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@kuraboshi

【備忘録】Kubernetesの仕組みを整理する

Last updated at Posted at 2020-09-26

#本記事の目的
社内でのDevOps検証に合わせて、Kubernetesの基礎知識を学び、アウトプットとして備忘録を記す。
本記事ではKubernetesのアーキテクチャ、操作方法、及び基本リソースの概念について説明する。

#クラスタのアーキテクチャ
※Control Planeのコンポーネントは赤、(Worker) Nodeのコンポーネントは青で記載する。

image.png

###1. etcd

  • KVS(KeyとValueを組み合わせる構造を持つデータストア)の一種。
  • etcdctlコマンドで操作可能。
  • Kubernetesでは、etcdがクラスターに関連するオブジェクト(ノード、ポッド等)の情報を保持する。

###2. kube-apiserver

  • KubernetesのAPIを提供するコンポーネント。
  • ユーザーの認証/リクエストの検証/etcdからのデータ取り込み/etcdのアップデート/kube-schedulerとの通信/kubeletとの通信を実施する。
  • Kubernetesのコンポーネントの中で、唯一etcdと直接通信が可能である。

###3. kube-controller-manager

  • Kubernetesのオブジェクトを処理するコントローラを実行するコンポーネント群。
  • ステータスの監視、(必要に応じて)オブジェクトの修復を実施する。
  • オブジェクトを処理するために様々なコントローラーが用意されている。ex.)Node-Controller,Replicaset-Controller

###4. kube-scheduler

  • Podを適切なNodeに割り当てるコンポーネント。
  • spec.nodeName(起動するノード情報)が割り当てられていないPodを検知し、kube-apiserverにリクエストを送る事でspec.Nodenameを更新する。

###5. kubelet

  • container runtimeに命令する事で、Podの起動/監視を実施するエージェント。
  • kubeletによるPodの起動方法は、以下の2種類。
    • kube-schedulerによるPodの割り当てに従い、自身のNode上でPodを起動させる。(デフォルト)
    • Nodeの特定のパスにManifestファイルを配置する事で、自身のNode上でPodを起動させる。(Static Pod)

###6. kube-proxy

  • Service宛のトラフィックをPodに転送する事で、Podのルーティングを実施するコンポーネント。

###7. container runtime

  • kubeletからの命令を受け、コンテナを実際に操作するコンポーネント。
  • Docker, containerd, cri-o等様々な種類が存在する。

#クラスタの操作方法
###1. kubectlとmanifest

  • クラスタを手動で操作する場合は、KubernetesのCLIツールであるkubectlコマンドと、オブジェクトが定義されたmanifestファイルを用いる事が一般的である。
  • クラスタでの一部の操作は、kubectlコマンドのみでも可能である。
  • manifestファイルはYAML形式及びJSON形式での記載が必須である。一般的にYAML形式が用いられる。

###2. 命令型と宣言型

  • kubectlコマンドによる操作は、命令形と宣言型に分かれる。

  • 命令型は、コマンド自身が具体的なクラスタ操作内容を指定する。コマンドが実施されると、コマンドで指定されたクラスタ操作内容に従って、特定のクラスタ操作が実施される。kubectl apply以外のコマンドが該当する。

  • 宣言型は、コマンド自身は具体的なクラスタ操作内容を指定しない。コマンドが実施されると、指定されたmanifestファイルが履歴として保存される。また前回保存されたmanifestファイルの履歴と、コマンドで指定されたmanifestファイルの内容の差分を基に、適切なクラスタ操作が実施される。kubectl applyコマンドのみが該当する。

$ kubectl apply -f [manifestファイル名]

#Kubernetesの基本リソース
###1. Pod

  • Kubernetesにデプロイ出来る最小単位のリソース。
  • 1つ以上のコンテナで構成される。
  • Pod内のコンテナは、同一のNICとストレージを共有する。
  • manifestファイルを用いずに、以下のコマンドでPodを作成できる。
$ kubectl run [任意のPod名] --image=[コンテナイメージ名]
  • manifestファイルを用いてPodを作成する場合、主に以下のフィールドを指定する必要がある。
フィールド名 設定内容
apiVersion Kubernetes APIにおける、オブジェクトが属するグループ及びバージョン。 ex.)v1, apps/v1
kind オブジェクトの種類。 ex.) Pod, Replicaset, Deployment
metadata　 オブジェクトの基本情報。nameフィールドには任意のオブジェクト名を指定する。labelsフィールドには任意のラベル名を指定する。
spec　 オブジェクトの状態。containers > nameフィールドには任意のコンテナ名を指定する。containers > imageフィールドには任意のコンテナイメージ名を指定する。
  • manifestファイル例
pod.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: sample-pod
  labels:
    app: sample-app
spec:
  containers:
  - name: sample-container
    image: nginx

