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ラクスAdvent Calendar 2021Day 22
@t_okkanin株式会社ラクス

Knative Servingでサーバーレスを始める

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ラクスAdvent Calendar2021の22日目の記事を担当する@t_okkanです。前年のAdvent Calendar以来、1年ぶりのQiitaの投稿です。

最近お仕事でKubernetesを触っています。その中でKubernetes上でサーバーレスプラットフォームを構築できるKnativeを知り、入門してみました。

Knativeとは

KnativeはKubernetes上にサーバーレスなアプリケーションをデプロイ、実行、管理するためのプラットフォームです。

KubernetesとIstioなどのIngressを組み合わせてコンテナアプリケーションを手軽にデプロイすることができます。Kubernetesを使うことでクラウドプラットフォームに依存しないサーバーレス環境を構築できます。
オープンソースで開発されており、2021年11月にバージョン1.0がリリースされました。1元々は2018年からGoogleによって開発がされていましたが、バージョン1.0に上がると同時にCloud Native Computing Foundationに寄贈されました。2
KnativeはGCPのフルマネージドのコンテナ実行環境であるCloud Runの基盤ソフトウェアとして利用されています。3

すでにCNCFにはAzure Container Appsの基盤であるKEDAが採択されており、KnativeがCNCFに追加されたことによりサーバーレスコンピューティングの標準化が進むのではと期待しています。
今回はそんなKnativeのサーバーレスアプリケーションを公開する機能であるServingについて基本を理解し、ローカル環境で実際にサンプルアプリを動かしてみます。

Knativeの構成

Knativeは大きく分けてKnative ServingとKnative Eventingの2つのコンポーネントから構成されています。

Knative Eventingはイベントドリブンなアーキテクチャでアプリケーションを実行する機能を提供するコンポーネントです。元々はこの2つのコンポーネントに加えてKnative BuildというCIパイプラインのコンポーネントも存在しましたが、今は切り離されCI/CDパイプラインの構築ツールであるTektonとして独立して開発されています。4
今回はKnative Servingについて詳しくみていきます。

Knative Serving

Knative Servingはサーバーレスアプリケーションを公開し実行する機能を提供するコンポーネントです。コンテナアプリケーションをKubernetesのPodに配置し実行することができます。

Knative Servingの主な役割はオートスケーリングです。その中でも大きな特徴なのは、アクセスがない場合は起動しているPodの数を0にできるゼロスケーリングです。この機能により、エンドポイントにアクセスがあった時にPodを起動しアプリケーションを実行し、処理が終了すればPodを停止しPodの数を0までスケールインできます。そのため、ゼロスケーリングによりサーバーレス（リソースが不要）な状態になります。もちろんアクセスの負荷に合わせてスケールアウトも可能です。
オートスケーリング以外にも、リクエストを決められた割合で特定のPodに割り振るトラフィック機能などもあります。

Knative Serving の構成

Knative ServingはService、Route、Configuration、Revisionから構成されます。それぞれKubernetesのカスタムリソースとして定義する必要があります。

Knative Serving Overviewから引用

Revision

Revisionはコンテナアプリケーションのコード（コンテナイメージ）と設定ファイル（環境変数など）を管理します。このRevisionをもとにオブジェクトを作成しコンテナアプリケーションのデプロイやオートスケーリングを行います。RevisioinはImmutableであり、後述するConfigurationがRevisionのバージョンを管理しています。

Configuration

ConfigurationはRevisionを管理するコンポーネントです。Revisionのコードと設定ファイルを分離し、変更履歴を管理します。新しいアプリケーションがデプロイされると、Configurationが更新され新しいRevisionが作成されます。

Route

RouteはRevisionに対するHTTPリクエストのトラフィックの割り振りを管理します。Revisionが複数ある場合は、Revisionごとに割合を指定してトラフィックを分散させることができます。

Service

KubernetesのコンポーネントにもServiceがありますが、Knative ServingのServiceとは別物となります。
ServiceはRouteやConfigurationを管理し、Knativeのワークロード全体を制御します。

以上で、Knative Servingの基本的な説明は終わります。続いて実際にローカル環境でKnative Serivigを動かしサーバーレスアプリケーションをデプロイしてみます。

