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Kubernetes〜コンテナ管理ツール〜

＋ 目次

Kubernetesとは

Kubernetesとは、Dockerコンテナの管理を自動化するためのソフトウェアです。Kubernetesは、Googleが開発しました。Googleは、以前からインターネットサービスを提供するためにマイクロサービスの基盤を利用していました。Kubernetesは、このマイクロサービスの技術をオープンソースソフトウェアとしてまとめて公開したものです。

Kubernetesは、ベースとなるコンテナの技術としてDockerを採用しています。Dockerコンテナは完全仮想環境化に比べ、ディスク、メモリ消費量を少量で利用できます。またサービスの起動が高速でバージョン管理を容易に行うことができます。Kubernetesを使用すると、Dockerコンテナの長所を最大限に活用することができます。

また、Kubernetesは、Google Cloud Platform上のGoogle Kubernetes Engine、AWS上のAmazon Kubernetes Serviceなど、クラウドベンダーのサービスでも採用されていて、コンテナ型仮想化のデファクトスタンダード的な位置づけになっています。

KubernetesのDockerコンテナ画像

Kubernetesのアーキテクチャ

Kubernetesは、マスターサーバとノードサーバからなるクラスタとして動作します。これをKubernetesクラスタと呼びます。

kubernetesアーキテクチャ画面

ノードサーバは、実際にDockerコンテナを動作させるコンポーネントです。マスターサーバは、ノードサーバ上で動作するDockerコンテナを管理します。また、ノード上で動作するDockerコンテナを監視し、必要に応じてレプリカセットをデプロイメントしたりするなどの制御を行います。

Kubernetesのアーキテクチャ

Dockerコンテナの課題

Dockerコンテナを利用することで様々なメリットがありますが次のような課題もあげられます。

自ホスト上のDockerコンテナの管理しかできない
ソフトウェア同士を連携させる場合、各Dockerコンテナ同士のネットワーク情報や、連携情報の管理に手間がかかる
ホストに障害が発生した場合の冗長性確保が難しい
大量のDockerコンテナを全て監視しないといけない

このような問題はKubernetesを使用することで解決されます。

Kubernetesのメリット

Kubernetesには、次のようなメリットがあり、Dockerコンテナの課題を補うことができます。

PodによるDockerコンテナの管理

Dockerでは、1つのコンテナに1つのアプリケーションが動作するようにコンテナ化することが推奨されています。そのため、いくつものDockerコンテナを組み合わせて1つの機能を提供するような構成になることがほとんどです。Kubernetesでは、このようなコンテナのセットをPodとして管理します。

Podイメージ画面

Podは、KubernetesでDockerコンテナを管理するための最小単位で、複数のDockerコンテナの集合体です。Dockerコンテナをグループで管理することで、Dockerコンテナの使いにくさを解消します。

KubernetesのPod機能

レプリカセット

レプリカセットとは、Kubernetesが複数のPodの複製を自動的にデプロイする機能です。例えば、レプリカ数に3を設定して起動すると、Kubernetesは同じ機能のPodを3つ自動的にデプロイします。この機能をうまく使うことで、万一Dockerコンテナに問題があり停止してしまった場合にも、Kubernetesが自動的にDockerコンテナを起動します。

Kubernetesのレプリカセットとデプロイメント

ボリューム管理

Kubernetesでは、Dockerコンテナには一時的なストレージ領域を割り当てて提供します。このストレージ領域は、Dockerコンテナの起動中のみ有効で、Dockerコンテナを再起動すると再割り当てされます。Kubernetesは、この一時的なコンテナのストレージとは別に永続ストレージを管理します。永続ストレージは、Dockerコンテナにマウントして利用することができます。Kubernetesのストレージは、Dockerコンテナが動作するすべてのノードから共有できる必要があります。そのため、NFS、Ceph、DRBD-SDSなどのストレージが使われます。

Kubernetesの永続ストレージ

リソース管理

機械学習基盤向けにKubernetesを利用する場合には、貴重なGPUなどのリソースを細かく管理する必要があります。Kubernetesでは、Dockerコンテナに割り当てるCPUやメモリなどのリソース量を、細かくコントロールすることができます。また、コンテナで利用しているリソースは、リソースモニターによって確認することができます。リソースモニターの機能はアドオンで実装されていて、Prometheusなどのアドオンが公開されています。

