目標

• Kubernetesクラスターとは何かを学ぶ
• Minikubeとは何かを学ぶ
• Kubernetesクラスターを、オンラインのターミナルを使って動かす

Kubernetesクラスター

Kubernetesは、単一のユニットとして機能するように接続された、可用性の高いコンピューターのクラスターをまとめあげます。Kubernetesの抽象化により、コンテナ化されたアプリケーションを個々のマシンに特に結び付けることなくクラスターにデプロイできます。この新しいデプロイモデルを利用するには、アプリケーションを個々のホストから切り離す方法でアプリケーションをパッケージ化(つまり、コンテナ化)する必要があります。コンテナ化されたアプリケーションは、アプリケーションがホストに深く統合されたパッケージとして特定のマシンに直接インストールされていた従来のデプロイモデルよりも柔軟で、より迅速に利用可能です。Kubernetesはより効率的な方法で、クラスター全体のアプリケーションコンテナの配布とスケジューリングを自動化します。Kubernetesはオープンソースのプラットフォームであり、プロダクションレディです。

Kubernetesクラスターは以下の2種類のリソースで構成されています:

• マスターがクラスターを管理する
• ノードがアプリケーションを動かすワーカーとなる

クラスターダイアグラム

マスターはクラスターの管理を担当します。マスターは、アプリケーションのスケジューリング、望ましい状態の維持、アプリケーションのスケーリング、新しい更新のロールアウトなど、クラスター内のすべての動作をまとめあげます。

ノードは、Kubernetesクラスターのワーカーマシンとして機能するVMまたは物理マシンです。各ノードにはKubeletがあり、これはノードを管理し、Kubernetesマスターと通信するためのエージェントです。ノードにはDockerやrktなどのコンテナ操作を処理するためのツールもあるはずです。プロダクションのトラフィックを処理するKubernetesクラスターには、最低3つのノードが必要です。

Kubernetesにアプリケーションをデプロイするときは、マスターにアプリケーションコンテナを起動するように指示します。マスターはコンテナがクラスターのノードで実行されるようにスケジュールします。ノードは、マスターが公開しているKubernetes APIを使用してマスターと通信します。エンドユーザーは、Kubernetes APIを直接使用して対話することもできます。

Kubernetesクラスターは、物理マシンまたは仮想マシンのどちらにも配置できます。Kubernetes開発を始めるためにMinikubeを使うことができます。Minikubeは、ローカルマシン上にVMを作成し、1つのノードのみを含む単純なクラスターをデプロイする軽量なKubernetes実装です。Minikubeは、Linux、macOS、およびWindowsシステムで利用可能です。Minikube CLIは、起動、停止、ステータス、削除など、クラスターを操作するための基本的なブートストラップ操作を提供します。ただし、このチュートリアルでは、Minikubeがプリインストールされた状態で提供されているオンラインのターミナルを使用します。

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• アプリケーションのデプロイについて学ぶ
• kubectlを使って、Kubernetes上にはじめてのアプリケーションをデプロイする

Kubernetes Deployments

実行中のKubernetesクラスターを入手すると、その上にコンテナ化アプリケーションをデプロイすることができます。そのためには、KubernetesのDeployment の設定を作成します。DeploymentはKubernetesにあなたのアプリケーションのインスタンスを作成し、更新する方法を指示します。Deploymentを作成すると、KubernetesマスターはDeployment内に含まれるアプリケーションインスタンスをクラスター内の個々のノードで実行するようにスケジュールします。

アプリケーションインスタンスが作成されると、Kubernetes Deploymentコントローラーは、それらのインスタンスを継続的に監視します。インスタンスをホストしているノードが停止、削除された場合、Deploymentコントローラーはそのインスタンスをクラスター内の別のノード上のインスタンスと置き換えます。これは、マシンの故障やメンテナンスに対処するためのセルフヒーリングの仕組みを提供しています。

