GKE & Cloud Spanner 勉強会のまとめ

この記事はGKE & Cloud Spanner 勉強会【基礎編】に参加してきたまとめです。

• 日時：2020年1月21日 17:00 - 20:00
• 場所：Google六本木オフィス＠六本木ヒルズ
• ハッシュタグ：#gke_spanner

セッション 1 : GKE 入門

本セッションでは、Kubernetes・GKE を利用するにあたっての基礎をお話します。Kubernetes は敷居が高いと思っている方も多いと思います。実際にどのように利用するのか、どのようなコンポーネントが存在するのか、デモを交えてご紹介します。

• 資料：GKE入門

コンテナとKubernetes

• コンテナについて
  • Googleでは10年くらい全てのサービスをコンテナで動かしてきた。
  • 毎週40億以上のコンテナを立ち上げている。
  • 運用が楽
    • Googleではコンテナを運用することで、ワークロードが増えるのに大して人の増加よりも10倍早くコンテナが増えていった。
  • アプリとインフラを疎結合にすることが可能
  • 環境に依存せずにデプロイが可能
• なぜコンテナ？
  • 軽量、ポータブル、効率性
• コンテナのライフサイクル
  • Dockerfileの作成
  • コンテナImageの作成
  • コンテナImageをレジストリにPush
  • レジストリからdocker pull, docker runしてホストサーバーで実行
• コンテナ管理にはいくつか課題がある
  • 複数のNodeにどうやってコンテナをデプロイする？
  • Nodeがダウンしたらどうする？
  • コンテナに障害が発生したらどうする？
  • アプリケーションの更新はどうする？
  • コンテナ間の通信はどうする？
• そこでKubernetesによるCluster管理がオススメです。
• Kubernetesとは？
  • the open source cluster manager from Google
  • オープンソースのコンテナオーケストレーションシステム
  • Kubernetesとはギリシャ語で操舵手の意味
  • 略称は"k8s"
  • Go言語で書かれている
• Kubernetesが主に出来ること
  • コンテナをホストする（コンテナを動かす）
  • コンテナのスケジューリング（どこに配置するか決める）
  • （負荷が増えたら）オートスケール
  • （壊れたら）オートヒーリング
  • （新しいアプリに置き換えたい）ローリングアップデート
• 宣言型モデルになっている
  • マニフェストという設定ファイルを使う
  • 従来の命令型APIとは違い処理（How）を書くのではなく、最終的にどういう状態であって欲しいかを記述しておくとKubernetesが近づけてくれる
  • Kubernetesはマニフェストに書かれた状態を常に維持しようとするため、人の手を介さずともシステムの健常な状態を維持できる（e.g.オートヒーリング）

Kubernetesのアーキテクチャ

• 大きくMasterとNodeに分かれている
  • Master
    • API server / Scheduler / Controller manager
  • Node
    • １つまたは複数のPodを実行するワーカーマシン（VMインスタンスや物理サーバ）
• Masterのコンポーネント
  • API Server
    • KubectlはAPI ServerをRest APIでで叩くコマンドツール
  • Scheduler
    • PodをNodeにスケジュールするコンポーネント
  • Controller
    • クラスタの状態を常に監視するバックグラウンドプロセス
    • 定義された状態と異なると、それを修正するコンポーネント
  • etcd
    • 分散KVSでクラスタの全データを格納するデータストア
• Nodeのコンポーネント
  • kubelet
    • Nodeのエージェント
    • PodのYAMLファイルに基づいて、定義されたコンテナを実行し、ストレージなどをマウントし、正常に起動していることを担保してくれる
  • kube-proxy
    • 各Nodeで実行するネットワークプロキシ
    • ServiceのIPアドレスを管理、コネクションフォワーディング
    • userspace, iptables, IPVSを使う３つのモードを選択可能

Kubernetesにおける基本的リソース

• 基本的なリソース
  • Pod
    • Kubernetesの最小のデプロイ単位、一つ以上のコンテナが含まれている。
  • Deployment
    • 定義されたPod数と稼働中Podの差分を見て多ければ消し、少なければ立ち上げ、あるべき状態に近づける役割をする。
    • replicas:1で一つのPodが常に起動していることを保証する。
  • Service
    • Podをクラスタの内部、外部に公開するためのリソース
    • アプリケーションのエンドポイントを提供する。
      • TCP/UDPをサポート
  • Ingress
    • アプリケーションのエンドポイントを提供する。
    • L7レイヤーで負荷分散するためのリソース

Google Kubernetes Engine (GKE) vs Kubernetes

• Demo1、クラスターを作成する

  • クラスターの名前を入力
  • ゾーンを指定
  • デフォルトプール
    • ノードをどれだけ用意するかの設定
  • 名前とゾーンの設定だけで最小構成のクラスターを2-3分くらいで作成できる。

• GKEとは？

  • Googleの提供するKubernetesのマネージドサービス
  • コマンド一発でk8sのクラスタを作成、利用開始が可能
  • マスターの管理は全てGoogleが行い、お客様はノードの使用料金のみ負担

• Masterの管理はGoogleが提供

  • MasterはGoogleによって管理されており、自動的に更新される
    • Nodeはユーザによってコントロール
    • Nodeのマイナーバージョンがマスターバージョンより３つ以上古くナルト、そのNodeは正しく動作しない場合がある。
    • 例：Masterが1.3になると1.0が実行しているNodeは動作しない場合がある
  • クラスタの設定値を持つetcdの自動バックアップ
  • GoogleのSREが全て面倒見てくれます！！

