KubernetesとAWSサービスを使用するチュートリアル

Last updated at 2023-09-23Posted at 2023-09-23

KubernetesとAWSサービスを使用するチュートリアル

はじめに
AWSにおけるKubernetes（Amazon EKS）
Kubernetesの基本コンポーネント
AWSサービスとの統合
実践チュートリアル：EKS, RDS, S3, IAMの統合
トラフィックのルーティングとネットワーク
Pod内のコンテナ間の通信
質疑応答
終わりに
- まとめ
- 参考リンク

はじめに

Kubernetes（K8s）の基本

Kubernetes（K8s）は、コンテナ化されたアプリケーションのデプロイ、スケーリング、および運用を自動化するオープンソースのプラットフォームです。K8sによって、アプリケーションはスケーラブルで耐障害性があり、デプロイメントが容易になります。

AWSサービスの概要

AWS（Amazon Web Services）は、Amazon.comが提供するクラウドコンピューティングプラットフォームです。本チュートリアルでは、Amazon EKS, Amazon RDS, Amazon S3, Amazon IAMなどのサービスを利用します。

AWSにおけるKubernetes（Amazon EKS）

Amazon EKSの利点

Amazon EKS（Elastic Kubernetes Service）は、AWSが提供するマネージドKubernetesサービスです。以下に、EKSを使用する利点を挙げてみましょう。

完全にマネージドされたKubernetesコントロールプレーン
AWSリソースとの統合が容易
セキュリティとコンプライアンスの要求に対応

Amazon EKSの構成

Amazon EKSのクラスタは、コントロールプレーンとワーカーノードで構成されます。コントロールプレーンはAWSが管理し、ワーカーノードはユーザーが管理します。

-- 以下補足 --

コントロールプレーン

コントロールプレーンは、Kubernetesクラスタの管理と制御を行います。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のものが含まれます。

kube-apiserver
- クラスタのAPIサーバで、ユーザーやシステムコンポーネントとやりとりを行います。
etcd
- クラスタの状態を保持するための軽量な分散データストアです。
kube-scheduler
- Podをノードにスケジューリング（割り当て）するコンポーネントです。
kube-controller-manager
- クラスタ内の様々なコントローラを実行するコンポーネントです。コントローラは、クラスタの状態を監視し、必要に応じて変更を加えます。
cloud-controller-manager
- クラウドプロバイダーと連携し、クラウドプロバイダーのAPIを使用して基盤を管理します。

ワーカーノード

ワーカーノードは、アプリケーションのコンテナが動作するノードです。ワーカーノードは、クラスタ内でのワークロードの実行を担当します。主なコンポーネントは以下の通りです。

kubelet
- 各ノード上で動作し、Podの実行を管理します。
kube-proxy
- Kubernetes Serviceに基づいて、各Nodeでネットワークプロキシを実行します。
Container Runtime
- コンテナを実行するためのソフトウェアです（例: Docker, containerd）。

[コントロールプレーン] <----> [ワーカーノード]
(kube-apiserver, etcd, ...)     (kubelet, kube-proxy, ...)

これらのコンポーネントが連携することで、Kubernetesクラスタはアプリケーションのデプロイ、スケーリング、管理などを効果的に行えます。

Kubernetesの基本コンポーネント

Node

Nodeは、Kubernetesクラスタ内のワーカーマシンです。これは、VM（仮想マシン）または物理マシンである可能性があります。各Nodeは、Podをホストします。

Pod

Podは、Kubernetesでのデプロイ単位です。これは、1つ以上のコンテナを含むことができます。Pod内のコンテナは、同じネットワークおよびストレージ（ボリューム）を共有します。

Container

Containerは、アプリケーションのランタイムです。これは、アプリケーションとその依存関係を包含し、ホストOSから隔離されます。

Service

Serviceは、Podの動的な性質に対処し、消費者からPodへのネットワークトラフィックをルーティングします。Serviceは、消費者が一貫したアドレスでPodにアクセスできるようにします。

