インフラ/サーバー学習事始め。

自分が作ったサービスを公開するときや、自動化したいタスクを寝ている間にも稼働させるときに必要なインフラ技術やサーバー知識の勉強のはじめ方について紹介します。

エンジニアに必須のインフラとサーバーの知識

現代のシステム開発界隈では、エンジニアは種別を問わずインフラとサーバーの知識をしっかりと身につける必要があります。
一昔前であれば、インフラエンジニアという職種の人が一貫してインフラを担当していました。しかし、DevOps（開発と運用が相互に作用する開発手法）やIaC（Infrastructure as Code）の流れもあり、アプリケーションエンジニアがインフラを管理する機会も増えました。

インフラの学習対象は、プロトコルの理解、ネットワーク設計、セキュリティなど、コンピュータネットワークの基礎から始まりさまざまなトピックが含まれます。
また、さまざまな種類のサーバーやその機能、ネットワーク内の他の要素との相互作用についても熟知している必要があります。

さらに、エンジニアはサーバー管理についても理解する必要があります。
これにはサーバーのセットアップ、メンテナンス、トラブルシューティングが含まれます。また、多くの企業が効率性と拡張性を求めて物理サーバーから仮想サーバーやクラウドサーバーに移行しているため、仮想化に関する知識も欠かせません。

さらに、必要なときにデータを保護・復元するために、サーバーのストレージ、バックアップ、障害復旧の概念も理解しておく必要があります。
また、サーバーはオペレーティングシステムの上で動作するため、オペレーティングシステムの基本を理解することが重要です。

深く踏み込んで学習する場合は、自動化とIaCの台頭によりAnsible、Terraform、Dockerなどのサーバーのセットアップとデプロイを自動化するツールを使いこなせるようになる必要があります。
これらのスキルを組み合わせることで、エンジニアはあらゆる組織でインフラやサーバーに関連するタスクを効果的に処理するための知識を身につけることができます。

インフラ/サーバーの種類一覧

あらゆるアプリケーションのバックボーンを形成するインフラとサーバーですが、その種類は多様で、それぞれに特徴があり、異なるニーズや要件に対応しています。
ここでは主な種類とその特徴を見ていきましょう。

共有サーバー

一般的なレンタルサーバーとしても知られています。
1つのサーバーを複数の契約者で共有して利用することで安価に提供しているサーバーです。

会社のホームページのホスティングや、手軽にWordPressを使いたいといった用途では重宝されます。

物理サーバー

物理サーバーは、伝統的なインフラでありオンプレミスに設置された物理的なハードウェアを使用します。

仮想サーバー

仮想化技術により1台の物理サーバー上で複数の仮想サーバーを動作させることができ、それぞれが独立したマシンとして機能します。

クラウドサーバー

クラウドサーバーとは、インターネット上でアクセス可能な仮想環境のことです。柔軟性、拡張性、費用対効果に優れています。

ハイブリッドクラウド

ハイブリッドクラウドは、オンプレミス、プライベートクラウド、パブリッククラウドを組み合わせたものです。
オンプレミスとクラウドベースのサービスの両方の利点を活用することを可能にします。

インフラとサーバーの種類と特性を理解することで、コスト、パフォーマンス、拡張性、セキュリティなどの要素をバランスよく考慮し、特定のニーズに最適なソリューションを選択できます。

インフラ/サーバーを独学するロードマップ

独学で学べる？

インフラやサーバーについて独自に学ぶことは、可能であるだけでなく、非常にやりがいのあることです。
書籍やインターネットだけでなく、さまざまなオンラインプラットフォームが学習環境を用意しています。また、AWS、Google Cloud、Azureなどのクラウドサービスプロバイダーの無料ティアでは、多額の初期投資を必要とせずに実践的な経験を積むことができます。
さらにオープンソースのツールやプラットフォームで、実際にサーバーの管理・運営を体験できます。

しかし、インフラやサーバーの独学には、他の独学と同様に、規律ある構造的なアプローチが必要であることを忘れてはいけません。
明確な学習目標を設定し、体系的な学習経路をたどり、新しく習得したスキルを定期的に練習することが効果的な学習には欠かせません。

また、学習プロセスを急がないことも重要です。
各コンセプトを十分に理解した上で次のステップに進むことでしっかりとした基礎が身に付きます。

理論的な知識だけでなく実践的な経験も重要です。
プロジェクトを立ち上げ、自由に実験し、失敗から学び常に成長を目指してください。

ローカルPCで黒い画面を学ぶ

エンジニアのイメージとして一般的な、黒い画面（ターミナルやコマンドプロンプト）を使いこなすことがインフラ学習では重要です。
MacやUnix系システムでサーバーやインフラを管理する際に役立つ基本的なターミナルコマンドを紹介します。

