Kubernetes（クバネティス）は、コンテナ化されたアプリケーションを自動化してデプロイ、スケーリング、および管理するためのオープンソースのプラットフォームです。元々はGoogleによって開発され、現在はCloud Native Computing Foundation（CNCF）によって管理されています。Kubernetesは、マイクロサービスアーキテクチャやコンテナベースのインフラストラクチャを効率的に運用するための強力なツールとして、近年のクラウドネイティブなシステム開発において欠かせない存在となっています。
この記事では、Kubernetesの基本的な概念から、仕組み、主要なコンポーネント、運用方法まで、徹底的に解説します。
1. Kubernetesの概要
Kubernetesは、コンテナオーケストレーションのためのツールです。コンテナとは、アプリケーションとその依存関係を一緒にパッケージ化し、どこでも実行可能にする軽量な仮想化技術です。Kubernetesは、これらのコンテナを管理するためのプラットフォームとして、以下のような機能を提供します。
- 自動スケーリング: トラフィックに応じて、必要な数のコンテナを自動的に追加または削除する。
- 自己修復: コンテナがクラッシュした場合、自動的に再起動して安定した状態を保つ。
- サービスディスカバリとロードバランシング: コンテナ間での通信を管理し、トラフィックを適切に分散する。
- 宣言的構成管理: インフラやアプリケーションの状態をコードで定義し、宣言的に管理する。
2. Kubernetesの基本的な構成要素
Kubernetesは、いくつかの主要なコンポーネントで構成されており、それぞれが特定の役割を担っています。
(1) ノード（Node）
Kubernetesにおけるノードは、コンテナを実行する物理的または仮想的なマシンです。ノードには、コンテナを実行するための必要なリソースが含まれており、クラスター内での作業を担当します。ノードには2種類あります。
- マスターノード: Kubernetesのコントロールプレーンであり、クラスター全体の管理を行います。スケジューリング、APIリクエストの処理、クラスターの状態管理などを担当します。
- ワーカーノード: 実際にアプリケーションが動作するノードです。ワーカーノード上でコンテナが稼働し、リクエストを処理します。
(2) ポッド（Pod）
ポッドはKubernetesで最小の実行単位です。ポッドは、1つ以上のコンテナを含むグループであり、同一ノード内で相互に通信する必要があるコンテナがまとめられます。ポッドは、コンテナの実行環境としてのネットワークやストレージを提供し、複数のコンテナ間でリソースを共有します。ポッドのスケジューリングや管理はKubernetesによって行われ、障害が発生した場合には再起動や再配置されることがあります。
(3) レプリカセット（ReplicaSet）
レプリカセットは、指定された数のポッドが常に実行されていることを保証します。もしポッドが何らかの理由で停止した場合、レプリカセットは新しいポッドを作成して、望ましい状態を維持します。これにより、システムの可用性が高まります。
(4) デプロイメント（Deployment）
デプロイメントは、ポッドやレプリカセットの管理を簡素化するためのリソースです。デプロイメントを使用すると、アプリケーションのローリングアップデートやロールバックを簡単に行うことができます。新しいバージョンのアプリケーションを展開する際にも、ダウンタイムを最小限に抑えることができます。
(5) サービス（Service）
Kubernetesのサービスは、ポッドに対する安定したアクセス方法を提供します。ポッドは一時的であるため、IPアドレスが変更される可能性がありますが、サービスを介することで、常に一定のDNS名やIPアドレスを通じてアクセスできるようになります。これにより、アプリケーション間の通信が安定します。
3. Kubernetesの仕組み
Kubernetesは、複雑な分散システムを管理するための多くの機能を提供します。その仕組みの中心となるのが「コントロールプレーン」と「ワーカーノード」です。
(1) コントロールプレーン
コントロールプレーンは、Kubernetesクラスターの全体的な状態を管理し、クラスター内のリソースを監視します。コントロールプレーンの主要なコンポーネントには、以下があります。
- APIサーバー（kube-apiserver）: Kubernetesの管理APIを提供し、外部のリクエストを受け付けてクラスターの状態を操作します。
- スケジューラー（kube-scheduler）: 新しいポッドをクラスター内の適切なノードにスケジュールします。
- コントローラーマネージャ（kube-controller-manager）: クラスターの状態を維持するために、コントローラーを実行します。例えば、レプリカセットの数を監視し、必要に応じてポッドを作成します。
- etcd: クラスターの設定データや状態を保持する分散型キーバリューストアです。すべてのクラスターの状態はここに保存され、障害時の回復が可能です。
(2) ワーカーノード
ワーカーノードは、実際にアプリケーションが実行されるノードです。各ワーカーノードは、以下のコンポーネントを含んでいます。
- kubelet: ノード上でポッドを実行するエージェントです。ポッドの状態を監視し、必要に応じて新しいコンテナを開始したり、ポッドを削除したりします。
- kube-proxy: クラスター内のサービスへのネットワークアクセスを管理するプロキシです。サービスとポッド間の通信を仲介します。
4. Kubernetesの運用と管理
Kubernetesの運用では、以下のようなタスクが行われます。
(1) デプロイメントとローリングアップデート
アプリケーションのデプロイメントは、Kubernetesにおける基本的な操作です。デプロイメントを使用すると、アプリケーションの新しいバージョンをローリングアップデートの形で展開できます。これにより、ダウンタイムなしで更新が可能になります。
(2) スケーリング
Kubernetesでは、ポッドのスケーリングが簡単に行