###2. ReplicaSet

  • 指定した数のPodを複製し、維持し続けるリソース。
  • 1つ以上のPodで構成される。
  • manifestファイルを用いずに、既存のオブジェクトを対象として、Podを複製できる。
$ kubectl scale [対象のオブジェクトの種類] [対象のオブジェクト名] --replicas=[Podの複製数]
  • manifestファイルを用いてReplicaSetを作成する場合、Podで必要なフィールドに加えて、主にspecフィールド配下に以下のフィールドを指定する必要がある。
フィールド名 設定内容
replicas Podの複製数。
selector Labelを選択するための設定。matchLabelsフィールドを設定すると等価ベースで比較し、指定したLabelと全て一致したものが対象となるように選択する。基本的にselector > matchLabelsフィールドの定義と、template > metadata > labelsフィールドの定義を一致させる必要がある。
template　 複製するPodの雛形。(内容はPodのmetadata及びspecと同一)
  • manifestファイル例
replicaset.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: ReplicaSet
metadata:
  name: sample-replicaset
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: sample-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: sample-app
    spec:
      containers:
      - image: nginx
        name: sample-container

###3. Deployment

  • 複数のReplicaSetを管理し、ローリングアップデートやロールバックを実現するリソース。
  • 1つ以上のReplicaSetで構成される。
  • manifestファイルを用いてDeploymentを作成する場合、ReplicaSetで必要なフィールドがそのまま必要となる。
  • manifestファイルを用いずに、以下のコマンドでDeploymentを作成できる。
$ kubectl create deployment [任意のDeployment名] --image=[コンテナイメージ名]
  • manifestファイル例
deployment.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: sample-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: sample-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: sample-app
    spec:
      containers:
      - image: nginx
        name: sample-container

###4. Namespace

  • クラスタを分離するリソース。
  • 初期状態では、以下3種類のNamespaceが存在する。
Namespace名 使用用途
kube-system Clusterに必須のコンポーネントが配置される。
kube-public 全ユーザが利用できる認証情報等が配置される。
default デフォルトで使用される。
  • ResourceQuotaリソースを用いる事で、Namespaceで使用できるCPU/メモリ/ストレージを制限できる。
  • manifestファイルを用いずに、以下のコマンドでNamespaceを作成できる。
$ kubectl create namespace [任意のNamespace名]
  • manifestファイル例
namespace.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Namespace
metadata:
  name: sample-namespace

###5. Service

  • 受信したトラフィックを複数のPodに負荷分散するリソース。
  • Serviceには様々な種類が存在するが、以下3種類が特に使用される事が多い。
Service名 機能
ClusterIP クラスタ内部でIPアドレスが払い出され、各々のPod間での通信を可能にする。
NodePort ClusterIPの機能に加え、クラスタ内部に存在する全てのNodeの特定のポートが受信したトラフィックを、各々のPodに転送する。
LoadBalancer NodePortの機能に加え、クラスタ外部に存在するロードバランサーが受信したトラフィックを、各々のNodeに分散させる。
  • manifestファイルを用いずに、既存のオブジェクトを対象として、以下のコマンドでServiceを作成できる。
$ kubectl expose [対象のオブジェクトの種類] [対象のオブジェクト名] --port=[使用するポート番号] --type=[Serviceの種類] --name=[任意のService名]
  • manifestファイルを用いてServiceを作成する場合、Podで必要なフィールドに加えて、specフィールド内に以下のフィールドを指定する必要がある。
フィールド名 設定内容
type Serviceの種類。デフォルトはClusterIP。 ex.) ClusterIP, NodePort, LoadBalancer
ports 使用するポート番号。portフィールドにはServiceで使用するポート番号を設定する。targetPortフィールドにはPodで使用するポート番号を設定する(デフォルトはportフィールドと同一のポート番号)。
selector　 トラフィックをルーティングするPodのラベル。Podのmanifestファイルのmetadata > labelsフィールドと同一の内容を記載する。
  • manifestファイル例
service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: sample-nodeport
spec:
  type: NodePort
  ports:
    - port: 80
      targetPort: 8080 
  selector:
    type: front-end

#感想
個人的に、Kubernetesでの検証を行う際は、操作方法や基本リソースはもちろんだが、加えてアーキテクチャを理解する事が重要であると考える。
去年もKubernetesの構築やトラブルシューティングを実施したが、もしアーキテクチャの知識があればより作業のスピードを上げられたように感じている。

また今後機会があれば、Container Runtimeのアーキテクチャについてもまとめてみたい。

#参考文献

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