Deployment

Deploymentは、Podのデプロイメントとスケーリングを管理します。これにより、アプリケーションのアップデートとロールバックが容易になります。

AWSサービスとの統合

Amazon RDS

Amazon RDS（Relational Database Service）は、AWSが提供するマネージドリレーショナルデータベースサービスです。これにより、データベースの設定、運用、スケーリングが容易になります。

Amazon S3

Amazon S3（Simple Storage Service）は、インターネットを通じてストレージを提供するサービスです。S3バケットを使用して、任意の量のデータを保存および取得できます。

Amazon IAM

Amazon IAM（Identity and Access Management）は、AWSリソースへのアクセスをセキュアにコントロールできるサービスです。IAMを使用して、ユーザーおよびグループを作成し、アクセス許可を使用してAWSリソースへのアクセスを許可または拒否できます。

Amazon CloudWatch

Amazon CloudWatchは、AWSおよびオンプレミスのアプリケーション、サービス、リソースのモニタリングおよび管理を可能にするサービスです。

実践チュートリアル：EKS, RDS, S3, IAMの統合

セットアップ

AWS CLI、kubectl、eksctlなど、必要なツールをインストールします。また、AWSアカウントと、AWS CLIで使用する認証情報を設定します。

aws configure

EKSクラスタの作成

eksctlを使用して、EKSクラスタを作成します。

eksctl create cluster --name my-cluster

RDSインスタンスの作成

AWS Management ConsoleまたはAWS CLIを使用して、RDSインスタンスを作成します。セキュリティグループとサブネットを適切に設定し、DBインスタンスにアクセスできるようにします。

aws rds create-db-instance --db-instance-identifier mydbinstance --db-instance-class db.t2.micro --engine mysql --master-username admin --master-user-password password --allocated-storage 20

S3バケットの作成

AWS CLIまたはAWS Management Consoleを使用して、S3バケットを作成します。

aws s3api create-bucket --bucket my-bucket-name --region us-west-2

IAMロールとKubernetes Service Accountの関連付け

IAMロールをKubernetesのService Accountに関連付けることで、クラスタ内のPodがAWSのサービスへアクセスできるようになります。以下に、IAMロールとKubernetes Service Accountの関連付けの手順を示します。

IAMロールの作成
AWS Management ConsoleまたはAWS CLIを使用して、IAMロールを作成します。
```
aws iam create-role --role-name MyEKSRole --assume-role-policy-document file://trust-policy.json
```

ポリシーのアタッチ
必要なポリシーをIAMロールにアタッチします。

aws iam attach-role-policy --role-name MyEKSRole --policy-arn arn:aws:iam::aws:policy/AmazonS3ReadOnlyAccess

OIDC IDプロバイダーの作成
EKSクラスタに対してOIDC IDプロバイダーを作成します。
```
aws eks describe-cluster --name my-cluster --query "cluster.identity.oidc.issuer" --output text
```

-- 以下補足 --
OIDCは、OpenID Connectの略で、認証情報の安全な伝達を可能にするプロトコルです。IDプロバイダー（Identity Provider、IdP）は、ユーザーのIDを提供するサービスで、OIDC IDプロバイダーは、OpenID Connectプロトコルを用いてID情報を提供するサービスを指します。
認証情報はkubernetesリソースへのアクセスにの際に使用されます。

Service Accountの作成
関連付けるService AccountをKubernetesクラスターに作成します。

apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: my-serviceaccount
  namespace: default

kubectl apply -f serviceaccount.yaml

IAMロールとService Accountの関連付け
IAMロールとService Accountを関連付けます。

eksctl create iamserviceaccount --region us-west-2 --name my-serviceaccount --namespace default --cluster my-cluster --attach-policy-arn arn:aws:iam::aws:policy/AmazonS3ReadOnlyAccess --approve

アプリケーションのデプロイ

アプリケーションのデプロイは、コンテナ化されたアプリケーションをKubernetesクラスターに展開するプロセスです。以下に、EKSクラスターにアプリケーションをデプロイする具体的な手順を示します。

