Kubernetes入門｜コンテナオーケストレーションの基本概念と始め方

コンテナ技術を使い始めると、次に直面するのが「複数のコンテナをどう管理するか」という課題です。Kubernetes（クバネティス、通称K8s）は、この課題を解決するコンテナオーケストレーションプラットフォームとして、クラウドネイティブ時代の標準技術となっています。

この記事では、Kubernetesの基本概念から主要コンポーネントの役割、ローカル環境での始め方まで、初心者でも段階的に学べるよう解説します。

Kubernetesとは？なぜ必要なのか

Kubernetesは、Googleが社内で使っていたコンテナ管理システム「Borg」の経験を基に、2014年にオープンソースとして公開されたプラットフォームです。現在はCloud Native Computing Foundation（CNCF）が管理しています。

Dockerだけでは足りない理由

Dockerは個々のコンテナを作成・実行する優れたツールですが、本番環境では以下のような課題が生じます。

スケーリング：アクセスが増えたときにコンテナの数を増やしたい
自動復旧：コンテナがクラッシュしたら自動で再起動したい
ロードバランシング：複数のコンテナに均等にリクエストを分配したい
ローリングアップデート：ダウンタイムなしでアプリを更新したい
設定管理：環境変数や機密情報を安全に管理したい

Kubernetesはこれらの課題をすべて解決する機能を持っており、コンテナ化されたアプリケーションの「運用自動化プラットフォーム」として機能します。

Kubernetesの全体像

Kubernetesのアーキテクチャは、大きくコントロールプレーンとワーカーノードに分かれます。

コントロールプレーン：クラスタ全体を管理する頭脳。APIサーバー、スケジューラー、コントローラーマネージャー、etcdで構成
ワーカーノード：実際にコンテナが動作するマシン。kubelet、kube-proxy、コンテナランタイムが動作

管理者やCI/CDツールはkubectlコマンドを通じてAPIサーバーに指示を出し、Kubernetesが自動的にその状態を実現・維持します。

核心となる概念：Pod・Service・Deployment

Kubernetesには多くのリソースタイプがありますが、まず理解すべきはPod、Service、Deploymentの3つです。

Pod：最小のデプロイ単位

Podは、Kubernetesにおける最小のデプロイ単位です。1つ以上のコンテナをまとめたグループで、同じネットワーク空間とストレージを共有します。

# pod.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: my-app
  labels:
    app: my-app
spec:
  containers:
    - name: app
      image: my-app:1.0.0
      ports:
        - containerPort: 3000
      resources:
        requests:
          memory: "128Mi"
          cpu: "250m"
        limits:
          memory: "256Mi"
          cpu: "500m"

ただし、Podを直接作成することは本番環境ではほとんどありません。代わりにDeploymentを使ってPodを管理します。

Deployment：Podの管理と更新

Deploymentは、指定した数のPodを維持し、ローリングアップデートやロールバックを管理するリソースです。

# deployment.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: my-app
  labels:
    app: my-app
spec:
  replicas: 3  # 3つのPodを維持
  selector:
    matchLabels:
      app: my-app
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1        # 更新中に追加で起動するPodの数
      maxUnavailable: 0   # 更新中に停止してよいPodの数
  template:
    metadata:
      labels:
        app: my-app
    spec:
      containers:
        - name: app
          image: my-app:1.0.0
          ports:
            - containerPort: 3000
          livenessProbe:
            httpGet:
              path: /health
              port: 3000
            initialDelaySeconds: 10
            periodSeconds: 30
          readinessProbe:
            httpGet:
              path: /ready
              port: 3000
            initialDelaySeconds: 5
            periodSeconds: 10
          resources:
            requests:
              memory: "128Mi"
              cpu: "250m"
            limits:
              memory: "256Mi"
              cpu: "500m"

Deploymentが管理するPodの1つがクラッシュすると、Kubernetesは自動的に新しいPodを起動して、replicas: 3の状態を維持します。

Service：Podへのアクセスを提供する

Serviceは、複数のPodに対する安定したネットワークエンドポイントを提供します。Podは動的に作成・削除されますが、Serviceは固定のIPアドレスとDNS名を持ちます。

# service.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-app-service
spec:
  type: ClusterIP  # クラスタ内部からのみアクセス可能
  selector:
    app: my-app  # このラベルを持つPodにトラフィックを転送
  ports:
    - port: 80          # Serviceのポート
      targetPort: 3000  # Podのポート
      protocol: TCP

Serviceのタイプには主に以下の3種類があります。

ClusterIP（デフォルト）：クラスタ内部からのみアクセス可能
NodePort：各ノードの特定ポートを通じて外部からアクセス可能
LoadBalancer：クラウドプロバイダーのロードバランサーを自動作成

ローカル環境でKubernetesを始める

Kubernetesを学ぶには、ローカル環境でクラスタを構築するのが最も効率的です。いくつかのツールが利用可能です。

Minikubeのセットアップ

Minikubeは最も広く使われているローカルKubernetes環境です。

# macOS
brew install minikube

# Linux
curl -LO https://storage.googleapis.com/minikube/releases/latest/minikube-linux-amd64
sudo install minikube-linux-amd64 /usr/local/bin/minikube

# クラスタの起動
minikube start --driver=docker --memory=4096 --cpus=2

# 状態確認
minikube status

# kubectlの設定確認
kubectl cluster-info

最初のアプリケーションをデプロイする

実際にアプリケーションをデプロイしてみましょう。

# Deploymentの作成
kubectl apply -f deployment.yaml

# Serviceの作成
kubectl apply -f service.yaml

# 状態確認
kubectl get pods
kubectl get deployments
kubectl get services

# 出力例
# NAME                      READY   STATUS    RESTARTS   AGE
# my-app-6d7f8b9c4-abc12   1/1     Running   0          30s
# my-app-6d7f8b9c4-def34   1/1     Running   0          30s
# my-app-6d7f8b9c4-ghi56   1/1     Running   0          30s

