【ITニュース解説】Setup Tomcat cluster in Linux

Webアプリケーションをインターネット上で公開する際、そのアプリケーションを動かすための基盤となるのが「Webサーバー」や「アプリケーションサーバー」と呼ばれるソフトウェアである。Java言語で開発されたWebアプリケーションの実行環境として広く利用されているのが「Apache Tomcat（アパッチ・トムキャット）」である。Tomcatは、JavaのWebアプリケーションを受け取り、ユーザーからのリクエストに応じてそのアプリケーションを実行し、結果を返す役割を担っている。

しかし、一台のTomcatだけでWebアプリケーションを運用していると、いくつかの課題が生じる可能性がある。例えば、もしそのTomcatが動いているサーバーに何らかの障害が発生した場合、Webアプリケーション全体が利用できなくなり、サービスが停止してしまう。また、非常に多くのユーザーからのアクセスが集中した場合、一台のTomcatでは処理しきれなくなり、応答が遅くなったり、最悪の場合はサービスがダウンしたりすることもある。

このような問題を解決し、Webアプリケーションをより安定して、より高いパフォーマンスで提供するために「Tomcatクラスタ」という技術が利用される。クラスタとは、複数のコンピューターやサーバーを連携させ、それらが一台のシステムであるかのように協調して動作する仕組みのことである。Tomcatクラスタを構築することで、システム全体の「可用性」と「スケーラビリティ」を向上させることが可能になる。可用性とは、システムが停止せずに継続して利用できる能力を指し、スケーラビリティとは、負荷の増大に合わせて性能を柔軟に拡張できる能力を指す。

Tomcatクラスタを構築する最初のステップは、前提となるソフトウェアの準備である。TomcatはJavaで動作するため、まずJavaの実行環境（JDK）をインストールする必要がある。Javaがインストールされたら、システムにJavaの場所を教えるために「JAVA_HOME」という環境変数を設定する。次に、Tomcat本体をインストールし、同様にTomcatの場所をシステムに教える「CATALINA_HOME」という環境変数を設定する。これらの環境変数を正しく設定することで、TomcatはJavaと連携し、正常に動作するための準備が整う。

次に、クラスタを構成するための複数のTomcatインスタンスを作成する。インスタンスとは、同じTomcatのプログラムを、それぞれ異なる設定やデータで個別に動作させる環境のことである。この記事では、二つのTomcatインスタンスを同じマシン上に作成している。まず、各インスタンス用に専用のディレクトリ（例えば/apps/myapp/clus1/tomcat1）を作成し、Tomcat本体のインストールディレクトリ（CATALINA_HOME）から、設定ファイルが含まれるconfフォルダと、Webアプリケーションが配置されるwebappsフォルダを、その専用ディレクトリにコピーする。また、各インスタンスのログを保存するためのlogsフォルダも別途作成する。このインスタンス固有のディレクトリは「CATALINA_BASE」と呼ばれ、各Tomcatインスタンスが独立した設定やデータを持つことを可能にする。

それぞれのTomcatインスタンスには、起動用と停止用のシェルスクリプトを作成する。これらのスクリプト内でCATALINA_BASE環境変数を設定することで、Tomcatはどのインスタンスの設定を利用して起動・停止すべきかを判断する。スクリプトを作成したら、chmod u+xコマンドを使って実行可能にし、実際に起動と停止を試して、個々のインスタンスが正しく動作することを確認する。

同じマシン上で複数のTomcatインスタンスを動かす場合、それらが外部と通信するために使用する「ポート番号」が重複しないように細心の注意を払う必要がある。デフォルトでは、TomcatはHTTPリクエストを8080番ポートで受け付け、管理用のシャットダウンポートとして8005番を使用する。そのため、二つ目のTomcatインスタンスでは、これらのポート番号をそれぞれ9080番と9005番に変更する必要がある。これらの設定は、各インスタンスのCATALINA_BASE/conf/server.xmlファイル内で行う。ポート番号の衝突が発生すると、Tomcatの起動が失敗するため、これは非常に重要な設定変更である。設定後には、netstatやlsofといったコマンドを利用して、実際にどのTomcatプロセスがどのポートを使用しているかを確認し、重複がないことを検証する。

