Kubernetesとは?仕組みや特徴を詳しく解説

 2021.12.03  デジタルビジネスシェルパ

Kubernetesはコンテナ仮想化ツールやアプリケーションのデプロイ、スケーリング、および管理を行うために開発された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です。Kubernetesの仕組みや特徴を学ぶことで便利かつ効率的にコンテナの運用や構成管理を行うことができるようになります。また、今までDockerで行ってきた管理において、Kubernetesを活用することで大規模でのDockerの管理や自動化を図ることが容易になり便利です。

Kubernetesとは

KubernetesとはDockerなどのコンテナ仮想化ツールの運用や構成管理・自動化を促すために開発されたオープンソースソフトウエア(OSS)で、コンテナ化されたワークロードやサービスを管理しポータブルで拡張性のあるオープンソースのプラットフォームです。また、Kubernetesは急速に成長するエコシステムを備え、サービスやサポート、ツールは幅広い形で利用されています。Kubernetesはマイクロサービスとの相性が良く、クバーネティス、またはクーベネティスと読みK8s(ケーエイツ)やkubeなどと略されることもあり、意味合いはギリシャ語で操縦士や船長、道しるべなど、舵を切るイメージです。

コンテナはアプリケーションやミドルウエア、複数のOSを実行できる独立した環境で、仮想化ソフトウエアと似ていますが大きな違いはコンテナレベルで空間を他のシステムから分離させられる点になります。なお、仮想化ソフトウエアとは1つのサーバー上に複数台の仮想マシンを運用できるシステムです。そのため、コンテナは異なるOSの実行が可能になり、複数のOSが実行しているシステムを1つにまとめられる特徴があります。しかし、コンテナは管理や他のサーバーとの連携機能を持っておらず、「連携できない」という問題を解決してくれるのがKubernetesです。

Kubernetesはコンテナオーケストレーションツールの一つです。コンテナオーケストレーションとは複数のコンテナを管理する技術のことを言います。通常複数のコンテナを運用する場合はネットワークやストレージなどの連携管理を行う必要がありますが、コンテナオーケストレーションはこれらの管理を行いダウンしたときや高負荷がかかってしまった場合でもスムーズに運用できる機能です。

Kubernetesには複数のコンテナを管理するKubernetes Podが備わり、さらに複数のPodがNodeにまとめられています。Nodeの集まりを「クラスター」と呼び、クラスターはKubernetes全体構造の最上位階層に位置する部分です。Kubernetesがコンテナの配置や削除を行うときに直接指示を出すのがクラスターの役割です。このような構造がシステム効率を高めリソースを最大限活用し、機密情報の管理なども容易に行えます。

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KubernetesとDoctorの関係とは

Dockerとはアプリケーションをコンテナの中で管理、実行するツール群を指します。Kubernetesとの違いは実行される場所です。Dockerはシングルノードで実行されますが、Kubernetesはクラスターでの実行になります。またDockerはアプリケーションを各コンテナに分離する目的で使用され、Kubernetesは各コンテナを管理するために使用されており、お互いに役割が異なる機能です。しかし、DockerとKubernetesは敵対関係ではなく、連携して利用され協力し合う関係性を持っています。Dockerも複数のDockerの管理や自動化をする機能は備わっていますが、コンテナ間の設定や管理が行えないことがあり、小規模程度の場合は別途作業を行うことは可能ですが、規模が大きくなる場合はKubernetesのような専用ツールを使ってDockerの管理や自動化を図ると効率的です。

Kubernetesの仕組み

Kubernetesの仕組みの特徴はオープンソースソフトウエアのプラットフォームです。Kubernetesには複数のコンテナを運用、構成管理し自動化できる技術が備わり、コンテナオーケストレーションが便利に使える仕組みになっています。Kubernetesには4つの機能が備わっており、Kubernetes Clusterやnamespace、Pod、Service機能が利用することが可能です。また、KubernetesはYAMLで記述され、コードでインフラ構成を管理することができます。

