Azure Functions は、コールド スタート中に HostServiceUnavailable 503 でスロットルされ、プランのスケーリングと機能を安定化するウォーム前のインスタンス プランが発生しました

Microsoft Azure Functions は、開発者がインフラストラクチャのプロビジョニングや管理を行わずにイベント ドリブン コードを実行できる強力なサーバーレス コンピューティング プラットフォームを提供します。ただし、このモデルを採用するユーザーが増えるにつれて、コールド スタートやスケーリング イベント中のパフォーマンスの不一致がますます表面化しています。特に差し迫った問題は、関数アプリのコールド スタート中にHTTP 503 HostServiceUnavailableエラーが発生することです。これらの一時的な障害を放置すると、アプリケーションの可用性、信頼性、ユーザー エクスペリエンスに大きな影響を与えます。

TLDR

Azure Functions では、特に大規模なワークロードやバースト ワークロードの場合、コールド スタート中にスロットリングおよびHTTP 503 HostServiceUnavailableエラーが発生することがあります。これらのエラーは通常、プラットフォームが受信要求に間に合うように関数アプリ インスタンスを事前にウォームアップしていない場合に発生します。 Microsoft は、プランのスケーリングとインスタンスの事前ウォーミングに関する改善で対応しました。これらの変更を適用すると、特にプレミアム層とエラスティック プレミアム層で Azure Function アプリが安定し、コールド スタートの遅延やエラーが減少します。

503 HostServiceUnavailable 問題について

一定期間非アクティブな状態が続いた後に Azure Functions が呼び出される場合、環境は「コールド スタート」する必要があります。つまり、受信したコードを実行するために必要なコンピューティング インスタンスをスピンアップする必要があります。このコールド スタート プロセス中に、システムが拡張できるよりも早く追加の負荷が到着すると、 HostServiceUnavailableという理由で HTTP 503 エラーが返されることがあります。このステータスは、現在リクエストを処理できるワーカーが存在しないことを示します。

これらのエラーは、次の場合に特に問題になります。

• 低遅延の応答を期待するリアルタイム アプリケーション
• 顧客向けサービスを提供する API
• 製品の発売中やプロモーション イベント中など、システムでトラフィックの急増が発生している

その原因は、Azure が需要に応じて関数アプリをスケーリングする方法にあります。デフォルトの消費プランはワーカーを動的に割り当てますが、起動の遅延の影響を受けないわけではありません。起動時間を短縮するプレミアム プランでも、突然の予測不可能な負荷サージの影響を受けやすくなります。

技術的な根本原因: スケーリングとコールド スタートがどのように相互作用するか

Azure Function アプリが数分間アイドル状態になると、プラットフォームはシステム効率を維持するために作業リソースの割り当てを解除します。次の呼び出しによりコールド スタートがトリガーされ、その間に次のことが行われます。

• 関数ホストはアプリのコンテンツと構成をロードする必要があります
• データベース接続や SDK のメモリへのロードなどの依存関係
• アイドル状態の関数アプリは、バックエンド ワーカーが割り当てられるまで待機する必要があります

需要が一気に発生した場合 (たとえば、複数の API 呼び出しが同時に到着した場合)、プラットフォームは迅速にスケールアウトしてワーカーを割り当てる必要があります。ただし、特に消費プランでは、ワーカーの割り当て速度は保証されません。プロビジョニングされたインフラストラクチャが需要の速度に遅れている場合、受信リクエストを処理できず、503 HostServiceUnavailable エラーがスローされます。

これらの 503 エラーはユーザー コードの例外ではありません。これらは Azure インフラストラクチャ層から始まります。 Application Insights などのアプリケーション監視プラットフォームは通常、対応する実行インスタンスがない要求の失敗として問題をログに記録します。

初期の緩和策 (およびその欠点)

これらのコールド スタート エラーの影響を受ける組織は、従来、いくつかの回避策を検討してきました。

1. プレミアム プランまたはエラスティック プレミアム プランの使用:これらのプランでは、Always Ready インスタンスや VNET 統合などの機能が提供され、コールド スタートの待ち時間が短縮され、予測可能性が向上します。ただし、使用率に関係なくコストが発生します。
2. ウォームアップ リクエストのトリガー:数分ごとに HTTP ping を送信して、インスタンスを人為的にウォームアップ状態に保ちます。これは一時的に機能しますが、アンチパターンとみなされ、不必要なオーバーヘッドが追加されます。
3. 永続的な関数またはキューへのリファクタリング:非同期メッセージングまたはオーケストレーターを使用すると、HTTP への直接の依存関係が軽減されますが、アーキテクチャの変更が必要になり、多くの場合複雑さが増加します。

このような戦略は 503 エラーの発生を減らしますが、完全に除去するわけではありません。さらに、予測できないトラフィック パターンにより、基盤となるインフラストラクチャのスケーリング能力が引き続き圧迫されます。

