Kubernetes（クバネティス、略してK8s）は、コンテナ化されたアプリケーションを自動的にデプロイ、スケール、管理するオープンソースのプラットフォームです。Googleによって開発され、現在はCloud Native Computing Foundation（CNCF）によって管理されています。
Kubernetesは、複数のコンテナを効率的に運用するためのツールで、特にマイクロサービスアーキテクチャを採用したアプリケーションの運用で広く使われています。
1. Kubernetesの基本概念
1.1. クラスター（Cluster）
- Kubernetesはクラスターを単位として動作。
- マスターとノードで構成。
- マスター（Control Plane）: クラスター全体を管理。
- ノード: 実際にコンテナを実行するワーカーノード。
1.2. ポッド（Pod）
- Kubernetesの最小単位。
- 1つまたは複数のコンテナを含む。
- 同じネットワークスペースを共有。
1.3. サービス（Service）
- 複数のポッドに対して一貫したネットワークアクセスを提供。
1.4. デプロイメント（Deployment）
- アプリケーションの状態（ポッドの数や構成）を定義。
- スケーリングやローリングアップデートが可能。
1.5. ネームスペース（Namespace）
- クラスター内でリソースを論理的に分割する仕組み。
2. Kubernetesの主な特徴
2.1. 自動スケーリング
- アプリケーションの負荷に応じてコンテナを自動的に増減。
2.2. 自己修復
- 障害が発生したポッドを自動的に再起動や再配置。
2.3. ロードバランシング
- トラフィックを複数のポッドに分散。
2.4. ローリングアップデート
- アプリケーションの更新を中断することなく実行。
2.5. ポータビリティ
- オンプレミスやクラウド環境を問わず、同じ操作性で利用可能。
3. Kubernetesの主なコンポーネント
| コンポーネント | 役割 |
|---|---|
| Master Node | クラスター全体を管理する制御層。 |
| API Server | 外部とクラスター間の通信を管理。 |
| Scheduler | ワーカーノードへのポッド配置を決定。 |
| Controller Manager | クラスターの状態を監視し、望ましい状態を維持。 |
| Worker Node | 実際にポッドを実行する。 |
| Kubelet | 各ノードでポッドを管理。 |
| Kube-proxy | 各ノードでネットワークルーティングを管理。 |
| etcd | クラスターの状態を保存する分散型データストア。 |
4. Kubernetesの主な利用例
4.1. マイクロサービスの運用
- 各サービスを独立したポッドとして管理。
- 負荷に応じてサービスをスケールアウト。
4.2. ハイブリッドクラウドとマルチクラウドの管理
- 異なるクラウド環境（AWS、Azure、GCPなど）を統一的に運用。
4.3. CI/CD（継続的インテグレーション/継続的デリバリー）
- アプリケーションのデプロイと更新を自動化。
4.4. 高可用性システムの構築
- サービスダウンタイムを最小化する自己修復機能を利用。
5. Kubernetesの主なコマンド
| コマンド | 説明 |
|---|---|
kubectl get pods | 現在のポッドの状態を確認。 |
kubectl create -f | 設定ファイル（YAML）を基にリソースを作成。 |
kubectl apply -f | 既存リソースを更新。 |
kubectl delete pods | ポッドを削除。 |
kubectl logs | ポッドのログを表示。 |
kubectl describe pod | ポッドの詳細情報を表示。 |
kubectl exec -it | 実行中のポッド内でコマンドを実行。 |
6. Kubernetesのアーキテクチャの概要
- Master Node
- クラスター全体を制御。
- スケジューリング、監視、状態管理を担当。
- Worker Node
- 実際のコンテナを動作させる。
- 分散アーキテクチャ
- ノード間での負荷分散と冗長化。
- etcd（状態管理）
- クラスター内のすべての情報を保存。
7. Kubernetesのメリットとデメリット
7.1. メリット
- 効率的なリソース利用
- 負荷に応じてリソースを自動調整。
- 高可用性
- 障害発生時の自動復旧機能。
- 移植性
- 異なるプラットフォーム間で一貫性のある運用。
- 柔軟なスケーラビリティ
- トラフィックの増減に対応。
7.2. デメリット
- 学習コスト
- 初心者には概念と設定が複雑。
- 運用負荷
- 適切なリソースとスキルが必要。
- 過剰な機能
- 小規模プロジェクトにはオーバースペックとなる可能性。
8. KubernetesとDockerの違い
| 特徴 | Kubernetes | Docker（単体） |
|---|---|---|
| 用途 | コンテナのオーケストレーション | コンテナの実行と管理 |
| スケーリング | 自動的にスケールアウト可能 | 手動でスケール管理 |
| 高可用性 | 自動復旧機能を提供 | なし |
| 複雑性 | 高い（学習コストが必要） | 比較的簡単 |
9. Kubernetesを使ったツールとエコシステム
9.1. 管理ツール
- kubectl: KubernetesクラスターのCLIツール。
- Lens: Kubernetesを可視化するGUIツール。
9.2. CI/CDツール
- Jenkins X: Kubernetes向けのCI/CDツール。
- Argo CD: Kubernetesネイティブのデプロイツール。
9.3. ロギングと監視
- Prometheus: メトリクス収集とモニタリング。
- Grafana: ダッシュボードによる可視化。
- Fluentd: ログデータの収集と転送。
10. まとめ
Kubernetesは、現代のクラウドネイティブなアプリケーションの基盤となる技術であり、特にマイクロサービスやコンテナ化されたワークロードの運用に適しています。自己修復、スケーリング、移植性といった機能を通じて、高可用性と効率的なリソース管理を実現します。
しかし、導入には学習コストと運用負荷が伴うため、プロジェクトの規模や要件に応じた適切な設計が重要です。継続的に進化しているKubernetesを活用することで、柔軟でスケーラブルなシステムを構築できます。