Kubernetes Cluster

クラスターとは「まとまり」の意味合いがあり、IT分野では複数台のコンピューターを結び付けまとめた仕組みを指します。Kubernetes Clusterは単一のユニットとして機能するように接続された、可用性の高いコンピューターのクラスターです。なお、可用性とはシステムを継続して稼働させる考え方で、例えると一つの機器が何かの原因で故障しても、他の正常な機器が自動的に切り替わり、利用者に影響が及ばないようにしてくれる仕組みになります。

namespace

namespaceはクラスターの分離機能のことを指し、同一の物理クラスター上で動作する複数のユーザーでクラスターリソースを分割する方法になります。namespaceは名前空間とも呼ばれ、比較的規模が大きい環境で導入が推奨されている機能です。namespaceを使用すればKubernetes内の環境に名前を付け利用することができるため、複数チームで利用が可能になります。また、他の環境と分離させて使用することができるのでセキュリティ向上を図り効率的に開発が進められて便利です。なお、namespaceの使い方としては使用者にどのような権限を与えるかを設定しKubernetes Clusterを分離させていきます。

Pod

Kubernetesが管理できる最小単位でDockerなどのコンテナが1つ以上を含み構成され、いくつかのデザインパターンがあります。また、Pod内に2つ以上のコンテナをまとめるケースがあり、メインコンテナでは利用する設定などを行い、サブコンテナが動的に書き換える構成となっています。Podは複数のコンテナを共存させることや共有ストレージ、ネットワーク、APIバージョンなどをファイルで設定することも可能です。ポイントはKubernetesがDockerなどのコンテナを直接管理するのではなくPod経由で管理していることで、PodにはIPアドレスが自動的に割り当てられ、コンテナ間で共有するストレージが含まれています。このように補助する機能を提供し、管理者は突発的な負荷の上昇に対してアプリケーションを支えるインフラのコンピューターの台数を増やし、システム全体の性能を挙げて容易にスケールアウトが可能です。

Service

ServiceはPodとの通信を容易に行うためにエンドポイントの提供を行ってくれる機能です。また、ServiceはKubernetes Clusterで実行されるPod群へのロードバランシングやサービスディスカバリを行う機能でもあります。通常は通信をするために都度IPアドレスを指定しなければなりません。しかし、Service機能があれば、容易に通信するためのDNSラベルが発行されるためアプリケーションが他のPodと簡単に通信が可能です。なお、Service機能ではどのようなアプリケーションが稼働しているか、クラスターIPやポートも知ることができます。他にも高度なセキュリティやスケジューリングに関する様々な機能が用意されている機能です。4つの主なServiceとしてClusterIPやNodePort、LoadBalancer、ExternalNameが用意されています。

YAMLによる記述

KubernetesではPodやReplicaSetなどの設定は構造化データの表現方法であるYAMLで記述されています。これによりコードでインフラ構成を管理することが容易にできることがメリットです。また、担当者はKubernetesの知識を増やすことでシステム全体像を掴みやすくなります。なお、担当者が変更になった場合でも比較的容易にシステム全体像を理解しやすくなる記述です。

Kubernetesのメリット

Kubernetesのメリットはコンテナオーケストレーションで複数のDockerを管理する手間が減り、コストを削減することです。また Kubernetesを使用することで様々な課題を解決できるようになります。例えば大量のコンテナ管理の実現やデプロイの自動化で生産性向上を図ること、コンテナのスケジューリングやローリングアップデート、スケーリング、オートスケーリング、コンテナの死活監視、障害時のセルフヒーリング、自己回復機能、サービスディスカバリ、ロードバランシング、データ管理、ワークロードの管理、ストレージ管理、ログ管理、Infrastructure as Code、オンプレミスとクラウドで利用、他のエコシステムとの連携や拡張など、Docker自体では実現が難しい内容ばかりです。

まとめ

Kubernetesは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で大量のDockerなどのコンテナ仮想化ツールを容易に管理することができる機能です。KubernetesとDoctorの関係は敵対的ではなく、連携し協力し合って成り立っています。Kubernetesの仕組みを学び知識を増やすことで複数のコンテナの運用や管理を容易に行うことができるようになります。また、Kubernetesに備わっている主な4つの機能であるKubernetes Clusterやnamespace、Pod、Serviceを適切に使い分けることで、担当者が変わった場合でも比較的に容易にシステム全体像を把握することが可能です。

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