1. コンテナイメージのビルド

まず、Dockerを使用してアプリケーションのコンテナイメージをビルドします。以下は、Dockerfileを使用してイメージをビルドし、Amazon ECRにプッシュする例です。

# Dockerイメージをビルド
docker build -t myapp .

# ECRリポジトリにログイン
aws ecr get-login-password --region <region> | docker login --username AWS --password-stdin <account-id>.dkr.ecr.<region>.amazonaws.com

# イメージをECRリポジトリにタグ付け
docker tag myapp:latest <account-id>.dkr.ecr.<region>.amazonaws.com/myapp:latest

# イメージをECRにプッシュ
docker push <account-id>.dkr.ecr.<region>.amazonaws.com/myapp:latest

2. デプロイメントの作成

次に、Kubernetesデプロイメントを作成します。デプロイメントは、アプリケーションのインスタンスを管理し、スケーリングとアップデートを行います。以下は、デプロイメントのYAMLマニフェストの例です。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: myapp-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
    spec:
      containers:
      - name: myapp-container
        image: <account-id>.dkr.ecr.<region>.amazonaws.com/myapp:latest
      serviceAccountName: myapp-service-account

このマニフェストをmyapp-deployment.yamlとして保存し、kubectl applyコマンドを使用してクラスターにデプロイします。

kubectl apply -f myapp-deployment.yaml

3. サービスの作成

最後に、作成したデプロイメントにアクセスするためのKubernetesサービスを定義します。以下は、サービスのYAMLマニフェストの例です。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: myapp-service
spec:
  selector:
    app: myapp
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 8080
  type: LoadBalancer

このマニフェストをmyapp-service.yamlとして保存し、kubectl applyコマンドを使用してクラスターにデプロイします。

kubectl apply -f myapp-service.yaml

これで、アプリケーションがEKSクラスターにデプロイされ、外部からアクセス可能になります。

テストと検証

アプリケーションのデプロイが成功したら、テストと検証を行います。

エンドポイントの確認
ServiceやIngressを使用してエクスポーズされたアプリケーションのエンドポイントを確認します。
```
kubectl get service my-service
```
アプリケーションへのアクセス
エンドポイントにアクセスしてアプリケーションの動作を確認します。ブラウザやcurlコマンドを使用してHTTPリクエストを送信できます。
```
curl http://<ServiceのIPまたはドメイン>
```
ログの確認
Podのログを確認して、アプリケーションの動作やエラーを確認します。
```
kubectl logs <Podの名前>
```

トラフィックのルーティングとネットワーク

トラフィックの基本的な流れ

Kubernetesでは、トラフィックのルーティングはServiceオブジェクトを通じて行われます。Serviceは、クラスタ内外からのトラフィックを適切なPodにルーティングします。

NodePortとは

NodePortは、外部トラフィックをクラスタ内の特定のServiceにルーティングする一つの方法です。NodePortは、各Nodeの特定のポートを外部からアクセス可能にし、そのトラフィックをServiceに転送します。

iptablesとipvs

iptablesとipvsは、Linuxカーネルのネットワーク機能です。これらは、トラフィックの転送や負荷分散など、トラフィックのルーティングに利用されます。

Pod内のコンテナ間の通信

Pod内のネットワーク

Pod内のコンテナは同じネットワーク名前空間を共有し、localhostを通じて互いに通信できます。また、Pod内の各コンテナは、別々のネットワークポートを割り当てられます。

コンテナ間の通信の例

Pod内に複数のコンテナが存在する場合、例えば、コンテナAが80番ポートを使用している場合、コンテナBは80番ポートを使用できません。コンテナBは別のポート（例：8080）を使用する必要があります。

質疑応答

PodとContainerの関係

Podは、1つ以上のコンテナをホストすることができ、これらのコンテナは同じネットワークとストレージを共有します。

NodeとPodの関係

Nodeは、Kubernetesクラスタ内のワーカーマシンであり、Podをホストします。Podは、Node上でスケジュールされ、実行されます。

Serviceの役割

Serviceは、動的に変化するPodのIPアドレスを抽象化し、一貫したエンドポイントを提供します。これにより、クライアントはServiceのIPアドレスとポートを使用して、バックエンドのPodにアクセスできます。

