gRPCとは｜HTTP/2×Protocol Buffersで実現する高速RPCの仕組み・メリット・導入時の注意点

2025年11月18日 最終更新日時 : 2025年11月18日 エバープレイ編集部

gRPC とは — 概要

gRPC は、Google が開発したオープンソースの高性能 RPC（Remote Procedure Call）フレームワークです。2015 年に公開され、Google の内部 RPC システムである「Stubby」の設計思想を継承しています。主に Protocol Buffers（protobuf）を IDL（インタフェース定義言語）およびシリアライゼーション形式として使用し、トランスポート層に HTTP/2 を採用することで、低レイテンシ・高スループット・双方向ストリーミングなどを提供します。

設計の特徴とコア技術要素

  • HTTP/2 をトランスポートに使用 — マルチプレクシング（複数ストリームを単一 TCP 接続で並列化）、ヘッダ圧縮（HPACK）、ストリーム単位のフロー制御を活かして効率的な通信を実現します。
  • Protocol Buffers（protobuf） — デフォルトの IDL 兼 バイナリシリアライザ。軽量でバージョン互換性の扱いが容易です（proto3 が推奨）。
  • 多言語サポート — C++, Java, Go, Python, Node.js, C#, Ruby など多くの言語に公式／コミュニティ実装があります。
  • 4種類の RPC モード — 単方向（Unary）、サーバストリーミング、クライアントストリーミング、双方向ストリーミング（bidirectional）をネイティブにサポートします。
  • ヘルスチェック、サービス検査、リフレクション — 運用向けのプロトコルとツールが用意されています。

RPC の種類（呼び出しパターン）

  • Unary RPC：クライアントが一度リクエストを送って、サーバが一度レスポンスを返す最も基本的なパターン。
  • Server Streaming：クライアントのリクエストに対し、サーバが複数のレスポンスを順次送信するパターン。ストリームはサーバ側が閉じるまで継続。
  • Client Streaming：クライアントが複数のメッセージを送信し、最後にサーバが一つのレスポンスを返すパターン。
  • Bidirectional Streaming：クライアントとサーバが独立してメッセージを送受信できる双方向ストリーム。チャットやリアルタイムデータ処理に有効。

プロトコルバッファ（protobuf）と IDL

gRPC のサービスおよびメッセージ定義は通常 .proto ファイルで行います。proto3 を用いることで、デフォルト値や optional の扱いが整備され、言語ごとの生成コードが簡素になります。protobuf の利点は、バイナリで小さく高速にシリアライズでき、フィールド追加時の後方互換性（既存フィールド番号の再利用を避ける等）を設計でサポートする点です。

プロトコルの実装詳細（フレーミング等）

gRPC は HTTP/2 のストリーム上で gRPC 自身のメッセージフレーム（各メッセージに 5 バイトのプレフィクス：圧縮フラグ 1 バイト + 長さ 4 バイト）を使ってメッセージを区切ります。この方式により、複数メッセージを単一 HTTP/2 ストリーム内で安全に送受信できます。また、HTTP/2 のヘッダ圧縮やストリームの並列化により、TCP 接続あたりの効率が高まります。

セキュリティと認証

  • TLS（mTLS）：gRPC は TLS を推奨しており、クライアント証明書を用いる相互 TLS（mTLS）もサポートします。ALPN による HTTP/2 のネゴシエーションを使用します。
  • 認可・認証ヘッダ（メタデータ）：トークンやカスタム認証情報は gRPC メタデータ（HTTP/2 ヘッダにマッピング）で渡せます。OAuth2 や JWT と組み合わせるケースが一般的です。
  • ファイアウォール・プロキシ：HTTP/2 を使うため、中間のプロキシやロードバランサが HTTP/2 を理解している必要があります。gRPC-Web 経由ではブラウザ制約を回避するためにプロキシ変換が行われます。

パフォーマンスと利点

  • 低レイテンシ・高スループット：バイナリフォーマットと HTTP/2 マルチプレクシングで効率良く多数の小さな RPC を高速に処理できます。
  • 型安全性と自動生成：ID としての proto を元にクライアント／サーバのスタブが自動生成されるため、開発の生産性・品質が向上します。
  • ストリーミング対応：双方向ストリーミングでリアルタイム通信が容易。