Knative Servingの実践

環境

本記事で利用するソフトウェアやツールは以下のバージョンになります。

  • Knative：1.1.0
  • Docker：20.10.8
  • Node.js：v14.16.0
  • kind：0.11.1
  • kubectl：1.21.3

Knativeのインストール

まずは以下の公式のページを参考にKnativeをインストールします。

今回はローカル環境のKubernetesクラスターにデプロイしていきます。Kubernetesクラスタはkind（Kubernetes in Dokcer）を利用し構築します。
では、kind、kubectl、Knative（kn）をbrewでインストールします。

$ brew install kind
$ brew install kubectl
$ brew install kn

今回はKnative quickstartを利用してKnative Servingの環境を構築します。

$ brew install knative-sandbox/kn-plugins/quickstart

本番環境でKnativeを利用する場合は、以下の構築手順を参考にしてください。

Knativeの起動

では必要な環境がそろいましたので、早速KnativeのKubernetesクラスタを構築していきます。以下のコマンドを実行して構築します。

$ kn quickstart kind
🎉 Now have some fun with Serverless and Event Driven Apps!
$ kind get clusters
knative

kind get clustersを実行してknativeというクラスターが作成されていれば完了です。（少し時間がかかります）

サンプルコンテナアプリの作成

Knative上で動作するサンプルのサーバーレスコンテナアプリケーションを作成します。今回は公式で公開されているNode.jsのサンプルアプリケーションを参考に作成します。

詳細は折り畳みで非表示にしますので、公式のGithubか以下の折り畳みを表示して作成してください。（Docker Hubでイメージを公開するためアカウントが必要です）

サンプルコンテナアプリの作成

Node.jsアプリケーションの作成

以下のGithubを参考にNode.js(Express)のサンプルアプリケーションを作成します。

https://github.com/knative/docs/tree/main/code-samples/serving/hello-world/helloworld-nodejs

Node.jsのプロジェクトを作成し、expressをインストールします。

$ mkdir knative-service-sample
$ cd knative-service-sample
$ npm inint -y
$ npm install express

アプリケーションのコードとなるindex.jsは以下のような実装になります。

  • index.js
index.js
const express = require('express');
const app = express();

app.get('/', (req, res) => {
  console.log('Knative service sample');

  const target = process.env.TARGET || 'World';
  res.send(`Hello ${target}`);
});

const port = process.env.PORT || 8080;
app.listen(port, () => {
  console.log(`Knative service sample listening on ${port}`);
})

package.jsonにnpmのscriptを追加します。

  • package.json
package.json
{
  "name": "knative-service-sample",
  "version": "1.0.0",
  "description": "",
  "main": "index.js",
  "scripts": {
    "start": "node index.js"
  },
  "keywords": [],
  "author": "",
  "license": "ISC",
  "dependencies": {
    "express": "^4.17.2"
  }
}

Dockerイメージ作成

こちらも公式のGithubを参考に、Node.jsアプリケーションのDockerイメージをビルドし、Docker Hubにpushします。

  • Dockerfile
Dockerfile
FROM node:12-slim
WORKDIR /usr/src/app
COPY package*.json ./
RUN npm install --only=production
COPY . ./
CMD [ "npm", "start" ]
  • .dockerignore
.dockerignore
Dockerfile
README.md
node_modules
npm-debug.log

イメージをビルドし、Docker Hubにpushします。（{your name}のところをご自身のDocker Hubのユーザーネームに変更してください）

$ docker build -t {your name}/kind-service-sample .
$ docker push {your name}/kind-service-sample

以上でアプリケーションの準備は完了です。

サーバーレスアプリケーションのデプロイ

では作成したコンテナアプリケーションをKnativeの基盤上にデプロイし、サーバーレスなアプリケーションの実行とゼロスケーリングの確認をしていきます。

まずは対比用に同じコンテナアプリケーションを実行するPodを作成しデプロイします。
以下のようなyamlファイルを作成しPodを作成します。

  • pod.yml
pod.yml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: sample-pod
spec:
  containers:
    - name: sample-pod
      image: docker.io/{your name}/knative-service-sample
      env:
        - name: TARGET
          value: "Pod sample v.1.0"