ジョブ管理

Kubernetes上では、WEBサーバやデータベースなどの常駐型のサービスだけでなく、一時的な処理や計算にも利用することもできます。このような処理を行なうDockerコンテナのリソースは、Jobと呼ばれています。Jobによって動作したPodは、処理結果を取り出して分析することができるように、処理が終了した後も削除されずに保持されます。また、CronJobでは、定期的にジョブを実行することもできます。

ログ管理

Dockerでは、Dockerコンテナがイベントにより出力するログは、標準エラー出力に出力されます。そして、この情報はDocker側で管理します。Kubernetesでは、このログを安全に運用するため、独立したストレージで集中管理するようになっています。また、Kubernetesで用意されているDaemonSetというリソースを利用して、大量のログを管理する手法も使われます。DaemonSetを使うとKubernetesの各ノードに1つのDockerコンテナを起動しておくことができます。この機能を使って、Fluentdでログを収集し、ElasticsearchやGraylogなどでデータを収集、解析、保存し、高速に検索するようなシステムを作ることができます。

統合ログ管理・監視のOSS〜Graylog〜

ユーザ管理とマルチテナントでの利用

Kubernetesは、Dockerコンテナの仮想マシン空間を複数のセキュリティ的に独立したネームスペースに分離して管理することができます。この機能によって、コンテナ仮想基盤をマルチテナントで利用することができます。部署ごとに管理者を分けたり、ホスティングサーバのようにサブスクライビングすることも可能です。ネームスペース毎にリソース制限を設定することもできます。

また、Kubernetesでは、ロールベースのアクセス制御（RBAC：Role Base Access Control）にも対応しています。そのため利用するユーザやネームスペースに割り当てる権限を調整することもできます。

ダッシュボード

Kubernetesには、管理用のダッシュボードが用意されています。ダッシュボードでは、Podの管理や、コンソールでの操作が可能になります。Kubernetesダッシュボードから、次のような管理が可能です。

Kubernetesで管理しているリソースの状況の確認
WebフォームでのDockerコンテナの設定
Kubernetes上で動作しているPodやDockerコンテナの管理・操作
ログの管理

Kubernetesのダッシュボード

Kubernetesの特徴

KubernetesにはDockerコンテナを管理する上で必須の機能が備わっており、次のような特徴があります。

Dockerコンテナのスケジューリング

Kubernetesは、CPUやメモリの状態を見て、自動的に適切なホストを選択して、Dockerコンテナを起動します。起動するDockerコンテナの数も容易に指定できます。

アップデートのリスクを低減

Kubernetesでは、Dockerコンテナを複製することで容易に検証環境を作成できます。つまり、本番と全く同じ環境での動作確認を行うことが可能です。本番と同じ環境で確実な動作確認を行うことで、ソフトウェアアップデート時に起こる動作不良などのリスクを低減できます。

Kubernetesのコンテナアップデート

ネットワークを仮想化しホスト間で通信

Dockerコンテナは自ホスト上でしか管理できないという課題があります。Kubernetesを活用することで、複数のノードで構成されている環境を1つの実行環境のように扱うことができます。そうすることで、別のホストにあるDockerコンテナもまとめて管理できます。

セルフヒーリングによる高い耐障害性

Kubernetesは、Dockerコンテナの状態を監視しています。そして、万が一Dockerコンテナのプロセスが停止した場合、再度Dockerコンテナを起動し、自己修復します。そのため、ノード障害が起きたり、ノード退避などを行ったりしても、サービスを継続できます。

Kubernetesのセルフヒーリング画像

Dockerコンテナのオートスケール

Kubernetesは、HorizontalPodAutoscalerとVerticalPodAutoscalerの2つのオートスケールの仕組みを持っています。orizontalPodAutoscalerは、CPUやメモリの利用状況によって、Podのレプリカ数を自動的にスケーリングします。VerticalAutoscalerは、CPUやメモリの利用状況に合わせて、割り当てるリソースの量を自動的にスケーリングします。

Kubernetesのインストール

Kubernetesのインストール自体は、それほど難しくありません。マスタサーバもノードサーバも基本的なソフトウェアのインストール手順はほぼ同じです。

Dockerをインストールする
Kubernetesのパッケージレポジトリを登録する
kubernetesのパッケージをインストールする

こうした準備を行った後、マスタサーバではkubeletサービスを起動した後、kubeadm initでマスタサーバの初期化処理を行います。この時、Kubernetesクラスタのトークンが作成されます。ノードサーバでは、kubeadm joinにこのトークンを指定して実行することで、Kubernetesクラスタに参加することができます。

