
  type: LoadBalancer
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 8080

4. ExternalName


外部のDNS名にマッピングすることで、クラスタ外のサービスを参照します。クラスタ外のリソースをKubernetes内部から透過的に利用する場合に役立ちます。

spec:
  type: ExternalName
  externalName: example.com

ApacheとKubernetes Serviceの連携


ApacheはKubernetesのServiceを経由してPodにリクエストを分散させます。Serviceが提供する安定したIPをApacheが利用することで、Podのスケールイン・スケールアウト時にも安定した負荷分散が可能になります。

次のセクションでは、ApacheとKubernetesの連携方法について具体的な設定手順を紹介します。

ApacheとKubernetesの連携方法


ApacheとKubernetesを連携させることで、Webトラフィックを効率的にKubernetesクラスタ内のPodに分散できます。Apacheをフロントエンドのリバースプロキシとして動作させ、Kubernetes内のサービスをバックエンドとして連携する構成が一般的です。

連携の全体像

  1. Apacheが外部からのリクエストを受け取る。
  2. ApacheがKubernetes内のサービスにリクエストを転送。
  3. KubernetesのサービスがPodにリクエストを分散し、レスポンスを返す。

この流れにより、外部トラフィックをApacheが管理しつつ、Podのスケールアウト/スケールインに対応可能なシステムが構築されます。

構築手順

1. Kubernetesでサービスを作成


まず、Kubernetes内にアプリケーションをデプロイし、Serviceを作成します。以下はNode.jsアプリケーションのデプロイ例です。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: myapp-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
    spec:
      containers:
      - name: myapp
        image: myapp-image
        ports:
        - containerPort: 8080
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: myapp-service
spec:
  selector:
    app: myapp
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080
  type: ClusterIP

2. Apacheの設定ファイルを編集


ApacheがKubernetesのサービスにリクエストを送信するように設定します。
/etc/apache2/sites-available/000-default.conf に以下を追加します。

<Proxy "balancer://k8s-cluster">
    BalancerMember http://myapp-service.default.svc.cluster.local loadfactor=1
</Proxy>

ProxyPass "/" "balancer://k8s-cluster/"
ProxyPassReverse "/" "balancer://k8s-cluster/"
  • myapp-service.default.svc.cluster.local はKubernetesのDNS名で、defaultはNamespaceです。
  • BalancerMemberでKubernetes内のサービスにルーティングします。

3. mod_proxyモジュールの有効化


Apacheで必要なモジュールを有効にします。

a2enmod proxy proxy_http proxy_balancer
systemctl restart apache2

動作確認


ブラウザでApacheのIPアドレスにアクセスし、Kubernetes内のPodで動作しているアプリケーションのレスポンスが確認できれば成功です。

ポイント

  • スケール対応：KubernetesのPod数を増減しても、Apache側の設定を変更する必要がありません。
  • セキュリティ強化：ApacheでSSLターミネーションを行うことで、セキュリティの向上が図れます。
  • ログ管理：Apacheがリクエストのログを収集するため、アクセス解析やデバッグが容易になります。

次のセクションでは、Kubernetes Ingressとの使い分けについて詳しく解説します。

Kubernetes IngressとApacheの違いと使い分け


Kubernetes環境で外部からのトラフィックを管理する方法として「Ingress」と「Apacheリバースプロキシ」の2つがあります。それぞれの特徴と役割の違いを理解し、適切に使い分けることで、より柔軟なシステム設計が可能になります。

Ingressとは


IngressはKubernetesで外部からのHTTP/HTTPSリクエストを内部のサービスにルーティングするためのリソースです。Ingress Controllerを利用して、トラフィックの管理やSSL終端、リバースプロキシの役割を果たします。

Ingressの特徴

  • Kubernetesネイティブ：Kubernetes内で直接設定・管理が可能。
  • 自動化：Ingressリソースを作成するだけで、トラフィックルーティングが自動的に行われます。
  • スケーラブル：Podの増減に自動的に対応し、手動での設定変更が不要です。
  • SSL/TLSの管理：証明書の管理をIngress Controllerで行うことが可能。

Ingressの設定例

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: myapp-ingress
spec:
  rules:
  - host: myapp.example.com
    http:
      paths:
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: myapp-service
            port:
              number: 80