ナビゲーションコマンド

# カレントディレクトリ（作業ディレクトリ）へのフルパスを表示します。
$ pwd

# カレントディレクトリにあるすべてのファイルとディレクトリを一覧表示します。
# 詳細なリストを表示するには `ls -l` を、隠しファイルを表示するには `ls -a` を使用します。
$ ls

# ディレクトリを変更します。
# 1つ上の階層に移動するには `cd ..` を、特定のディレクトリに移動するには `cd [ディレクトリパス]` を使用します。
$ cd ~/Documents

ファイル操作

# 新しいファイルを作成します。
$ touch test.tsx

# ファイルやディレクトリをコピーします。
$ cp original.txt copy_file.txt

# ファイルやディレクトリを移動したり、名前を変更したりします。
$ mv original.txt destination.txt

# ファイルを削除します。
# ディレクトリとその内容を削除するには，`rm -r [ディレクトリ名]`を使用します．
$ rm test.txt

テキストエディタ

# nanoテキストエディターでファイルを開きます。
# Unix系で利用できる他のテキストエディタには、`vi`や`emacs`があります。
$ nano

# ターミナルにファイルの内容を表示します。
$ cat test.txt

プロセス管理

# 現在実行中のプロセスに関する情報を表示します。
$ ps

# 現在実行中のプロセスに関する情報を表示します。
# CPU使用率、メモリ使用率、プロセスなど、リアルタイムのシステム概要情報を表示します。
$ top

# 指定されたプロセスID（pid）を持つプロセスを終了させます。
$ kill 9999

ネットワークコマンド

# 他のホストへのネットワーク接続をチェックします。
$ ping frkz.jp

# SSHで他のサーバーに接続します。
$ ssh user@192.0.0.1

# SSHでホストへファイルをコピーします。
$ scp test.txt user@192.0.0.1:/tmp/

ファイルパーミッション

# ファイルのパーミッションを変更します。
# パーミッションは数値（例:755）または記号（例:u+x）で表すことができます。
$ chmod 755 test.txt

これらのコマンドは、Unixライクなターミナルで可能なことの表面をなぞったに過ぎませんがインフラとサーバー管理について学ぶ際に触ってみるのに適しています。
特定のコマンドについてより多くの情報が必要な場合はman [コマンド]機能を使用すると使用方法が表示されます（ただし、基本的に英語です）。

Dockerで仮想環境を作って学ぶ

Dockerは、アプリケーションとその依存関係を標準化されたユニットにパッケージ化して開発・展開できるため、インフラやサーバー管理の初心者に最適なツールです。
ここではDockerの学習を開始する方法を紹介します。

Dockerインストール

まず、Dockerのインストールから始めます。
Docker DesktopはMacとWindowsで、Docker EngineはLinuxで利用可能です。

UbuntuにDockerをインストールする
WindowsにDockerをインストールする
MacOSにDockerをインストールする

Dockerのイメージとコンテナを理解する

Dockerはイメージとコンテナを使用します。
イメージ（image）は、コード、ランタイム、ライブラリ、環境変数、設定ファイルなど、ソフトウェアの一部を実行するために必要なすべてを含む軽量でスタンドアロンな実行可能パッケージのことを指します。
コンテナ（container）は、イメージの実行時インスタンスであり、実行するための枠組みです。

Dockerコンテナを実行する

まず、簡単なDockerコンテナを実行することから始めます。ターミナルを開いて以下を実行します。

docker run hello-world

このコマンドは、Docker Hubからhello-worldイメージを取得し（ローカルシステムにまだ存在しない場合）、そのイメージから新しいコンテナを作成し、そのコンテナを実行しています。

Dockerfileを作成

Dockerfileは、イメージを組み立てるためにユーザーがコマンドラインで呼び出すことができるすべてのコマンドを含むテキスト文書です。
以下は、Node.jsアプリケーションのシンプルなDockerfileの例です。

FROM node:14
WORKDIR /app
COPY package*.json ./
RUN npm install
COPY . .
EXPOSE 8080
CMD [ "node", "app.js" ]

このDockerfileは、Node.jsのベースイメージから始まり（FROM）、作業ディレクトリ（WORKDIR）を設定しています。ファイルのコピーと依存関係をインストールし（COPY、RUN）、8080番ポートを開いた上でapp.jsファイルを実行します（EXPOSE、CMD）。

Dockerイメージの構築と実行

Dockerfileからイメージをビルドしそれを実行する例です。

docker build -t my-node-app .
docker run -p 8080:8080 -d my-node-app

これは、my-node-appという名前のイメージを構築し、コンテナのポート8080をホスト（今回の場合は自分のローカルPC）のポート8080にマッピングして実行します。

