Kubernetes Managed Service Column ＜Kubernetes運用コラム＞Kubernetes のアーキテクチャとは？特徴と基本コンポーネントからデータ保護の方法まで詳しく解説

コンテナオーケストレーションツールとは？アプリを効率的に運用管理する仕組みを解説

クラウドへの移行は、多くの企業がデジタルの恩恵を受けるために直面する重要なステップです。クラウド移行を成功させるためには、適切な技術選択が不可欠ですが、近年、 Kubernetes というツールが注目されています。

Kubernetes は、複雑なアプリケーションを効率的に管理し、企業のクラウド戦略を支援するための強力なツールです。本記事では、 Kubernetes の特徴とメリット、主要なアーキテクチャ、そしてデータのセキュリティと冗長化までを解説します。

1. Kubernetesの特徴とメリット

Kubernetes は「コンテナオーケストレーションツール」と呼ばれており、クラウド・オンプレミスを問わず広く使用されているツールです。まずは Kubernetes の特徴とメリットについて解説します。

Kubernetes の特徴

Kubernetes は、 Google によって開発された、オープンソースのコンテナ運用管理と自動化を実現するツールで、コンテナオーケストレーションツールとも呼ばれています。複数のコンテナを効率的に管理し、アプリケーションのデプロイ、スケーリング、運用を自動化するための機能を備えています。

Kubernetes は、コンテナ化されたアプリケーションの実行環境を容易に制御できるため、大規模なアプリケーションの運用に適しています。また、ロードバランシング、自己修復能力などの特徴を持ち、システムの可用性と運用性、管理性を高める役割を果たします。

Kubernetesのメリット

Kubernetes を使用する具体的なメリットは下記の通りです。

• 効率的なリソース管理
• 高いスケーラビリティ
• 自己修復能力による高い可用性

効率的なリソース管理

Kubernetes はコンテナのリソース使用量を監視し、必要に応じてリソースを割り当てるなどの調整が可能です。システムリソースの無駄遣いを防ぎながら、アプリケーションの性能を最大化することができます。

高いスケーラビリティ

Kubernetes は要求に応じて自動でアプリケーションのスケールアップとスケールダウンを行うことができます。トラフィックの変動に柔軟に対応し、リソースの最適化を実現することができます。

自己修復能力による高い可用性

システムの障害発生時、 Kubernetes は自動的に障害のあるコンテナを再起動し、エラーのあるノードから正常なノードへの再配置を行うことができます。システム障害時でもアプリケーションのダウンタイムを最小限に抑えることができます。

類似のコンテナオーケストレーションツールとの違い

コンテナオーケストレーションツールには、 Kubernetes のほかにもさまざまなツールが存在します。ここでは Docker Swarm と Apache Mesos の概要と Kubernetes との違いについて解説します。

Docker Swarm

Docker Swarm は Docker Inc. によって開発されたコンテナオーケストレーションツールです。複数の Docker ホストをクラスタリングし、一つの仮想 Docker ホストとして機能させることができます。

軽量で初心者にも扱いやすいことが特徴ですが、 Kubernetes に比べると機能が限定的です。 Docker Swarm はそのシンプルさと Docker との親和性により小規模な環境や Docker に慣れたユーザーに適しています。

一方、 Kubernetes はより複雑なシステムや大規模な環境に適していると言えます。

Apache Mesos

Apache Mesos は、 Apache によって開発・管理されているオープンソースのオーケストレーションツールです。

大規模な環境でのリソース管理とアプリケーションのオーケストレーションに特化しており、数万台～数十万台ものサーバを管理し、 CPU やメモリといったマシンリソースをプール化して、無数のコンテナを運用できる環境を構築できます。

ただし、機能群が豊富であるため、 Kubernetes と比較して運用管理が複雑であるという面があります。

2. Kubernetes アーキテクチャの基本

Kubernetes は多くの機能を提供するため、多くのコンポーネントによって成り立っています。ここでは Kubernetes を構成する主要なコンポーネントについて解説します。