Apacheリバースプロキシとは


Apacheは外部トラフィックをKubernetesクラスタ内のサービスに転送する役割を持ちます。特に既存のインフラでApacheが使用されている場合、Kubernetes導入時に負荷分散装置やリバースプロキシとしてApacheを継続利用するケースが多く見られます。

Apacheリバースプロキシの特徴

  • 柔軟性：細かな設定が可能で、複雑なリバースプロキシ構成にも対応。
  • 外部システムとの統合：Kubernetes外部のレガシーシステムとも容易に連携。
  • セキュリティ強化：Apache側でファイアウォールやアクセス制御を設定可能。
  • 詳細なログ管理：アクセス解析や詳細なトラブルシューティングが可能。

使い分けのポイント

項目IngressApacheリバースプロキシ
運用環境Kubernetes内部Kubernetes外部
柔軟なルーティング標準対応設定が必要
SSL/TLS自動証明書管理（Let’s Encrypt対応）手動で設定
Podのスケール対応自動手動更新が必要
外部システムとの統合難しい容易
カスタマイズの容易さ制限あり高い柔軟性

選択基準

  • Kubernetesネイティブな環境を構築する場合：Ingressの利用が最適。特に新規クラスタやマイクロサービス環境では、Ingressを使用することで構成が簡素化されます。
  • 既存のApacheインフラを活用したい場合：Apacheリバースプロキシを利用し、段階的にKubernetesに移行する方法が効果的です。
  • 複雑なルーティングやセキュリティ要件がある場合：Apacheが柔軟に対応可能。Ingressでは難しい複雑なリバースプロキシ構成や認証システムの統合が必要な場合に適しています。

次のセクションでは、実際の構築例とデプロイ方法について詳しく解説します。

実際の構築例とデプロイ方法


ここでは、ApacheをリバースプロキシとしてKubernetesのアプリケーションに負荷分散する構築例を具体的に解説します。Apacheをフロントエンドに配置し、Kubernetes内で稼働する複数のPodにトラフィックを分散させるシナリオです。

構築の流れ

  1. Kubernetesクラスタにアプリケーションをデプロイ
  2. Kubernetesでサービスを作成
  3. Apacheのリバースプロキシ設定を行い、Kubernetesのサービスと連携
  4. 動作確認とデバッグ

構築例：Node.jsアプリケーションのデプロイ

1. アプリケーションのデプロイ


まず、Kubernetesクラスタ内にNode.jsアプリケーションをデプロイします。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nodejs-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nodejs
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nodejs
    spec:
      containers:
      - name: nodejs
        image: node:14
        ports:
        - containerPort: 3000

2. Kubernetesサービスの作成


Podへの負荷分散を行うために、ClusterIP型のサービスを作成します。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nodejs-service
spec:
  selector:
    app: nodejs
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 3000
  type: ClusterIP

3. Apacheの設定


ApacheをフロントエンドとしてKubernetesのサービスにリクエストを転送します。
/etc/apache2/sites-available/000-default.confに以下を追加します。

<Proxy "balancer://nodejs-cluster">
    BalancerMember http://nodejs-service.default.svc.cluster.local:80
</Proxy>

ProxyPass "/" "balancer://nodejs-cluster/"
ProxyPassReverse "/" "balancer://nodejs-cluster/"

<Location "/balancer-manager">
    SetHandler balancer-manager
    Require ip 192.168.0.0/24
</Location>
  • BalancerMember でKubernetes内のサービスに接続。
  • /balancer-manager でApacheの負荷分散状況をWebから監視できます。

4. Apacheのモジュールを有効化


Apacheで必要なモジュールを有効にします。

a2enmod proxy proxy_balancer proxy_http
systemctl restart apache2

動作確認

  1. ブラウザでApacheのIPアドレスにアクセスし、Node.jsアプリケーションが応答することを確認します。
  2. http://<ApacheサーバーのIP>/balancer-manager でバランサの状態を確認できます。

Podのスケールアウト


KubernetesでPodのレプリカ数を増やし、負荷分散を強化します。

kubectl scale deployment nodejs-deployment --replicas=5

ポイント

  • スケール対応：Podを追加するだけでApacheが自動的に負荷分散を継続します。
  • 柔軟なルーティング：Apacheの設定を変更することで、特定のパスだけをKubernetes内のサービスにルーティング可能です。
  • 監視とデバッグ：Apacheのアクセスログを活用して、リクエストの状況やボトルネックを解析します。