Docker Composeで複数コンテナ管理

Dockerに慣れてくると、複数のコンテナを含むアプリケーション（Webサーバやデータベースなど）を扱うようになることがあります。
Docker Composeは、複数のコンテナを含むDockerアプリケーションを定義して実行するためのツールです。

ここでは紹介しませんが、Dockerを使いこなす次のステップとして学習を検討してください。

VPSでWebサイトを公開してみる

VPSを借りる

DigitalOcean、Vultr、AWS、Google Cloud、Azureなど、さまざまなサーバーのプロバイダーがあります。
それらを利用するにはクレジットカードを登録して実際に料金を支払ってVPSを借りる形になります。多くが従量課金のため、使っていない時間はサーバーを停止させたり、削除してしまうことでほとんど学習にコストはかかりません。
※しかし無料ではできないので悪しからず。

今回の例ではLinux VPSを使用すると仮定しましょう。

VPSにアクセスする

SSHでVPSにアクセスする必要があります。
例えば、LinuxやMacOSを使用している場合、ターミナルを使用してVPSにアクセスできます。

ssh root@VPSで契約した自分のIP

VPSのアップデート

アップグレードや新規インストールのために、あらかじめパッケージリストをアップデートするのは習慣付けておきましょう。
ここではUbuntuでそれを行う方法を説明します。

sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade

Webサーバーをインストール

Webサイトのファイルを提供するためにWebサーバーが必要です。
オープンソースのWebサーバーとして人気のあるNginxをインストールできます。

sudo apt-get install nginx

Webサイトのファイルをアップロード

静的Webサイトのファイルをサーバーにアップロードする必要があります。
SFTP（SSH File Transfer Protocol）またはSCP（Secure Copy Protocol）を使用してファイルを転送できます。

Webサイトとして利用するファイルはデフォルトのNginxルートディレクトリに置く必要があり、通常は/var/www/htmlまたは/usr/share/nginx/htmlです。

SCPを使ってローカルマシンからサーバーにディレクトリ（例: my_website_directory）をコピーする場合は、次のコマンドで実行できます。

ここではmy_website_directoryの中に<p>test.</p>とだけ書かれたindex.htmlファイルを入れておきます。

scp -r my_website_directory root@VPSのIP:/var/www/html

my_website_directoryは必ず自身のローカルディレクトリのパスに置き換えてください。

Webサーバーを設定

NginxをあなたのWebサイトファイルの場所に指定します。
これはデフォルトのサーバーブロック設定ファイルを編集することによって行うことができます。

sudo nano /etc/nginx/sites-available/default

このファイルの中でrootディレクティブを見つけ、それがあなたのWebサイトのディレクトリを指していることを確認します。

server {
    listen 80 default_server;
    listen [::]:80 default_server;

    root /var/www/html/my_website_directory;

    index index.html;

    server_name _;

    location / {
        try_files $uri $uri/ =404;
    }
}

変更後、ファイルを保存して閉じます。sudo nginx -tで構文エラーがないかをテストし、成功したらsudo systemctl reload nginxでNginxをリロードして変更を適用します。

WebブラウザでWebサイトを開く

最後に、WebブラウザでVPSのIPアドレスを入力することでWebサイトを見ることができるようになります。画面にはindex.htmlの内容であるtest.が表示されるはずです。

これは静的なWebサイトをホストするための最もシンプルでわかりやすい方法です。
より発展すると、ドメイン、HTTPSのためのSSL証明書、CDNなどをセットアップできます。

Google Cloud Runでサービスを公開する

Cloud Runはサーバーレス環境でアプリケーションを実行できるGoogle Cloudのサービスです。
ここではCloud Runを使用してシンプルなコンテナ化されたアプリケーションをデプロイする簡単な例を紹介します。

アプリケーションを構築する

この例ではNode.jsを使用してシンプルなHello Worldアプリケーションを作成しましょう。
以下の内容でapp.jsという名前のファイルを作成します。

const express = require('express');
const app = express();
const port = process.env.PORT || 8080;

app.get('/', (req, res) => {
   res.send('Hello, World!');
});

app.listen(port, () => {
   console.log(`Listening on port ${port}`);
});

{
   "name": "hello-world",
   "version": "1.0.0",
   "description": "A simple Node.js app",
   "main": "app.js",
   "scripts": {
      "start": "node app.js"
   },
   "dependencies": {
      "express": "^4.17.1"
   }
}

