はじめに

kubernetes関連の業務を担当していると時折聞いていたknativeについて今回調べて検証してみました。
knativeの検証はサーバレスの部分のみとし、最近はやっているChatGPT (GPT 4o)を利用してできるだけ楽をします。

Knativeとは

Kubernetes上でのサーバーレス環境を実現するためのソフトウェアです。
主なコンポーネントは以下2つ。 (場合によってはFunctionsが含まれて3つとしていることもあるが、ここでは2つとしている)

Serving
- サーバレスアプリケーションのデプロイを可能にする
- Servingには主に4つのリソースがある
  - Services
  - Routes
  - Configurations
  - Revisions
Eventing
- イベント駆動型のアーキテクチャを構築する際に利用
  - 今回は検証の対象外
- Servingの機能を補強するイメージ
  - （イベント駆動型のアーキテクチャとサーバレスの相性がいいためKnativeの主なコンポーネントになっている認識です）

Serving 4つのリソース

Services
- アプリケーションのデプロイと管理のためのリソース
- Routes, Configurationsを管理する
Routes
- アプリの異なるバージョン（リビジョン）へのトラフィックを制御
Configurations
- アプリのデプロイ設定を保持し、更新時に新しいリビジョンを作成
- Revisionsを管理する
Revisions
- デプロイされた設定を保持
- このリソースは不変

図. Knative Servingコンポーネント
出典：https://knative.dev/docs/concepts/#what-is-knative

上記リソースの関係を文字だけでまとめると以下になります。
Services (管理)-> Routes
Services (管理)-> Configurations
Configurations (管理)-> Revisions

検証準備

ということでKnativeのServingを検証するための環境を構築していきます。
Kubernetes環境を構築するところから始めますが、インストール自体は省略します。具体的なインストール方法については適宜記載するURLを参照ください。

実行環境とソフトウェア

検証に利用したソフトウェアとバージョンを以下に列挙します。また、Container RegistoryにはDocker Hubを使用しました。

実行環境

Windows 11
wsl ubuntu

利用ソフトウェア

knative 1.14.0
kubernetes v1.30.0
kubectl v1.29.2
Docker Desktop 4.30.0
docker 26.1.1
kind v0.17.0
Python 3.11.9
Flask 2.2.5 (Pythonのweb framework)

GitHub

今回使う資材は以下に置いてあります。

https://github.com/hsmto25519/Flask_webapp

kindを利用してkubernetesクラスタを構築

kindを使ってkubernetesクラスタを構築します。configファイルを準備すればすぐに作成できます。
kindインストールはこちら：https://kind.sigs.k8s.io/docs/user/quick-start/

kind: Cluster
apiVersion: kind.x-k8s.io/v1alpha4
name: my-cluster
nodes:
- role: control-plane
  image: kindest/node:v1.30.0
- role: worker
  image: kindest/node:v1.30.0

実行します。

kind create cluster --config .\config.yaml

アプリの作成

ChatGPTに「postメソッドで加算する」、「Flaskを使ったPython」を指定してプログラムを出力し、細かいところを修正しただけです。
最終的に以下のようになりました。(ブラウザからの確認用にhello関数を追加してます)

from flask import Flask, request, jsonify

app = Flask(__name__)

@app.route('/add', methods=['POST'])
def add():
    data = request.get_json()
    num1 = data.get('num1')
    num2 = data.get('num2')
    if num1 is None or num2 is None:
        return jsonify({"error": "Please provide num1 and num2"}), 400
    try:
        sum = float(num1) + float(num2)
    except ValueError:
        return jsonify({"error": "Invalid numbers"}), 400
    return jsonify({"sum": sum})

@app.route('/hello', methods=['GET'])
def hello():
    return "hello!"

if __name__ == '__main__':
    app.run(host='::', port=8080)

動作確認です。想定通り動いていることを確認できました。

python add.py
 * Serving Flask app 'add'
 * Debug mode: off
WARNING: This is a development server. Do not use it in a production deployment. Use a production WSGI server instead.
 * Running on all addresses (::)
 * Running on http://[::1]:8080
Press CTRL+C to quit

curl localhost:8080/hello
hello!

curl -H "Content-Type: application/json" -d '{"num1":"4","num2":"5"}' localhost:8080/add
{"sum":9.0}

Knative検証

Knative インストール

まずはKnativeをインストールするところからやります。
今回はKnative-Operatorを使います。
https://knative.dev/docs/install/operator/knative-with-operators/#install-the-knative-operator

kubectl apply -f https://github.com/knative/operator/releases/download/knative-v1.14.2/operator.yaml

# "knative-operator" があるかを確認
kubectl get deployment -A

Serving リソースを使えるように以下のファイルを適用します。

# knativeserving.yaml
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: knative-serving
---
apiVersion: operator.knative.dev/v1beta1
kind: KnativeServing
metadata:
  name: knative-serving
  namespace: knative-serving

kubectl apply -f knativeserving.yaml

コンポーネントがデプロイされるまでに少し時間がかかるので待機。各コンポーネントは以下で確認可能

kubectl get deployment -n knative-serving
NAME                     READY   UP-TO-DATE   AVAILABLE   AGE
activator                1/1     1            1           7d
autoscaler               1/1     1            1           7d
autoscaler-hpa           1/1     1            1           7d
controller               1/1     1            1           7d
net-contour-controller   1/1     1            1           7d
webhook                  1/1     1            1           7d

