【ITニュース解説】7 Core components of Kubernetes every DevOps engineer should know

Kubernetesは、コンテナ化されたアプリケーションのデプロイ、管理、スケーリングを自動化するための強力なシステムである。初めて触れる際には複雑に感じるかもしれないが、その中心となる主要な構成要素を理解することで、全体の仕組みが見えてくる。

Kubernetesのアーキテクチャは、大きく分けて「コントロールプレーン」と「ワーカーノード」の二つの部分から構成される。コントロールプレーンはKubernetesクラスター全体の管理と意思決定を行う「脳」のような役割を果たし、ワーカーノードは実際にアプリケーションであるコンテナを稼働させる「作業場」の役割を担う。

まず、コントロールプレーンを構成する主要なコンポーネントについて説明する。

1. APIサーバー APIサーバーは、Kubernetesクラスターのあらゆる操作の入り口である。クラスターの状態を表示したり変更したりするすべてのリクエストは、まずAPIサーバーを経由する。例えば、kubectlコマンドを使ってPodの一覧を取得する場合も、直接APIサーバーと通信している。APIサーバーはこれらのリクエストを検証し、処理を実行した後、クラスターの現在の状態を保存するetcdにその情報を更新する。

2. etcd etcdは、Kubernetesクラスター全体の「唯一の真実の源泉」として機能する。これは、クラスターに関するすべての設定データや状態情報を保存する、シンプルで信頼性の高いキーバリュー型のデータストアである。Podの詳細情報からネットワーク設定に至るまで、Kubernetesクラスター内で管理されるあらゆるデータがetcdに格納されている。これにより、クラスター内のすべてのコンポーネントが常に同じ最新の状態情報を参照できるようになっている。

3. スケジューラー スケジューラーは、新しく作成されたPodをどのワーカーノードに配置して実行するかを決定する役割を担う。APIサーバーを監視し、まだノードが割り当てられていないPodを検知すると、そのPodが要求するCPUやメモリなどのリソース、設定されたポリシー、そして各ワーカーノードの利用可能性や負荷状況などを考慮して、最適なノードを選択し、Podを割り当てる。

4. コントローラーマネージャー コントローラーマネージャーは、クラスターの現在の状態を監視し、設定されている「望ましい状態」と一致させるように調整するデーモンである。内部には複数のコントローラープロセスが含まれており、それぞれがクラスターの特定の部分を担当する。例えば、ReplicaSetコントローラーは、アプリケーションのPodが常に指定された数だけ稼働していることを保証する。もしPodが予期せず停止した場合、コントローラーマネージャーはそれを検知し、新しいPodを起動して望ましい状態に戻すように指示する。

次に、アプリケーションが実際に稼働するワーカーノードとそのコンポーネントについて解説する。

ワーカーノードは、仮想マシンまたは物理マシンのいずれかであり、ユーザーがデプロイしたアプリケーションがコンテナとして実行される場所である。各ワーカーノードには、以下の主要なコンポーネントが稼働している。

5. Kubelet Kubeletは、各ワーカーノード上で動作するエージェントである。コントロールプレーン、特にAPIサーバーからの指示を受け取り、そのノード上でPodの仕様に従ってコンテナが実行され、健全な状態を保っていることを確認する。具体的には、Podが指定されたコンテナイメージを使用し、必要なリソースが割り当てられ、正常に稼働しているかを監視し、問題があればコントロールプレーンに報告する。

6. Kube Proxy Kube Proxyは、各ワーカーノード上で動作するネットワークプロキシであり、Podのネットワーク接続を管理する。各Podに一意のIPアドレスを割り当て、クラスター内外からのネットワークトラフィックを正しいPodにルーティングする役割を担う。これにより、アプリケーションが複数のPodに分散していても、安定したネットワークアクセスが可能となる。Kube Proxyは、主にIPテーブルなどのOSのネットワーク機能を活用してトラフィックルーティングを制御する。

最後に、Kubernetesにおけるデプロイの最小単位であるPodについて説明する。

7. Pod Podは、Kubernetesにおいて作成またはデプロイされる最小かつ最もシンプルな単位である。Podはアプリケーションの単一インスタンスを表し、通常は一つのコンテナを内包するが、複数のコンテナを含むことも可能である。Pod内のコンテナは、同じネットワーク空間とストレージリソースを共有する。これにより、関連する複数のコンテナが密接に連携しながら動作することが可能になる。例えば、ウェブサーバーのコンテナと、そのログを監視するサイドカーコンテナを一つのPod内で実行することができる。 ユーザーがPodの定義をYAMLファイルで記述し、それをKubernetesに適用すると、APIサーバーがその情報を受け取り、スケジューラーが適切なワーカーノードを選び、そのノードのKubeletが指定されたコンテナを起動するという一連の流れが実行される。

Kubernetesは、このように明確な役割分担を持つコンポーネントが連携して動作するシステムである。コントロールプレーンがクラスター全体の管理と意思決定を行い、ワーカーノードが実際のアプリケーション実行を担う。APIサーバーは操作の窓口、etcdはクラスターの状態を保存するデータベース、スケジューラーはPodの配置を決定し、コントローラーマネージャーはクラスターの望ましい状態を維持する。ワーカーノード上ではKubeletがコンテナの実行を管理し、Kube Proxyがネットワーク接続を処理する。そしてPodが、実際にアプリケーションが動作する最小の単位である。これらの主要コンポーネントの役割を理解することは、Kubernetes上で信頼性の高いアプリケーションを構築し、問題発生時の原因究明を行う上で不可欠な基礎知識となる。