次にnpm installを実行して必要な依存関係をインストールします。

$ npm install

アプリケーションをコンテナ化する

Cloud Runはコンテナからアプリケーションをデプロイします。
Node.jsアプリケーションと同じディレクトリにDockerfileを作成します。

# Node.js 14を使う
FROM node:14

# appディレクトリを作る
WORKDIR /usr/src/app

# 依存関係のインストール
COPY package*.json ./
RUN npm install

# ソースコードのコピー
COPY . .

# 8080番ポートを開く
EXPOSE 8080

CMD [ "npm", "start" ]

このDockerfileはNode.js 14イメージから起動し、アプリケーションコードとその依存関係をコンテナにコピーして、アプリケーションを起動します。

Google Container Registryにプッシュ

Google Cloud SDKには、Dockerの機能を含むコマンドラインツールgcloudが含まれています。
以下のコマンドを実行してDockerイメージをビルドし、Google Container Registry（GCR）にプッシュしてください。

gcloud builds submit --tag gcr.io/PROJECT-ID/helloworld

PROJECT-IDはGoogle CloudのプロジェクトIDに置き換えてください。
このコマンドはDockerfileからDockerイメージをビルドし、そのイメージをGoogle Container Registryにプッシュします。

Cloud Runでアプリケーションをデプロイ

以下のコマンドを使用してアプリケーションをデプロイします。

gcloud run deploy --image gcr.io/PROJECT-ID/helloworld --platform managed

このコマンドは、指定されたイメージからCloud Run上に新しいサービスを作成します。
このステップでは、リージョン、サービス名（デフォルトでよいです）、認証されていない起動を許可するかどうかを選択するように入力を求められます。

デプロイ後、gcloudからURLが提供されるので、このURLをブラウザで開くとHello, World!と表示されます。

ドメインとIP、DNSを理解する

今回、ハンズオン形式で構築したインフラを独自ドメインで利用する場合は、さらにドメイン、IP、そしてDNSを理解する必要があります。
これらの理解にはボリュームのあるコンテンツが必要なため、別のコンテンツで紹介します。

本コンテンツでは簡単に概要を説明します。

ドメインを理解する

ドメインとは、ユーザーをWebサイトに誘導する単語で構成された人間に優しいアドレスのことです。
トップレベルドメイン（TLD）、セカンドレベルドメイン、サブドメインなど構造が分かれています。

IPアドレスについて学ぶ

インターネットに接続されているすべての機器には固有のIPアドレスが割り当てられており、インターネット上で情報をルーティングするために使用されています。
パブリックIPアドレスとプライベートIPアドレスの違いや、IPv4アドレスとIPv6アドレスの違いについても学びましょう。

DNSを探求する

DNS（Domain Name System）は、インターネットの電話帳のような役割を果たしています。
DNSサーバーがどのように人に優しいドメインをIPアドレスに変換し、インターネット上でデータをやり取りしているのかを理解しましょう。

実践編

基本的なことを理解したら実際に実在するドメインを使って体験することをおすすめします。
ping、nslookup、digなどのコマンドラインツールを使ってDNSサーバーに問い合わせ、インターネット上のデータがどのような経路をたどっているかを追ってみましょう。
さらに、DNSレコード（A、CNAME、MXなど）、ドメインレジストラ、ホスティングなどの概念を理解するために、個人Webサイト用のドメインを取得・設定して実験すると理解が深まります。

インフラ/サーバーの中級者を目指すには

インフラとサーバーの基本をしっかり理解した上で、さらに知識を深めるためにいくつかの方向性があります。

ネットワーク

サーバーやインフラに携わる人にとって、ネットワークをしっかり理解することは非常に重要です。
ネットワークプロトコル、ファイアウォール、VPN、ルーターとスイッチ、ネットワークセキュリティなどのトピックを学ぶ必要があります。

クラウドサービス

AWS、Azure、Google Cloudなどのサービスは、ITインフラの分野を席巻しています。
これらの環境でシステムを展開し管理する方法を学ぶことは、エンジニア市場において非常に求められているスキルです。

各プロバイダーは、コンピュートインスタンス、マネージドデータベース、ストレージオプション、さまざまなAIや機械学習ツールなど、異なるサービスや製品を提供しています。

コンテナとオーケストレーション

先に例を挙げたDockerのようなコンテナ化は、アプリケーションをデプロイするための一般的なアプローチです。
アプリケーションをコンテナ化するDockerを深掘りすることや、コンテナオーケストレーションのためのKubernetesについて学ぶことは価値があります。

Infrastructure as Code（IaC）

IaCは、物理的なハードウェア構成や対話型の構成ツールではなく、機械的に読み取り可能な定義ファイルを通じてコンピュータのデータセンターを管理し、プロビジョニングするプロセスです。
Terraform、Ansible、Chef、Puppet、AWS CloudFormationなどのツールがこの分野でよく使用されています。