アプリのデプロイ

Knativeのインストールができたらアプリをデプロイして疎通確認します。
アプリをKubernetes上にデプロイするためにはDocker Image化とそのImageをContainer Registryに格納必要があります。

まずはDockerfileを作成します。
ChatGPTにDockerfileを出力してもらいました。

requirements.txt(Dockerfileのビルドに必要)

Flask==2.2.5

FROM python:3.11-slim

# Set the working directory
WORKDIR /app

# Copy the requirements file to the working directory
COPY requirements.txt .

# Install the dependencies
RUN pip install --no-cache-dir -r requirements.txt

# Copy the rest of the application code
COPY ./src .

# Expose the port the app runs on
EXPOSE 8080

# Define the command to run the app
CMD ["python", "add.py"]

Imageのビルドをします。今回はDocker Hubを利用するので以下のような形式になります。

docker build -t <username>/web-app:v1
docker push <username>/web-app:v1

※DockerHubの補足。docker imageをアップロードする際にログインが必要な場合は以下の手順でアクセストークンを取得してからdocker imageをアップロードする。
「My Account」 -> 「Security」 -> 「Access Tokens」

# 以下は
docker login -u <username>
Login with your Docker ID to push and pull images from Docker Hub. If you don't have a Docker ID, head over to https://hub.docker.com to create one.

Knativeのマニフェストファイルを作成してアプリをデプロイします。

add.yaml

apiVersion: serving.knative.dev/v1
kind: Service
metadata:
  name: test-web-app-serverless
  namespace: webapp
spec:
  template:
    spec:
      containers:
        - image: <username>/web-app:v1.0.1
          ports:
            - containerPort: 8080
          readinessProbe:
            httpGet:
              path: /hello
              port: 8080
            initialDelaySeconds: 10
            periodSeconds: 30

kubectl apply -f add.yaml

これでKnative上にデプロイされたアプリにアクセスできるようになりました。
kubernetes上に疎通確認用のPodを作成します。

kubectl --rm -it run conn-test --image=nginx -- bash

# 疎通確認
curl http://test-web-app-serverless.webapp.svc.cluster.local/hello
hello!
root@nginx:/# curl -H "Content-Type: application/json" -d '{"num1":"4","num2":"5"}' test-web-app-serverless.webapp.svc.cluster.local/add
{"sum":9.0}

検証は以上になります。
今回はネットワークの設定をしていないので、外部からのアクセスができませんが、Ingressを設定することで外からの疎通も可能です。

まとめと余談

knativeの概要を説明し、実際にkubernetes環境の構築からアプリケーションの作成を含め準備しました。
その後、knativeを使って実際にアプリケーションをデプロイし、疎通確認まで行いました。

余談ですが、当初は一言で言えば「knative with wasmをChatGPTに質問するだけで作ってみた」のような記事を書きたかったです。
しかし、Axumを使ってRustのwebappを作成するところは簡単にできたのですが、それをwasmにコンパイルするのがChatGPTに質問するだけでは難しく、またトラブルシュートもRustの知識がかなりないと厳しかったです。Rust on Wasmはあきらめ、Python on Wasmをpy2wasmを使って実装を試みました。
https://wasmer.io/posts/py2wasm-a-python-to-wasm-compiler
余談の余談になってしまうのですが、pythonの場合はwasmを使うよりもpythonを実行した方がはやいんですかね。上記ページではCpython (Native)がwasmを使った実装よりもパフォーマンスがよい。wasm周りに詳しい方いらっしゃいましたら教えてください。。。

py2wasmでのwasm実装は実行時にエラーが出てしまい、デバッグ方法が全く分からなかったのであきらめました。ChatGPTに聞いてもよい返事を得られませんでした。

$ pip install py2wasm
$ py2wasm <myflaskapp>.py -o <myflaskapp>.wasm  # <-ここまではうまくいく
$ wasmer run <myflaskapp>.wasm  # <- ここで失敗する

という感じでwasmをあきらめて結局knativeの検証となりました。

検証後、knativeについて体系的に理解したいと思い以下の書籍を読みましたが、非常に良かったです。執筆時一部参考にさせていただいてます。

Knative実践ガイド (impress top gear)
https://www.amazon.co.jp/Knative%E5%AE%9F%E8%B7%B5%E3%82%AC%E3%82%A4%E3%83%89-impress-top-gear-%E5%B0%8F%E9%87%8E/dp/4295016357

以上です。最後までお読みいただきありがとうございました。

参考

書籍
- Knative実践ガイド (impress top gear)
  https://www.amazon.co.jp/Knative%E5%AE%9F%E8%B7%B5%E3%82%AC%E3%82%A4%E3%83%89-impress-top-gear-%E5%B0%8F%E9%87%8E/dp/4295016357
リンク
- Knative Concepts
  https://knative.dev/docs/concepts/
- Knative Operator install
  https://knative.dev/docs/install/operator/knative-with-operators/#install-the-networking-layer