個々のTomcatインスタンスが正しく動作することを確認したら、次にそれらをクラスタとして連携させる設定を行う。クラスタ機能を有効にするには、各TomcatインスタンスのCATALINA_BASE/conf/server.xmlファイル内の<Engine>要素の下にある<Cluster>要素のコメントアウトを外すだけで良い。具体的には、<Cluster className="org.apache.catalina.ha.tcp.SimpleTcpCluster"/>という行を有効にする。この設定を適用してTomcatを再起動すると、各Tomcatインスタンスは自動的にクラスタメンバーの探索を開始し、マルチキャスト通信（特定のグループ内の複数の機器に同時にデータを送信する方式）を通じて互いの存在を認識する。これにより、複数のTomcatインスタンスが論理的に一つのクラスタとして機能し始める。

クラスタが構築されても、それだけではまだ不十分な場合がある。Webアプリケーションを利用するユーザーは、ログイン状態やカートの内容など、ユーザー固有の情報をサーバー側に一時的に保存していることがある。これを「セッション」と呼ぶ。もしユーザーが利用しているTomcatインスタンスがダウンしてしまった場合、そのセッション情報が失われ、ユーザーはサービスを最初からやり直さなければならない事態が発生する。

この問題を解決するのが「セッションレプリケーション」である。セッションレプリケーションとは、あるTomcatインスタンスで生成されたユーザーのセッション情報を、クラスタ内の他のTomcatインスタンスにも自動的に複製しておく仕組みである。これにより、特定のTomcatインスタンスに障害が発生しても、ユーザーは別のTomcatインスタンスに自動的に切り替わり、セッション情報が引き継がれるため、サービスの中断を感じることなく利用を継続できる。セッションレプリケーションを有効にするには、各Tomcatインスタンスで提供するWebアプリケーションのWEB-INF/web.xmlファイルを開き、<web-app>要素の直下に<distributable/>要素を追加する。

セッションレプリケーションが正しく機能しているかを確認するためには、curlコマンドが役立つ。まず、一つのTomcatインスタンス（例えば8080番ポートのTomcat1）にアクセスしてセッションを確立し、セッションIDを取得する。次に、取得したセッションIDをCookieとして指定し、別のTomcatインスタンス（9080番ポートのTomcat2）にアクセスしてみる。Tomcat2がTomcat1で確立されたセッションを認識し、同じセッション情報が表示されれば、セッションレプリケーションは成功していると言える。さらに、Tomcat2でセッションに新しいデータを追加し、その後Tomcat1からアクセスしてそのデータが反映されていることを確認できれば、セッション情報の更新もクラスタ内で正常に同期されていることが証明される。

これで二つのTomcatインスタンスからなる、セッションレプリケーションが可能なクラスタが構築できたことになる。しかし、現状では、ユーザーはどちらのTomcatインスタンスにアクセスするかを手動で指定する必要があり、もしどちらかのTomcatがダウンした場合、手動でアクセス先を切り替えなければならない。これは実運用上、非効率的である。

この課題を解決するためには、通常、Tomcatクラスタの前に「Webサーバー」を配置する。このWebサーバーは、ユーザーからの全てのリクエストを受け取り、背後にある複数のTomcatインスタンスに適切に振り分ける役割を担う。この機能は「リクエスト転送（リバースプロキシ）」と呼ばれる。さらに、Webサーバーは以下の重要な機能を提供する。

一つは「負荷分散（ロードバランシング）」である。これは、ユーザーからのリクエストを、Tomcatインスタンスの現在の負荷状況に応じて最適なTomcatに分配することで、特定のTomcatに処理が集中するのを防ぎ、システム全体のパフォーマンスを最大限に引き出す。

もう一つは「スティッキーセッション」である。これは、一度特定のTomcatインスタンスでセッションが確立されたユーザーからの後続のリクエストを、セッションレプリケーションが有効であっても、常にその同じTomcatインスタンスに転送するようにする仕組みである。これにより、セッションの引き継ぎに関するオーバーヘッドを減らし、より効率的な処理が可能になる。

そして最も重要な機能の一つが「フェイルオーバー」である。Webサーバーは、Tomcatインスタンスの稼働状況を常に監視しており、もしTomcatインスタンスの一つがダウンしたことを検知した場合、そのダウンしたインスタンスへのリクエストの転送を自動的に停止し、残りの正常なインスタンスにのみリクエストを振り分ける。ダウンしたインスタンスが復旧した際には、再び自動的にリクエストの転送を再開する。これにより、ユーザーはTomcatの一部に障害が発生したことを意識することなく、途切れることのない安定したサービスを享受できる。

これらのWebサーバーが提供する機能は、Tomcatクラスタをより堅牢で実用的なものにするために不可欠であり、次のステップとしてWebサーバー（例えばApache HTTP ServerやNginxなど）との連携を学ぶことが推奨される。