# ローカルでServiceにアクセス（Minikubeの場合）
minikube service my-app-service --url

# ポートフォワードでアクセス
kubectl port-forward service/my-app-service 8080:80
# http://localhost:8080 でアクセス可能

設定管理：ConfigMapとSecret

アプリケーションの設定をコンテナイメージから分離し、環境ごとに切り替えられるようにするのがConfigMapとSecretです。

ConfigMap：一般的な設定情報

# configmap.yaml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: app-config
data:
  NODE_ENV: "production"
  LOG_LEVEL: "info"
  API_ENDPOINT: "https://api.example.com"
  config.json: |
    {
      "maxRetries": 3,
      "timeout": 30000
    }

# Deploymentから参照
spec:
  containers:
    - name: app
      image: my-app:1.0.0
      envFrom:
        - configMapRef:
            name: app-config
      # または個別に指定
      env:
        - name: NODE_ENV
          valueFrom:
            configMapKeyRef:
              name: app-config
              key: NODE_ENV

Secret：機密情報

# Secretの作成（コマンドライン）
kubectl create secret generic db-credentials \
  --from-literal=username=admin \
  --from-literal=password=my-secret-password

# YAMLで定義（値はBase64エンコード）
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: db-credentials
type: Opaque
data:
  username: YWRtaW4=          # echo -n "admin" | base64
  password: bXktc2VjcmV0LXBhc3N3b3Jk  # echo -n "my-secret-password" | base64

# Deploymentから参照
spec:
  containers:
    - name: app
      image: my-app:1.0.0
      env:
        - name: DB_USERNAME
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: db-credentials
              key: username
        - name: DB_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: db-credentials
              key: password

スケーリングとオートスケール

Kubernetesの大きな強みの一つが、負荷に応じたスケーリングです。手動スケーリングとオートスケーリングの両方をサポートしています。

手動スケーリング

# レプリカ数を5に変更
kubectl scale deployment my-app --replicas=5

# 確認
kubectl get pods
# 5つのPodが Running になる

Horizontal Pod Autoscaler（HPA）

# hpa.yaml
apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: my-app-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: my-app
  minReplicas: 2
  maxReplicas: 10
  metrics:
    - type: Resource
      resource:
        name: cpu
        target:
          type: Utilization
          averageUtilization: 70
    - type: Resource
      resource:
        name: memory
        target:
          type: Utilization
          averageUtilization: 80

# HPAの適用と確認
kubectl apply -f hpa.yaml
kubectl get hpa

# 出力例
# NAME         REFERENCE           TARGETS   MINPODS   MAXPODS   REPLICAS   AGE
# my-app-hpa   Deployment/my-app   45%/70%   2         10        3          5m

CPU使用率が70%を超えると自動的にPod数が増加し、下がると減少します。最小2台、最大10台の範囲でスケーリングが行われます。

ローリングアップデートとロールバック

アプリケーションの更新は、Kubernetesが最も威力を発揮する場面の一つです。ダウンタイムなしでのデプロイが標準で可能です。

ローリングアップデートの実行

# イメージのバージョンを更新
kubectl set image deployment/my-app app=my-app:2.0.0

# 更新の進行状況を監視
kubectl rollout status deployment/my-app

# 出力例
# Waiting for rollout to finish: 1 out of 3 new replicas have been updated...
# Waiting for rollout to finish: 2 out of 3 new replicas have been updated...
# deployment "my-app" successfully rolled out

Kubernetesは新しいバージョンのPodを1つずつ起動し、readinessProbeが成功したら古いPodを1つ停止するという手順を繰り返します。

ロールバック

# 更新履歴の確認
kubectl rollout history deployment/my-app

# 出力例
# REVISION  CHANGE-CAUSE
# 1         
# 2         

# 直前のバージョンにロールバック
kubectl rollout undo deployment/my-app

# 特定のリビジョンにロールバック
kubectl rollout undo deployment/my-app --to-revision=1

よく使うkubectlコマンド集

日常的に使うkubectlコマンドをまとめます。これらを覚えておけば、基本的な運用操作は一通り行えます。

リソースの確認

# すべてのリソースを確認
kubectl get all

# Podの詳細情報
kubectl describe pod my-app-6d7f8b9c4-abc12

# Podのログ確認
kubectl logs my-app-6d7f8b9c4-abc12

# ログをリアルタイムで監視
kubectl logs -f my-app-6d7f8b9c4-abc12

# 複数Podのログを同時に確認
kubectl logs -l app=my-app --all-containers=true

トラブルシューティング

# Pod内にシェルで入る
kubectl exec -it my-app-6d7f8b9c4-abc12 -- /bin/sh

# リソースの使用状況確認
kubectl top pods
kubectl top nodes

# イベントの確認
kubectl get events --sort-by='.lastTimestamp'

# YAMLでリソースの詳細を確認
kubectl get deployment my-app -o yaml

リソースの操作

# YAMLファイルからリソースを適用
kubectl apply -f deployment.yaml

# リソースの削除
kubectl delete -f deployment.yaml
kubectl delete pod my-app-6d7f8b9c4-abc12

# Namespaceの操作
kubectl create namespace staging
kubectl get pods -n staging
kubectl apply -f deployment.yaml -n staging