コントロールプレーンコンポーネント

図版出典：Qiita

コントロールプレーンとは、 Kubernetes クラスター全体の管理と調整を担う Kubernetes の中心的なコンポーネント群です。

• Kube-apiserver
• etcd
• kube-scheduler
• kube-controller-manager

Kube-apiserver

Kube-apiserver は、 Kubernetes API を外部に提供するコンポーネントです。ユーザーやクラスター内の各コンポーネントは Kubernetes API を通じてコミュニケーションを行います。

etcd

etcd は、軽量で高可用性を持つキーバリューストアで、 Kubernetes クラスターのすべてのデータを保存し、クラスターの状態を管理する役割を担います。

kube-scheduler

kube-scheduler は、 Kubernetes のデフォルトのスケジューラーです。新しく作成されたPod（コンテナを含むアプリケーションの最小のデプロイ単位）のための適切なノードを選択と割り当てを行います。

kube-controller-manager

クラスターの状態を期待された状態に保つために、ノードコントローラー、 Job コントローラーなど、さまざまなコントローラープロセスを実行し、ノードダウンの検出や Job 実行の管理などを行います。

ノードコンポーネント

ノードとは、コンテナが実際に動作する物理的または仮想的なマシンです。ノードコンポーネントはすべてのノードで実行され、稼働中の Pod の管理や Kubernetes の実行環境を提供します。

• kubelet
• kube-proxy
• コンテナランタイム

kubelet

kukbelet は、各ノード上で動作するエージェントプロセスです。コンテナが期待通りに動作しているかを監視し、コントロールプレーンからの命令に従ってコンテナの起動と停止を行います。

kube-proxy

kube-proxy は、クラスター内のネットワークプロキシです。ノードレベルでのネットワーキングを管理し、 Kubernetes クラスター内部または外部との通信を行うためのルールの設定や接続の転送を行います。

コンテナランタイム

コンテナランタイムは、コンテナを実行するための環境を提供するソフトウェアです。Docker や containerd 、 CRI-O などをサポートしています。

3. Kubernetesにおけるデータのセキュリティと冗長化

Kubernetes のデータに関するセキュリティや冗長化はどのように担保しているのでしょうか。最後に、 Kubernetes のデータのセキュリティと冗長化について解説します。

Kubernetesのデータ保護

Kubernetes のデータ保護の仕組みについて解説します。

シークレット管理

Kubernetes のアプリケーションは、 API キー、パスワード、 OAuth トークンといった機密データを扱う場合があります。これらを安全に保存し管理するために Kubernetes では Secret という機能を提供しています。

Secret を使用することで、機密データをコンテナイメージやアプリケーションのコードから分離し、安全に保管することができます。 Secret により、誤って機密データを外部に晒してしまうリスクを低減することが可能です。

データの暗号化

etcd は Kubernetes の中心的なデータストアで、クラスターの状態や構成情報を含む重要なデータを保持しています。 etcd はデフォルトでは暗号化されていませんが、暗号化を行うことで、これらの情報を外部からの悪意のあるアクセスから保護することができます。

万一 etcd が侵害された場合でも、データは暗号化されているため、攻撃者による情報の読み取りや悪用を防ぐことができます。

Kubernetesのデータ冗長化

Kubernetes におけるデータの冗長化の方法について解説します。

マルチマスター構成

マルチマスター構成は、 Kubernetes クラスターの高可用性を確保するための構成です。複数のマスターノードをクラスター内に設置することで、1つのノードがダウンしても他のノードが正常に機能し続けることで、サービス中断を防ぎ、データを含めシステム全体の可用性を高めます。マルチマスター構成は、特に大規模な環境やクリティカルなアプリケーションを運用する場合に重要です。

外部または複数のetcdクラスター

外部または複数の etcd クラスターとは、 Kubernetes の etcd の冗長化と可用性を高めるための仕組みです。この方法では、 etcd のインスタンスを単一の場所に置くのではなく、複数のクラスターに分散させることで、単一の障害点を排除し、データの可用性を高めることができます。

4. まとめ

本記事では、 Kubernetes の基本的なアーキテクチャとデータ保護の仕組みについて解説しました。 Kubernetes を導入することで、移植性の高いアプリケーションを開発することが可能になります。ぜひ専門家の支援を受けながら使用を検討してみてください。

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