次のセクションでは、トラブルシューティングとパフォーマンス最適化について解説します。

トラブルシューティングとパフォーマンス最適化


ApacheとKubernetesの連携は強力ですが、構築や運用中にさまざまな問題が発生する可能性があります。本セクションでは、代表的なトラブルシューティング方法と、システムを最適化するためのテクニックを解説します。

1. トラブルシューティング

1.1 ApacheがKubernetesのサービスに接続できない


症状: Apacheからのリクエストがタイムアウトする、または「503 Service Unavailable」エラーが表示される。
原因: Kubernetesのサービスが正しく動作していない、またはDNS名が解決できていない可能性があります。

解決方法:

  • Kubernetesのサービス状態を確認
kubectl get svc
kubectl describe svc nodejs-service
  • Podの状態を確認
kubectl get pods
kubectl describe pod <pod-name>
  • Apacheサーバーからサービスへの接続テスト
curl http://nodejs-service.default.svc.cluster.local


これで応答がない場合、サービスやPodに問題がある可能性があります。Podのログを確認して原因を特定します。

kubectl logs <pod-name>

1.2 リクエストが不均等に分散される


症状: 一部のPodだけにリクエストが集中する。
原因: BalancerMemberのloadfactor設定が不均等、もしくはPodの準備状態が不完全。

解決方法:

  • 000-default.conf のBalancerMember設定を確認し、均等なloadfactorを設定します。
BalancerMember http://nodejs-service.default.svc.cluster.local loadfactor=1
  • ヘルスチェックを実装し、不健全なPodへのトラフィックを遮断します。
livenessProbe:
  httpGet:
    path: /health
    port: 3000
  initialDelaySeconds: 3
  periodSeconds: 10

1.3 パフォーマンスが低下する


症状: 応答速度が遅い、処理が詰まる。
原因: PodやApacheのリソース不足が考えられます。

解決方法:

  • Podのリソース制限を確認し、必要に応じて増加させます。
resources:
  requests:
    memory: "256Mi"
    cpu: "0.5"
  limits:
    memory: "512Mi"
    cpu: "1"
  • Apacheのスレッド数を増加させ、同時接続数を調整します。
<IfModule mpm_prefork_module>
    StartServers              5
    MinSpareServers           5
    MaxSpareServers          10
    MaxRequestWorkers       150
    MaxConnectionsPerChild   0
</IfModule>

2. パフォーマンス最適化

2.1 KeepAliveの有効化


KeepAliveを有効にすることで、同一クライアントからの複数のリクエストを同じ接続で処理し、接続のオーバーヘッドを削減します。

KeepAlive On
MaxKeepAliveRequests 100
KeepAliveTimeout 5

2.2 キャッシュの活用


Apacheのキャッシュモジュールを使用して、静的コンテンツの配信速度を向上させます。

a2enmod cache cache_disk
CacheEnable disk /
CacheRoot /var/cache/apache2
CacheDirLevels 2
CacheDirLength 1

2.3 Podの自動スケーリング


KubernetesのHorizontal Pod Autoscaler（HPA）を使用して、自動的にPod数を増減し、負荷に対応します。

kubectl autoscale deployment nodejs-deployment --min=3 --max=10 --cpu-percent=70

3. ログ監視と分析


ApacheとKubernetesのログを収集し、問題発生時に迅速に対応できるようにします。

  • Apacheのログ確認
tail -f /var/log/apache2/access.log
  • KubernetesのPodログ確認
kubectl logs -f <pod-name>

次のセクションでは、記事のまとめを行います。

まとめ


本記事では、ApacheとKubernetesを連携させて負荷分散を実現する方法について解説しました。Apacheをフロントエンドとして利用し、Kubernetes内のPodにリクエストを分散させることで、高可用性とスケーラビリティを備えたシステムを構築できます。

具体的には、Kubernetesのサービスを作成し、Apacheのリバースプロキシ機能を活用してトラフィックを適切に分散させる構築手順を紹介しました。また、Ingressとの使い分けやトラブルシューティング、パフォーマンス最適化のポイントも詳しく解説しています。

適切な負荷分散とリソース管理を行うことで、急激なトラフィックの増加にも耐えられる堅牢なシステムを構築できるでしょう。ApacheとKubernetesの連携を活用し、安定したアプリケーション運用を目指してください。

Apache
Apache 負荷分散 Kubernetes クラウドインフラ

コメント

コメントする

目次