• Auto-Everything

  • k8sをスケーラブルに使うために必要なものが全て自動化されている
    • Auto-repair
      • パフォーマンスに問題があったり故障したNodesを自動的にリプレイス
    • Auto-upgrade
      • NodesのKubernetes / GKEバージョンを常に最新版に自動的に更新
    • Auto-scale(Cluster Autoscaler)
      • 需要に応じてNode pool内のNodes数を自動的に増減
    • Auto-provision
      • Cluster Autoscalerの一部として動作し、リソースに最適なNode poolを作成、削除

• KubernetesはGoogleのBorgからインスパイア

  • k8sはOSSだがGKEチームのコントリビュートは全体の４０パーセントにもなる

セッション 2 : Cloud Spanner の技術概要

本セッションでは最近ホットなフルマネージドデータベース Cloud Spanner の技術概要を紹介します。 まずはなぜリレーショナルかつ整合性を担保するのに、水平方向にダウンタイムなしでスケールできるかを説明します。 その後、初めて Cloud Spanner をご利用いただくエンジニア宛によくハマる点や Tips を紹介します。 最後にデモをしながら Cloud Spanner の挙動をお見せします。

• 資料：Cloud Spannerの技術概要

Cloud Spannerの技術概要

• Spanner（NewSQL）とは？
  • リレーショナルデータベース構造
  • 水平方向スケーラビリティ
• GCPのデータベースポートフォリオ
  • NoSQL,in-memory, Relational, Object, Warehouseなどなど様々なタイプがある。
  • Spannerは一応Relationalのカテゴリに分類される。
• Cloud Spannerはthe best of RDBMS + NoSQL
  • 下表からも分かりますがCloud SpannerはRDBMSとNoSQL両方の特徴を併せ持っています。

	Cloud Spanner	Traditional RDBMS	Traditional NoSQL
Schema	⭕️Yes	⭕️Yes	❌No
Data Model	⭕️Relational	⭕️Relational	❌Non-relational
SQL	⭕️Yes	⭕️Yes	❌No
Consistency	⭕️Strong	⭕️Strong	❌Eventual
Availability	⭕️High	❌Failover	⭕️High
Scalability	⭕️Horizontal	❌Vertical	⭕️Horizontal
Replication	⭕️Automatic	Configurable	Configurable

• Cloud Spannerとは？
  • Googleの良いとこ全部どりなマネージド、スケーラブル、リレーショナルデータベース、サービス
    • 完全マネージドのグローバルスケールでDBサービス
    • スキーマ、ACIDトランザクション、SQL
    • ゾーン間、リージョン間の自動synchronousレプリケーション
    • Google内部で７年以上の運用経験あり（AdWords, GooglePlay...）

Cloud Spannerのキーコンセプト

• リージョナル＆マルチリージョン構成をとる
• シングルリージョンの場合
  • 3つのゾーンで冗長構成をとるのでゾーンが一つ壊れても問題無い
  • SLA 99.99%
• マルチリージョン構成の場合
  • 一つのリージョンがマスターになり、他のリージョンではリードオンリーになる。
  • SLA 99.999%
• シングルリージョンの場合は全てRWレプリカとして冗長構成が取られるが、マルチリージョンにナルト分散型のDBで整合性をとるために下記のようなレプリカの種類が出てくる。

レプリカの種類	投票可能か	リーダーにできるか	読み込みを処理できるか
読み書き（RW）	⭕️	⭕️	⭕️
読みとり専用（RO）	❌	❌	⭕️
ウィットネス（Witness）	⭕️	❌	❌

• Cloud Spannerの時刻同期

  • TrueTime APIを用意して（原子時計）複数リージョン間での時刻同期をしてマルチリージョン間でのトランザクションが可能となる。

• 同期レプリケーションと強整合性

  • 一つのゾーンにアップデートすると他のゾーンにレプリケーションする。

• Splitはデータが格納される単位

• Splitとは？

  • テーブルは主キーでソートされテーブルはキーの範囲で分割される。Splitは負荷とサイズに応じて分割される。
  • Splitも負荷に応じて分割される。

• Cloud Spannerのスキーマ＆データモデル

  • プライマリキー（PK）
    • 各テーブルにPKが必須
    • PKは一つか複数

• 連番のPKはホットスポットになる

  • 新しいレコードが常にテーブルの下に入るのでSplit一つ（一つのサーバー）に負荷が集中してしまうので、PKが分散するような構成にする必要がある。

Cloud Spannerのトランザクション

• Cloud Spannerのトランザクションと処理の方法
  • 読み書きトランザクション（RW-Txn）
    • 一つ以上の読み取りの結果に応じて書き込みをする場合、読み書きトランザクション（RW-Txn）内で読み書きを実行する必要がある。
  • 読み取り専用トランザクション（RO-Txn）
    • データの一貫したビューを取得するために、複数の読み取り呼び出しを行う場合、読み取り専用トランザクション（RO-Txn）内で読み取りを実行する必要がある。
• Cloud Spannerにおけるデータの書き込みとロック
  • 事前に読み取りせずに、書き込みを行う場合
    • ライター共有的ロックと呼ばれる共有的ロックを用いる。
    • コミットスタンプの順に順序が決定される。
  • 読み書きトランザクション
    • 読み書きトランザクションを利用する場合、データを読み取るタイミングでは共有ロックが行われる。実際に書き込みを行う際に、排他的ロックを取得し書き込みを行う。
• トランザクションを必要としない読み取り
  • Strong Read
    • 現在のタイムスタンプでの読み取りであり、この読み取り処理の開始時までにcommitされた全てのデータを確実に確認できます。Cloud Spannerのデフォルトでは、Strong Readを使用して読み取りリクエストが処理される。
  • Steal Read
    • 過去のタイムスタンプによる読み取りです。レイテンシの影響を受けやすいものの古いデータは許容できるアプリケーションの場合、Steal Readを使用するとパフォーマンスが向上することがある。