Raspberry PiでWebサーバ(冗長構成)を構築

SCSK 岩井です。

今回はRaspberry Piを2台使ってWebサーバの冗長化を行ってみたいと思います。
ただWebサーバを冗長化するだけではなく、WebサイトとLED点灯/消灯を連動させてみたいと思います。
ちょっとだけそれっぽくなる予定です。

 

下準備

使用するRaspberry Piは以下のものです。

【Raspberry Pi 5】
CPU: Broadcom BCM2712 quad-core Arm Cortex A76 processor @ 2.4GHz
Memory: 8GB
OS: Bookworm

【Raspberry Pi 3 Model B+】
CPU: Broadcom BCM2837B0, Cortex-A53 (ARMv8) 64-bit SoC @ 1.4GHz
Memory: 1GB
OS: Bookworm

 

この2台にflask(簡易的なWebアプリフレームワーク)をインストールしてWeb経由操作でLED点灯/消灯する構成を組んでみます。

【追加で用意するもの】
LED(赤)×1
LED(黄)×1
抵抗(330Ω)×2
ジャンパーケーブル×4
ブレッドボード×1
Webサーバアクセス用PC

 

ライブラリのインストール

ラズパイに必要なライブラリ(Flask、GPIO(Rasberry Pi 3)、gpiozero(Rasberry Pi 5))をインストールします。
Raspberry Pi 5はGPIOが使えなくなってしまったので代わりにgpiozeroをインストールします。

　# Raspberry Pi 5の場合
　sudo apt update
　sudo apt install python3-flask
　sudo apt install gpiozero

　# Raspberry Pi 3の場合
　sudo apt update
　sudo apt install python3-flask
　sudo apt install python3-rpi.gpio 

 

Pythonスクリプトの作成

PythonでFlaskアプリケーションを作成します。
ファイル名はapp.pyにしてみました。
Web画面上にLED点灯用とLED消灯用のリンクを張って、LEDを着けたり消したりできるようにします。
まずはviを起動します。

　# Raspberry Pi 3/Raspberry Pi 5共通
　sudo vi app.py

以下のコードを記述してファイルを保存します。Raspberry Pi 5はgpiozeroライブラリ、Raspberry Pi 3は
GPIOライブラリなのでコードが異なります。同じ画面を作成していますが、Raspberry Pi 5はWebアクセスされると「Unit 1」、
Raspberry Pi 3はWebアクセスされると「Unit 2」と表示されるようにしています。

　# Raspberry Pi 5の場合
　from flask import Flask
　from gpiozero import LED    
　
　app = Flask(__name__)
　 
　# GPIO 17を制御するLEDオブジェクトの作成
　 
　led = LED(17)
　 
　@app.route('/') 
　def index():
　return '''
　 
　<h1>LED Control(Unit 1)</h1>
　<p><a href="/led/on">Turn LED ON</a></p>
　<p><a href="/led/off">Turn LED OFF</a></p>
　'''
　 
　@app.route('/led/on')
　def led_on():
　led.on() # LEDを点灯
　return '<h1>LED is ON</h1><p><a href="/">Back to home</a></p>'
　 
　@app.route('/led/off')
　def led_off():
　led.off() # LEDを消灯
　return '<h1>LED is OFF</h1><p><a href="/">Back to home</a></p>'
　 
　if __name__ == '__main__':
　app.run(host='0.0.0.0', port=5000)

　# Raspberry Pi 3の場合
　from flask import Flask
　import RPi.GPIO as GPIO
　
　app = Flask(__name__)
　
　# GPIOピンの設定
　LED_PIN = 17
　GPIO.setmode(GPIO.BCM)
　GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT)
　
　@app.route('/')
　def index():
　return '''
　<h1>LED Control(Unit 2)</h1>
　<p><a href="/led/on">Turn LED ON</a></p>
　<p><a href="/led/off">Turn LED OFF</a></p>
　'''
　　
　@app.route('/led/on')
　def led_on():
　GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)
　return '<h1>LED is ON</h1><p><a href="/">Back to Home</a></p>'
　
　@app.route('/led/off')
　def led_off():
　GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)
　return '<h1>LED is OFF</h1><p><a href="/">Back to Home</a></p>'
　
　if __name__ == '__main__':
　try:
　app.run(host='0.0.0.0', port=5000)
　finally:
　GPIO.cleanup()

 

LEDとRaspberry Piを接続する

ブレッドボードにLEDと抵抗を接続します。
Raspberry Pi 5用とRaspberry Pi 3用に2セット回路を作ります。
イメージはこんなカンジで。(左側がRaspberry Pi 3用、右側がRaspberry Pi 5用)

次に回路とRaspberry Pi 5、Raspberry Pi 3を接続します。
なお、コードの中にあったGPIO 17は17ピンではなく、11ピンのGPIO17 です。
17ピンに刺すと3.3vの電圧がかかりっぱなしになるので、
ただLEDが光ってるだけの状態になります。(Webアプリと連動しません)
10分悩みました。
11ピンのGPIO17に+側(LED側のケーブル)、14ピンのGroundに-側(抵抗側のケーブル)を接続します。