Pod内のルーティング

Pod内のコンテナ間のルーティングは、ポート番号を使用して行われます。各コンテナは異なるポート番号を持ち、これを使用して通信します。

終わりに

まとめ

本チュートリアルでは、KubernetesとAWSサービス（Amazon EKS、RDS、S3、IAM）を組み合わせて使用する方法を学びました。これにより、スケーラブルでセキュアなアプリケーションの構築とデプロイが可能になります。

Kubernetesのデプロイメントによって、アプリケーションはクラスタ内の異なるノードに分散配置され、高可用性とスケーラビリティが実現されます。Serviceを使用することでアプリケーションは外部からアクセス可能となり、IAMロールとService Accountの関連付けによって、PodからAWSサービスへの安全なアクセスが可能になります。

RDSを使用することで、データベースは分離され、管理が容易になります。また、S3を使用することで、大量のオブジェクトデータのストレージと管理が可能となります。これらのサービスを適切に組み合わせることで、効率的で効果的なアプリケーションの運用が可能です。

蛇足

Kubernetesの構成要素は、いくつかの階層や層を形成しており、それぞれが異なる役割を果たします。以下は、Kubernetesの主要な構成要素をツリー図で表現したものです。

Kubernetes Cluster
│
├── Node
│   │
│   ├── Pod
│   │   │
│   │   ├── Container
│   │   └── Service Account
│   │
│   └── Kubelet (Node Agent)
│
├── Service
│   └── Selector (PodのLabelを指定)
│
├── Deployment
│   └── ReplicaSet
│       └── Pod
│           └── Container
│
└── Namespace
    ├── Pod
    ├── Service
    ├── Deployment
    └── Service Account

Node:
- クラスタ内の個々のマシンを表します。これは、VMまたは物理マシンである可能性があります。
Pod:
- 1つ以上のコンテナを含むKubernetesの最小実行単位です。
Container:
- コンテナ化されたアプリケーションが実行される場所です。
Service Account:
- PodがKubernetes APIにアクセスする際のアイデンティティです。
Kubelet:
- Node上で実行されるエージェントで、Node上のPodの実行を管理します。
Service:
- ネットワーク経由でPodにアクセスするための抽象化された手段を提供します。
Deployment:
- アプリケーションのデプロイやスケーリング、アップデートを管理するためのリソースです。
ReplicaSet:
- Podのコピーを一定数維持することを保証します。
Namespace:
- クラスタ内のリソースを論理的に分割するためのメカニズムです。

このツリー図を使用して、Kubernetesの各コンポーネントとその関連性を視覚的に理解することができます。

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目次

はじめに

Kubernetes（K8s）の基本

AWSサービスの概要

AWSにおけるKubernetes（Amazon EKS）

Amazon EKSの利点

Amazon EKSの構成

コントロールプレーン

ワーカーノード

Kubernetesの基本コンポーネント

Node

Pod

Container

Service

Deployment

AWSサービスとの統合

Amazon RDS

Amazon S3

Amazon IAM

Amazon CloudWatch

実践チュートリアル：EKS, RDS, S3, IAMの統合

セットアップ

EKSクラスタの作成

RDSインスタンスの作成

S3バケットの作成

IAMロールとKubernetes Service Accountの関連付け

アプリケーションのデプロイ

1. コンテナイメージのビルド

2. デプロイメントの作成

3. サービスの作成

テストと検証

トラフィックのルーティングとネットワーク

トラフィックの基本的な流れ

NodePortとは

iptablesとipvs

Pod内のコンテナ間の通信

Pod内のネットワーク

コンテナ間の通信の例

質疑応答

PodとContainerの関係

NodeとPodの関係

Serviceの役割

Pod内のルーティング

終わりに

まとめ

蛇足