Kubernetesクラスタの構築

標準化とKubernetesのアーキテクチャ

Kubernetesは、2014年にGoogleによって公開されました。また、2015年には、Docker、CoreOS、マイクロソフト、RedHat、VMWareなどが、オープンコンテナイニシアティブ（OCI）を発足し、標準化が始まりました。
2017年に、OCIは次の2つの仕様を作成しました。

コンテナのランタイムに関する仕様（Open Container Initiative Runtime Specification）
コンテナイメージフォーマットに関する仕様（Open Container Initiative Image Format Specification）

その結果、これまでDockerが担ってきた役割が、次のようないくつかの要素に分割され、Kubernetesの動作環境は大きく変化しています。

従来のDockerとKubernetesの関係

【従来のDockerとKubernetesの関係】

分割されたDockerとKubernetesの関係

【分割されたDockerとKubernetesの関係】

2018年には、高レベルのランタイム、低レベルのランタイムの実装が進み、2019年にはKubernetesも標準でこれらのランタイムを利用するようになっています。

高レベルのランタイム

高レベルのランタイムは、CRIに基づいてKubernetesからコンテナに関する処理を引き受けます。具体的には、次のような機能を持っています。

コンテナの管理
コンテナイメージの管理
コンテナレジストリからのイメージのダウンロード

高レベルのランタイムの実装としては、containerd、CRI-O、rktなどがあります。

低レベルのランタイム

OCI Runtime Specificationによって規定されたランタイムです。低レベルのランタイムは、カーネルの機能を使ってコンテナに必要な独立した環境を用意し、実際にコンテナを動作させる役割を担っています。

低レベルのランタイムの実装としては、runc、gVisor、Kata Containerなどがあります。

Kubernetesの限定環境

Kubernetesは、比較的大規模なシステムになってしまうため、学習環境や開発環境を作成するのが難しいという問題を抱えていました。そのため、小規模なKubernetes環境がいくつか公開されています。

Minikube

Minikubeは、小規模なKubernetes環境を作成するために作られました。1台のPC上に、仮想的にKubernetesの環境を構築することができます。Minikubeは、Windows上でもLinux上でもインストールできます。ただし、動作にはVirtualBoxやKVMなどのハイパーバイザーが必要です。

現在、ハイパーバイザーを利用せずにMinikubeを動作させるための開発が行われていますが、まだ実験段階とされています。Minikubeでは、ランタイムを切り替えて使うことができます。

Microk8s

Microk8sも、小規模なKubernetes環境を作成するために作られました。環境に依存しないパッケージを配布し、管理するための仕組みであるSnappyを使って配布されています。Minikubeとは違い、ハイパーバイザーは不要です。Kubernetesとともに利用することが多いレジストリやストレージなどのツールも内包されていて、簡単に有効化できるのが特徴です。Microk8sでは、containerd、runcをランタイムとして使っています。

デージーネットの取り組み

デージーネットでは、Kubernetesを活用したIot開発基盤を構築しています。Kubernetesを使用してオンプレミスでIot開発基盤を構築することで、一定のコストで継続的につかえるIot構築基盤を実現することができます。また、DockerやKubernetesの導入を考えているお客様へ構築のコンサルティングも行っています。

Kubernetesを使用したコンテナシステム導入支援事例

OSSのKubernetes「構築事例/情報の一覧」

IoT開発基盤構築でのKubernetes活用構築事例

Kubernetes活用構築事例の画像

IoT開発基盤構築にKubernetesを活用しました。これまで、プロジェクト単位でクラウドを契約していましたが、以前よりも多くの部門がIoTを扱うようになりました。IoT開発基盤では大量のデータを扱います。そのため、クラウドを利用するコストメリットが薄れてしまいました。そこで、オンプレミスで大容量のIoT開発基盤を構築し、一定のコストで継続的に使えるIoT開発基盤を実現しました。

Kubernetesを使用したコンテナシステム導入支援事例

Kubernetesを使用したコンテナシステム導入支援事例の画像

各拠点で使用するアプリケーションを効率よく配信するシステムを検討されていました。アプリケーションをコンテナ化し、Kubernetesを利用してアプリケーション配信を行うことが決まっていましたが、実際にどのようにシステムを設計・構築してくかを支援してほしいというご要望をいただきました。コンサルでは、DockerやKubernetesの概要や利用することのメリット、Kubernetesを使用したコンテナシステムの構成のご説明、ハンズオンによる操作方法の説明等を行いました。