【Raspberry Pi 5のピン配置】

Raspberry Pi 5 Pinouts including GPIO for the 40 Pin Header – element14 Community

【Raspberry Pi 3のピン配置】

Raspberry Pi 3 Model B GPIO 40 Pin Block Pinout – element14 Community

 

Webサーバの起動(Pythonスクリプトの実行)

各Raspberry Piのコンソールで、Webサーバを起動します。
まずはIPアドレス確認から。

　# Raspberry Pi 5/Raspberry Pi 3共通
　ip addr

次に各Raspberry PiでWebサーバを起動します。

　# Raspberry Pi 5/Raspberry Pi 3共通
　python3 app.py

 

WebブラウザからアクセスとLED操作

Webサイトアクセス用PCでブラウザを2つ起動し、それぞれ以下のURLにアクセスします。

http://Raspberry Pi 5のIPアドレス:5000

http://Raspberry Pi 3のIPアドレス:5000

次にブラウザ上の「Turn LED ON」のリンクをクリックします。

　　

　　

LED点灯。やりました。

「Back to Home」のリンクをクリックして前の画面に戻ります。
今度は「Turn LED OFF」のリンクをクリックします。

LED消灯。(写真撮り忘れました)

 

nginxのインストールとプロキシ設定

nginxを使用してFlaskアプリへのリクエストをプロキシできるようにするため、各Raspberry Piにnginxをインストールします。

　# Raspberry Pi 5/Raspberry Pi 3共通
　sudo apt install nginx

プロキシを有効化するため、nginxの設定を変更します。

　# Raspberry Pi 5/Raspberry Pi 3共通
　sudo vi /etc/nginx/sites-available/default

設定内容は以下のとおり。

　# Raspberry Pi 5/Raspberry Pi 3共通
　server {
　    listen 80;
　    server_name localhost;
　
　    location / {
　        proxy_pass http://127.0.0.1:5000;
　        proxy_set_header Host $host;
　        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
　        proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
　        proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
　    }
　}

 

Keepalivedのインストールと設定

keepalivedインストールしてWebサイト(Flaskアプリ)の冗長化構成を組んでみます。
各Raspberry Piにkeepalivedをインストールします。

　# Raspberry Pi 5/Raspberry Pi 3共通
　sudo apt update
　sudo apt install keepalived

次に各Raspberry Piでkeepalivedの設定ファイルを編集します。

　# Raspberry Pi 5/Raspberry Pi 3共通
　sudo vi /etc/keepalived/keepalived.conf

Raspberry Pi 5をMaster、Raspberry Pi 3をBackupとします。
仮想IPアドレス(virtual_ipaddress)は192.168.11.110、Master側を優先させるため、priorityを100とします。
なお、interfaceは仮想IPアドレスを持たせるネットワークインターフェイスを指定します。

　# Raspberry Pi 5(Master)
　vrrp_instance VI_1 {
　    state MASTER
　    interface eth0
　    virtual_router_id 51
      priority 100
　    advert_int 1
　    authentication {
　        auth_type PASS
　        auth_pass mypass
　    }
　    virtual_ipaddress {
　        192.168.11.110
　    }
　}

Backup側の仮想IPアドレス(virtual_ipaddress)はMaster側と同様の192.168.11.110、priorityを90とします。

　# Raspberry Pi 3(Backup)
　vrrp_instance VI_1 {
　    state BACKUP
　    interface eth0
　    virtual_router_id 51
　    priority 90
　    advert_int 1
　    authentication {
　        auth_type PASS
　        auth_pass mypass
　    }
　    virtual_ipaddress {
　        192.168.11.110
　    }
　}

各Raspberry Piでkeepalivedを再起動します。

　# Raspberry Pi 5/Raspberry Pi 3共通
　sudo systemctl restart keepalived

 

動作確認

Webサイトアクセス用PC上のブラウザで仮想IPアドレスのURLにアクセスします。

http://192.168.11.110/

Unit 1の表記があり、Master側(Raspberry Pi 5)のWebサイトにアクセスしていることがわかります。

Raspberry Pi 5に接続したLEDの点灯/消灯も問題なくできます。

ここで、Raspberry Pi5をシャットダウンします。
その後上記URLにアクセスするとUnit 2の表記があり、Backup側(Rapberry Pi 3)のWebサイトにアクセスしています。

Raspberry Pi 3に接続したLEDの点灯/消灯も問題なくできます。

これでWebサイトを冗長化することができました。
GPIO側も冗長構成とする必要がありますが、片系に障害が発生してもサービスを継続させることができるようになります。
今回はLEDを取り付けましたが、カメラやセンサーなどを取り付けてみるのも面白そうです。以下の続きの記事で実施してみました。