オーケストレーションが入る前の世界では、インストールスクリプトを使用してアプリケーションを起動することはよくありましたが、マシン障害が発生した場合に復旧する事はできませんでした。アプリケーションのインスタンスを作成し、それらをノード間で実行し続けることで、Kubernetes Deploymentsはアプリケーションの管理に根本的に異なるアプローチを提供します。

Kubernetes上にはじめてのアプリケーションをデプロイする

Kubernetesのコマンドラインインターフェースであるkubectlを使用して、Deploymentを作成、管理できます。kubectlはKubernetes APIを使用してクラスターと対話します。このモジュールでは、Kubernetesクラスターでアプリケーションを実行するDeploymentを作成するために必要な、最も一般的なkubectlコマンドについて学びます。

Deploymentを作成するときは、アプリケーションのコンテナイメージと実行するレプリカの数を指定する必要があります。Deploymentを更新することで、あとでその情報を変更できます。チュートリアルのモジュール5と6では、Deploymentをどのようにスケール、更新できるかについて説明します。

最初のDeploymentには、DockerコンテナにパッケージされたNode.jsアプリケーションを使用します。(まだNode.jsアプリケーションを作成してデプロイしていない場合、Hello Minikubeチュートリアルの通りにやってみましょう。)

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• KubernetesのPodについて学ぶ
• Kubernetesのノードについて学ぶ
• デプロイされたアプリケーションのトラブルシューティング

Kubernetes Pod

モジュール2でDeploymentを作成したときに、KubernetesはアプリケーションインスタンスをホストするためのPodを作成しました。Podは、1つ以上のアプリケーションコンテナ(Dockerなど)のグループとそれらのコンテナの共有リソースを表すKubernetesの抽象概念です。 Podには以下のものが含まれます:

• 共有ストレージ(ボリューム)
• ネットワーキング(クラスターに固有のIPアドレス)
• コンテナのイメージバージョンや使用するポートなどの、各コンテナをどう動かすかに関する情報

Podは、アプリケーション固有の「論理ホスト」をモデル化し、比較的密接に結合されたさまざまなアプリケーションコンテナを含むことができます。 たとえば、Podには、Node.jsアプリケーションを含むコンテナと、Node.js Webサーバによって公開されるデータを供給する別のコンテナの両方を含めることができます。Pod内のコンテナはIPアドレスとポートスペースを共有し、常に同じ場所に配置され、同じスケジュールに入れられ、同じノード上の共有コンテキストで実行されます。

Podは、Kubernetesプラットフォームの原子単位です。 Kubernetes上にDeploymentを作成すると、そのDeploymentはその中にコンテナを持つPodを作成します(コンテナを直接作成するのではなく)。 各Podは、スケジュールされているノードに関連付けられており、終了(再起動ポリシーに従って)または削除されるまでそこに残ります。 ノードに障害が発生した場合、同じPodがクラスター内の他の使用可能なノードにスケジュールされます。

Podの概要

ノード

Podは常にノード上で動作します。ノードはKubernetesではワーカーマシンであり、クラスターによって仮想、物理マシンのどちらであってもかまいません。各ノードはマスターによって管理されます。ノードは複数のPodを持つことができ、Kubernetesマスターはクラスター内のノード間でPodのスケジュールを自動的に処理します。マスターの自動スケジューリングは各ノードで利用可能なリソースを考慮に入れます。

すべてのKubernetesノードでは少なくとも以下のものが動作します。

• Kubelet: Kubernetesマスターとノード間の通信を担当するプロセス。マシン上で実行されているPodとコンテナを管理します。
• レジストリからコンテナイメージを取得し、コンテナを解凍し、アプリケーションを実行することを担当する、Dockerのようなコンテナランタイム。

ノードの概要

kubectlを使ったトラブルシューティング

モジュール2では、kubectlのコマンドラインインターフェースを使用しました。モジュール3でもこれを使用して、デプロイされたアプリケーションとその環境に関する情報を入手します。最も一般的な操作は、次のkubectlコマンドで実行できます。