$ kubectl apply --filename pod.yml
$ kubectl get pod
NAME         READY   STATUS    RESTARTS   AGE
sample-pod   1/1     Running   0          52s

kubectl get podでsample-podと表示されれば完了です。
続いてKnativeでコンテナアプリケーションをデプロイするための設定ファイルを作成します。

  • service.yml
service.yml
apiVersion: serving.knative.dev/v1
kind: Service
metadata:
  name: knative-service-sample
  namespace: default
spec:
  template:
    spec:
      containers:
        - image: docker.io/{your name}/knative-service-sample
          env:
            - name: TARGET
              value: "Knative service sample v.1.0"

作成できればKubernetesクラスターにKnative Serviceを作成します。

$ kubectl apply --filename service.yml
service.serving.knative.dev/knative-service-sample created

確認用のコマンドとして以下のコマンドを実行し、defaultのNamespaceに構築されるPodを追跡します。

$ kubectl get -w pods -n default
NAME                                                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-zjdkd   2/2     Running   0          39s
sample-pod                                                 1/1     Running   0          90s
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-zjdkd   2/2     Terminating   0          61s
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-zjdkd   0/2     Terminating   0          91s

下記のようにkanative-service-sampleのSTATUSが、起動時のRunnning（コンテナが実行されている状態）からTerminating（コンテナが停止している状態）になっていると思います。
Knativeでは起動後にアクセスがなければ自動でゼロスケーリングします。

Knative Serviceの作成が完了すれば、エンドポイントを確認します。以下のコマンドを実行しknative-service-sampleのURLを取得します。

$ kubectl get ksvc knative-service-sample  --output=custom-columns=NAME:.metadata.name,URL:.status.url
NAME                     URL
knative-service-sample   http://knative-service-sample.default.127.0.0.1.sslip.io

URLが取得できれば、実際にアクセスしてPod数0からのオートスケーリングとゼロスケーリングを確認します。curlを利用してエンドポイントにアクセスします。

$ curl http://knative-service-sample.default.127.0.0.1.sslip.io
Hello Knative service sample v.1.0⏎

上記のようにExpressのアプリケーションのレスポンスが返ってくれば成功です。

Podの監視の方では以下のように、アクセスが発生するとknative-service-sampleのPodが生成されSTATUSがPending → Runningに変化していることがわかるかと思います。PendingからRunningまで約1秒で完了できます。初回アクセスは少し遅くなりますが、2回目以降はすぐにレスポンスが返ってきます。
その後しばらくアクセスがないとPodの状態がTerminatingとなり、Pod数が0になります。

$ kubectl get -w pods -n default
NAME                                                       READY   STATUS    RESTARTS   AGE
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-zjdkd   2/2     Running   0          39s
sample-pod                                                 1/1     Running   0          90s
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-zjdkd   2/2     Terminating   0          61s
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-zjdkd   0/2     Terminating   0          91s
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-zjdkd   0/2     Terminating   0          91s
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-zjdkd   0/2     Terminating   0          91s
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-dzqj2   0/2     Pending       0          0s　　　　　⬅️ アクセスを検知しPodを起動
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-dzqj2   0/2     Pending       0          0s
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-dzqj2   0/2     ContainerCreating   0          0s
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-dzqj2   1/2     Running             0          1s  ⬅️ Podが起動され処理が開始
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-dzqj2   2/2     Running             0          2s
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-dzqj2   2/2     Terminating         0          63s ⬅️ アクセスがないためPodを削除
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-dzqj2   0/2     Terminating         0          94s
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-dzqj2   0/2     Terminating         0          94s
knative-service-sample-00001-deployment-754d685b84-dzqj2   0/2     Terminating         0          94s

Knativeを終了する

Knativeを使い終わったら以下のコマンドでクラスターを停止します。結構リソースを消費するので利用しない時は停止をお勧めします。

$ kn service delete knative-service-sample

最後に

Knativeをローカル環境に構築し、簡単なサンプルアプリケーションを動かしてみました。今回はKnative Servingだけを触りましたが、Knative Eventingの方も触っていきたいと思います。

  1. Knative 1.0 is out! ↩

  2. Knative joining the CNCF ↩

  3. マネージド Knative サービスの Cloud Run を一般提供開始 ↩

  4. Migrating from Knative Build ↩

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