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0_kubernetes_workings.md

File metadata and controls

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しくみから分かる Kubernetes

Kubernetes とは

Kubernetes（k8s）とは、オープンソースの Container Orchestration System です。 https://kubernetes.io/

...と、少なくとも上のトップページでは紹介されています。

複数のノード（VPS とか物理マシンとか）を管理し、コンテナ化されたアプリを人間の代わりに管理してくれます。 ここで、まとまった複数のノードはクラスターと呼ばれます。

Dockerなどをそのまま使うのに比べて、大きく見て次のメリットがあります。

  • 複数種のコンテナを、安定して、かつ自動的にデプロイできる。
  • 大量のトラフィックを安定的に捌くために、たくさんのコンテナを複数ノードに渡ってデプロイできる。

簡単な仕組み

誤解を恐れずにいうと、k8s は単に KVS (key value store) とコントローラから成ります。

以下のような「オブジェクト」を yaml で宣言し、REST API を通じて KVS（下画像の Kubernetes Objects）にぶちこむことで、インフラの状態を「宣言的に」管理します。 この yaml の宣言は、manifest とも呼ばれます。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.14.2
    ports:
    - containerPort: 80

「宣言的に」とは、「最終的な状態だけを定義しておき、そこに至るまでの具体的な操作は記述しない」ということです。

オブジェクト更新等のイベント発生時や定時実行をトリガーとし、各コントローラが現在の状態と理想状態の差異を計算します（下画像の Watch）。 この差異から、具体的なインフラの操作や、別オブジェクトの管理を行い、システムの状態を少しずつ理想状態に近づけます（下画像の Update）。

この差異の計算と操作のループのことを、"reconciliation loop"と呼びます。 シンプルですが、この reconciliation loop の組み合わせが非常に堅牢なことが実証されており、デプロイを安定して自動化できる仕組みとなっています。

kubernetes controllers

画像元: https://iximiuz.com/en/series/writing-kubernetes-controllers-operators/

基本オブジェクト

すごく簡潔に説明すると、こんな感じです。

  • Pod: コンテナを1個以上詰め込める。同一pod内のコンテナは互いにlocalhostでアクセスできる。
    • 基本的には 1 Pod = 1 コンテナ
    • だいたいdockerのコンテナと同じと思っておけばいい
  • Service: Podに外部からTCP/UDP(L4)通信するために必要。複数のpodを選択できる。
    • type: NodePortやLoadBalancerで外部にポートを公開できる
  • Ingress: Podに外部からHTTP(L7)通信するために必要。複数のserviceを選択できる。
    • 最近はGateway APIとかいうのもあるらしい

ネットワーク関連(ServiceやIngress)がコンテナの実態(Pod)と切り離されているのは、1個のServiceやIngressで複数個のPodを指定してロードバランスさせるためです。

次の画像は、「ArgoCD」という Kubernetes を管理するアプリケーションの、一画面です。 Service オブジェクト（画像内では "svc" と略されている）が、あるIPに来たトラフィックをPodに橋渡ししている様子が、視覚的に表現されています。

argocd traffic

ArgoCD の管理画面

オブジェクトの階層構造

普通は直接 Pod を扱うのではなく、DeploymentやStatefulSetなど、「上位の」オブジェクトを人間が扱います。 Deployment Controller などの各コントローラが、Deployment などの「上位の」オブジェクトを監視し、ReplicaSet、Pod などの「下位の」オブジェクトを管理します。

Pod が単にコンテナ 1 つを管理するのに対して、Deployment や StatefulSet はそのレプリカ数、ノードが壊れた場合の Pod の再起動・再設置、バージョン管理、起動の順番の管理などを行う、といった具合です。

次の画像も「ArgoCD」の一画面です。 「上位」と「下位」のオブジェクトと、その対応関係が視覚的に理解できます。 画像内の deploy は Deployment、sts は StatefulSet、rs は ReplicaSet の略です。

argocd objects

ArgoCD の管理画面

実際の運用

kubectl（CLI）を使い、黒いターミナル画面でカタカタやってるイメージがあるかもしれませんが、わざわざターミナル画面で苦しむ必要はありません。

  • リッチな GUI / 自動化ツールを用いて管理・監視を行える。
    • 例: Rancher, ArgoCD, Portainer, Lens, ...
  • 必要なものが詰まった様々な distributionが用意されているため、セットアップも楽になっている。
    • 例: k3s, k0s, microk8s, k3d, kind, ...

※Distribution: Kubernetes と関連パッケージ・設定などをまとめて配布し、使いやすくしたもの。

エコシステムがかなり整っているので、好きな GUI を使ったり、コマンド一つでセットアップできる distribution を使ったりできます。

とにかくなんか触りたい人へ

とりあえず「触って理解したい！」人には、コマンド一つで入る k3s や、環境を汚さず遊べる k3d（k3s on docker）が、個人的なオススメです。 NeoShowcase の開発では、3 ステップで k3d のインストール、環境の構築、環境の完全削除が可能になっています。

3 ステップ構築

traP で運用している ArgoCD を覗いてみるのもオススメです。

https://cd.trap.jp/ ※traP メンバー限定

トリビア

Kubernetes の、k と s の間に 8 文字あるから k8s と略します。 Numeronym というらしい。

Kubernetes は、Google 内部のインフラ管理システムがオープンソース化したプロジェクトです。 Golang 製であり、現在も活発に開発が行われています。 GitHub のリポジトリの中で合計 contributor 数で数えると、Top 10 に入るとか入らないとか。

次へ

さらに細かいことが気になった人は、公式ドキュメントを探検してみましょう。 Kubernetes の基本情報は、公式が最も正しく、網羅的に書いてあります。

ハンズオンを進めながら、上のドキュメントを横で眺めるのもおすすめです。 必須ではないですが、公式の説明も見たほうが理解が深まるでしょう。 （ここでの説明も完璧ではないため、往々にして公式の説明がより洗練されています。）

もちろん、先に進みたい人は、そのまま進んでもらって構いません。 最速で Kubernetes の良さ（の一つ）を理解できるように、必要な情報だけをまとめていったつもりです。

次のページでは、ハンズオンを行うためのツールの準備を行います。 ぜひこれ以降のハンズオンにも挑戦してみてください！

./1_tools.md