本章では、クラウドサービスに依存しない形で、 スケーラブルなシステムを設計するための基本概念を学ぶ。
単一サーバから分散システムへと拡張する際の考え方を理解し、 高負荷環境でも安定して動作するシステム設計力を身につけることを目的とする。
1. システム構成の基本
一般的なWebシステムは、以下の3層構造で設計される。
- クライアント（ブラウザ / アプリ）
- アプリケーションサーバ
- データベース
この構造を分離することで、 責務を明確化し、スケーラビリティを確保できる。
2. スケーラビリティの考え方
スケーラビリティとは、負荷増加に対して性能を維持・向上させる能力である。
■ 垂直スケーリング（Scale Up）
- サーバ性能を向上（CPU / メモリ増強）
- シンプルだが限界あり
■ 水平スケーリング（Scale Out）
- サーバ台数を増やす
- 高い拡張性
現代のシステムでは、水平スケーリングが主流となる。
3. ロードバランシング
複数サーバに負荷を分散するための仕組み。
- ラウンドロビン
- 最小接続数
- IPハッシュ
ロードバランサを導入することで、 単一障害点（SPOF）を回避できる。
4. ステートレス設計
スケーラブルなシステムでは、 サーバが状態（State）を持たない設計が重要となる。
- セッション情報を外部ストレージに保存
- どのサーバでも同じ処理が可能
これにより、水平スケーリングが容易になる。
5. キャッシュ戦略
パフォーマンス改善のためには、 キャッシュの活用が不可欠である。
■ キャッシュの種類
- ブラウザキャッシュ
- CDNキャッシュ
- アプリケーションキャッシュ
- データベースキャッシュ
適切なキャッシュ設計により、 レスポンス速度とスループットを大幅に向上できる。
6. データベース設計とスケーリング
データベースはシステムのボトルネックになりやすい。
■ スケーリング手法
- リードレプリカ（読み取り分散）
- シャーディング（データ分割）
- NoSQLの活用
読み込みと書き込みの負荷を分離することが重要である。
7. 可用性と耐障害性
システムは常に障害を前提として設計する必要がある。
- 冗長化（Redundancy）
- フェイルオーバー
- ヘルスチェック
これにより、障害発生時でもサービス継続が可能となる。
8. 実務における設計指針
スケーラブルなシステムを設計する際には、以下の観点が重要となる。
- ボトルネックの特定（CPU / メモリ / I/O / ネットワーク）
- ステートレス化の徹底
- キャッシュ戦略の最適化
- 障害を前提とした設計
重要なのは、ツールではなく「設計思想」である。
まとめ
本章では、クラウドに依存しないシステム設計の基礎を理解した。
- 3層構造による責務分離
- 水平スケーリングの重要性
- ロードバランシングによる負荷分散
- ステートレス設計による拡張性確保
- キャッシュとDB設計による性能最適化
これにより、どのクラウド環境でも通用する スケーラブルなシステム設計の基盤が整った。