Microsoft の新しい戦略: 計画のスケーリングと事前ウォーム化されたインスタンス

2023 年、Microsoft は Azure Functions プラットフォームへのインテリジェントなスケーリングとプレウォーミングの改善の導入を開始しました。目標は、コンピューティング リソースをプロアクティブに準備することで、コールド スタートの動作をより予測しやすくし、負荷スパイク時の 503 エラーを削減することでした。

1. インテリジェントな自動スケーリングの機能強化

Microsoft は、ワークロード パターンをより効率的に予測するためにスケーリング アルゴリズムをアップグレードしました。過去のトラフィックとリアルタイムのテレメトリを考慮することで、システムはより多くのインスタンスを事前に割り当てる時期をより適切に予測します。

このアップグレードは、バーストが毎日のサイクルに従うアプリケーション (朝のログインの急増など) に特に関連します。過去のパターンからの学習が改善されたことで、Azure は 503 が発生した後に対応するのではなく、サージが到来する前にプロアクティブにスケーリングできるようになります。

2. インスタンスのプレウォーム プーリング

Premium プランと Elastic Premium プランには、事前にウォームアップされたインスタンスの概念が追加されました。 Azure は、オンデマンドに応じてスケールアウトするのではなく、関数アプリまたはサービス プラン専用の、アイドル状態ではあるがすぐに提供できるインスタンスのプールを事前にプロビジョニングします。ワークロードが発生すると、これらの事前にウォームアップされたインスタンスがスパイクをすぐに吸収します。

Azure ポータルまたはコードとしてのインフラストラクチャ (IaC) テンプレートを使用して、プレミアム プランで常時使用可能なインスタンスの数を構成できます。 Microsoft の内部評価では、事前にウォームアップされたインスタンスが少なくとも 1 つ常にアクティブである場合、503 での大幅な軽減が示されています。

3. より迅速なプランのアクティブ化とコンテナーの再利用

分離されたコンテナーまたは Linux ホスティング プランで実行されている Azure Functions では、該当する場合に実行環境を再利用する内部改善により、大幅な遅延の低下が見られました。これは、新しいコンテナーのブートストラップが減り、実行ホストの可用性が向上することを意味します。

フィールド結果: チームがアプリの機能をどのように安定させたか

これらの変更の後、いくつかのエンタープライズ導入者は、特に突然のリクエスト時にこれまで 503 に対して脆弱であった API の信頼性の向上を報告しました。 Microsoft 製品エンジニアリングによると、大規模顧客テナントは、計画設定を調整し、事前にウォームアップされたインスタンスを有効にしてから数週間以内に、503 レートを 4.5% から 0.1% 未満に削減しました。

一般的な安定化戦略には次のものが含まれます。

• 重要なワークロードを Premium プランまたは Elastic Premium プランに切り替える
• アイドル状態のウォーム ワーカーを維持するようにminimumInstanceCountを構成する
• Application Insights と Azure Monitor KPI によるコールド スタートの待機時間の監視
• プロアクティブ スケーリング ルールと容量しきい値のシステム アラートを組み合わせる

503 エラーを回避するためのベスト プラクティス

待機時間の影響を受けやすいアプリケーションまたは高スループットのアプリケーションで Azure Functions を運用する場合は、次の運用ガイドラインを考慮してください。

• Always-Ready インスタンスのプロビジョニング:minimumInstanceCountを使用して、プレミアム プランに少なくとも 1 つのウォーム インスタンスを設定します。
• Application Gateway または API Management キャッシュを使用する:パーソナライズされていない要求の応答をキャッシュして、バックエンドの依存関係を最小限に抑えます。
• コールド スタートとアプリの可用性を監視する:可用性テストを使用し、 FunctionExecutionUnitsとFunctionExecutionCountを追跡します。
• 予測可能なトラフィックのルート:コア システムのオフピーク時間帯にレポートと分析のワークロードをスケジュールします。
• スケーリング ルールのカスタマイズ:Service Bus や Event Hub などの非 HTTP トリガーの場合は、アプリケーション レベルのバッチ処理とスケーリング ロジックを使用します。

結論

コールド スタートの負荷条件下で Azure Functions がHostServiceUnavailable 503エラーを返す問題は、多くのクラウド ネイティブ サービスで運用上の重大な問題を引き起こしています。どの回避策も特効薬ではありませんが、Microsoft の機能強化 (特にインテリジェントな自動スケーリングとウォーム前のインスタンス プロビジョニング) は、中核となるインフラストラクチャのギャップに対処します。

現在、リアクティブな機能プランニングからプロアクティブな機能プランニング (最小インスタンス数のプレミアム デプロイメントなど) に移行中のチームは、より安定したコンピューティング環境を体験しています。リアルタイムのメトリクスを監視し、予想される負荷を計画し、Azure の最新のスケーリング改善を活用することは、すべて将来のリスクを最小限に抑えるための重要な戦略です。

サーバーレス インフラストラクチャは、その運用上の制約を理解している場合にのみ、高い拡張性と最小限のメンテナンスという約束を果たすことができます。適切な構成を使用すると、Azure Functions は俊敏性だけでなく、大規模な一貫性も提供できるようになります。