REST/JSON と比較した際のメリットとデメリット

gRPC は内部サービス間通信（サービス・ツー・サービス）に適していますが、ブラウザとの直接連携や公開 API では REST/JSON の方が一般的に親和性が高いです。

  • メリット：高速、型安全、ストリーミングが簡単、IDL による明確な契約管理。
  • デメリット：ブラウザ互換性の問題（直接 HTTP/2 gRPC をブラウザで扱えないため gRPC-Web 等が必要）、バイナリデータの可読性が低い、既存の HTTP エコシステム（キャッシュ、CDN）とは必ずしも親和しない。

ブラウザ対応と相互運用性（gRPC-Web）

直接 HTTP/2 ベースの gRPC をブラウザから利用することは制約が多いため、gRPC-Web という変換プロキシを使う手法が一般的です。gRPC-Web はブラウザの制約に合わせて HTTP/1.1 や特殊なヘッダで gRPC リクエストを変換し、バックエンドの gRPC サーバに橋渡しします。Envoy は gRPC-Web をネイティブにサポートしており、よく使われるパターンです。

ロードバランシングとサービス発見

gRPC ではクライアント側のロードバランシングも可能で、DNS ラウンドロビンや、より高度には xDS（Envoy の管理プレーン）を用いた動的構成が使われます。gRPC のクライアントには pick_first や round_robin といったポリシーが実装されることが多く、マイクロサービス環境ではサービスディスカバリ（Consul, Kubernetes の DNS, etcd など）と組み合わせて運用されます。

観測性（Observability）と運用機能

  • メトリクス：リクエスト数、レイテンシ、ストリーム数、エラー率などを Prometheus などで収集できます。多くの gRPC 実装がインターセプタ（ミドルウェア）でメトリクスを提供します。
  • 分散トレーシング：OpenTelemetry や Zipkin を用いたトレース伝播は、gRPC メタデータでコンテキストを渡すことで可能です。
  • ヘルスチェック：gRPC ヘルスチェックプロトコルを用いて、ロードバランサやサービスメッシュがサービスの健全性を判定できます。

バージョン管理と互換性

protobuf は後方互換性を意識した設計です。一般的なルールは「フィールドの追加は安全」「フィールド番号の再利用は避ける」「削除は非推奨処置として deprecate を使う」などです。API の進化を計画的に行うため、サービス名やメソッドの変更は慎重に行い、互換レイヤ（ブリッジや新旧 API の同時運用）を検討します。

導入時の注意点・落とし穴

  • HTTP/2 を透過するプロキシが存在しないと、期待した性能や機能が発揮できない。
  • ブラウザ対応が必要な場合は gRPC-Web の導入や REST の併用を検討する必要がある。
  • ストリーミング設計はイベント順序や再送、フロー制御を明確にしないとデッドロックやメモリ膨張を招く。
  • ファイアウォールやロードバランサでの接続長時間化（コネクションの保持）に注意。コネクション数やタイムアウトの設定が重要。

エコシステムとよく使われるツール

  • grpc-gateway：protobuf から REST/JSON API を自動生成し、gRPC サーバにマッピングするプロジェクト。
  • Envoy：gRPC/Web のトランスコーディング、ロードバランシング、フィルタリングに強いプロキシ。
  • grpcurl：gRPC サービスへのコマンドライン呼び出しツール（curl 的存在）。
  • OpenTelemetry / Prometheus：トレース・メトリクス収集。多くの gRPC 言語実装でサポート。

代表的なユースケース

  • マイクロサービス間の高頻度・低レイテンシ通信。
  • リアルタイムデータ配信や双方向ストリーミングが必要なアプリケーション（チャット、金融ティック、センサーデータ処理など）。
  • 高スループットが求められる内部 API（バイナリデータのやり取りが多い場合に有利）。
  • 厳密な契約（IDL）と型安全性を重視するシステム設計。

まとめと導入判断のポイント

gRPC は内部マイクロサービスの通信やリアルタイムストリーミングを得意とする強力なツールです。高速性・型安全性・豊富なストリーミング機能が魅力ですが、ブラウザとの直接通信や、既存の REST エコシステムとの親和性では注意が必要です。導入時はネットワークインフラ（HTTP/2 対応）、運用（ヘルスチェック、監視、ロードバランシング）、および API バージョニング方針を明確にしてから進めることを推奨します。

参考文献

カテゴリー
IT
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