• kubectl get - リソースの一覧を表示
• kubectl describe - 単一リソースに関する詳細情報を表示
• kubectl logs - 単一Pod上の単一コンテナ内のログを表示
• kubectl exec - 単一Pod上の単一コンテナ内でコマンドを実行

これらのコマンドを使用して、アプリケーションがいつデプロイされたか、それらの現在の状況、実行中の場所、および構成を確認することができます。

クラスターのコンポーネントとコマンドラインの詳細についてわかったので、次にデプロイしたアプリケーションを探索してみましょう。

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• KubernetesにおけるServiceについて理解する
• ラベルとLabelSelectorオブジェクトがServiceにどう関係しているかを理解する
• Serviceを使って、Kubernetesクラスターの外にアプリケーションを公開する

Kubernetes Serviceの概要

Kubernetes Podの寿命は永続的ではありません。実際、Podにはライフサイクルがあります。ワーカーのノードが停止すると、そのノードで実行されているPodも失われます。そうなると、ReplicaSetは、新しいPodを作成してアプリケーションを実行し続けるために、クラスターを動的に目的の状態に戻すことができます。別の例として、3つのレプリカを持つ画像処理バックエンドを考えます。それらのレプリカは交換可能です。フロントエンドシステムはバックエンドのレプリカを気にしたり、Podが失われて再作成されたとしても配慮すべきではありません。ただし、Kubernetesクラスター内の各Podは、同じノード上のPodであっても一意のIPアドレスを持っているため、アプリケーションが機能し続けるように、Pod間の変更を自動的に調整する方法が必要です。

KubernetesのServiceは、Podの論理セットと、それらにアクセスするためのポリシーを定義する抽象概念です。Serviceによって、依存Pod間の疎結合が可能になります。Serviceは、すべてのKubernetesオブジェクトのように、YAML(推奨)またはJSONを使って定義されます。Serviceが対象とするPodのセットは通常、LabelSelectorによって決定されます(なぜ仕様にセレクタを含めずにServiceが必要になるのかについては下記を参照してください)。

各Podには固有のIPアドレスがありますが、それらのIPは、Serviceなしではクラスターの外部に公開されません。Serviceによって、アプリケーションはトラフィックを受信できるようになります。ServiceSpecでtypeを指定することで、Serviceをさまざまな方法で公開することができます。

• ClusterIP (既定値) - クラスター内の内部IPでServiceを公開します。この型では、Serviceはクラスター内からのみ到達可能になります。
• NodePort - NATを使用して、クラスター内の選択された各ノードの同じポートにServiceを公開します。<NodeIP>:<NodePort>を使用してクラスターの外部からServiceにアクセスできるようにします。これはClusterIPのスーパーセットです。
• LoadBalancer - 現在のクラウドに外部ロードバランサを作成し(サポートされている場合)、Serviceに固定の外部IPを割り当てます。これはNodePortのスーパーセットです。
• ExternalName - 仕様のexternalNameで指定した名前のCNAMEレコードを返すことによって、任意の名前を使ってServiceを公開します。プロキシは使用されません。このタイプはv1.7以上のkube-dnsを必要とします。

さまざまな種類のServiceに関する詳細情報はUsing Source IP tutorialにあります。アプリケーションとServiceの接続も参照してください。

加えて、Serviceには、仕様にselectorを定義しないというユースケースがいくつかあります。selectorを指定せずに作成したServiceについて、対応するEndpointsオブジェクトは作成されません。これによって、ユーザーは手動でServiceを特定のエンドポイントにマッピングできます。セレクタがない可能性があるもう1つの可能性は、type：ExternalNameを厳密に使用していることです。

Serviceとラベル

Serviceは、一連のPodにトラフィックをルーティングします。Serviceは、アプリケーションに影響を与えることなく、KubernetesでPodが死んだり複製したりすることを可能にする抽象概念です。(アプリケーションのフロントエンドおよびバックエンドコンポーネントなどの)依存Pod間の検出とルーティングは、Kubernetes Serviceによって処理されます。

Serviceは、ラベルとセレクタを使用して一連のPodを照合します。これは、Kubernetes内のオブジェクトに対する論理操作を可能にするグループ化のプリミティブです。ラベルはオブジェクトに付けられたkey/valueのペアであり、さまざまな方法で使用できます。

• 開発、テスト、および本番用のオブジェクトを指定する
• バージョンタグを埋め込む
• タグを使用してオブジェクトを分類する

ラベルは、作成時またはそれ以降にオブジェクトにアタッチでき、いつでも変更可能です。Serviceを使用してアプリケーションを公開し、いくつかのラベルを適用してみましょう。

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• kubectlを使用してアプリケーションをスケールする

アプリケーションのスケーリング

前回のモジュールでは、Deploymentを作成し、それをService経由で公開しました。該当のDeploymentでは、アプリケーションを実行するためのPodを1つだけ作成しました。トラフィックが増加した場合、ユーザーの需要に対応するためにアプリケーションをスケールする必要があります。

スケーリングは、Deploymentのレプリカの数を変更することによって実現可能です。

スケーリングの概要

Deploymentをスケールアウトすると、新しいPodが作成され、使用可能なリソースを持つノードにスケジュールされます。スケールすると、Podの数が増えて新たな望ましい状態になります。KubernetesはPodのオートスケーリングもサポートしていますが、このチュートリアルでは範囲外です。スケーリングを0に設定することも可能で、指定された配置のすべてのPodを終了させます。

アプリケーションの複数インスタンスを実行するには、それらすべてにトラフィックを分散する方法が必要になります。Serviceには、公開されたDeploymentのすべてのPodにネットワークトラフィックを分散する統合ロードバランサがあります。Serviceは、エンドポイントを使用して実行中のPodを継続的に監視し、トラフィックが使用可能なPodにのみ送信されるようにします。

アプリケーションの複数のインスタンスを実行すると、ダウンタイムなしでローリングアップデートを実行できます。それについては、次のモジュールで学習します。それでは、オンラインのターミナルを使って、アプリケーションをデプロイしてみましょう。

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• kubectlを使ってローリングアップデートを実行する

アプリケーションのアップデート

ユーザーはアプリケーションが常に利用可能であることを期待し、開発者はそれらの新しいバージョンを1日に数回デプロイすることが期待されます。Kubernetesでは、アプリケーションのアップデートをローリングアップデートで行います。ローリングアップデートでは、Podインスタンスを新しいインスタンスで段階的にアップデートすることで、ダウンタイムなしでDeploymentをアップデートできます。新しいPodは、利用可能なリソースを持つノードにスケジュールされます。

前回のモジュールでは、複数のインスタンスを実行するようにアプリケーションをデプロイしました。これは、アプリケーションの可用性に影響を与えずにアップデートを行うための要件です。デフォルトでは、アップデート中に使用できなくなる可能性があるPodの最大数と作成できる新しいPodの最大数は1です。どちらのオプションも、Podの数または全体数に対する割合(%)のいずれかに設定できます。Kubernetesでは、アップデートはバージョン管理されており、Deploymentにおけるアップデートは以前の(stable)バージョンに戻すことができます。

ローリングアップデートの概要

アプリケーションのスケーリングと同様に、Deploymentがパブリックに公開されている場合、Serviceはアップデート中に利用可能なPodのみにトラフィックを負荷分散します。 利用可能なPodは、アプリケーションのユーザーが利用できるインスタンスです。

ローリングアップデートでは、次の操作が可能です。

• コンテナイメージのアップデートを介した、ある環境から別の環境へのアプリケーションの昇格
• 以前のバージョンへのロールバック
• ダウンタイムなしでのアプリケーションのCI/CD

次の対話型チュートリアルでは、アプリケーションを新しいバージョンにアップデートし、ロールバックも実行します。