Kubernetes基礎：初めてのクラスタ構築とアプリケーションデプロイ

Kubernetes（K8s）は、コンテナ化されたアプリケーションのデプロイ、スケーリング、管理を自動化するためのオープンソースプラットフォームです。この記事では、Kubernetesの基本概念から始めて、実際にクラスタを構築し、アプリケーションをデプロイする方法を学びます。

マイクロサービスアーキテクチャやクラウドネイティブアプリケーションの運用に必要な知識を身につけましょう。

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1. Kubernetesとは

Kubernetesは、Googleが開発したコンテナオーケストレーションシステムで、以下の機能を提供します。

• 自動デプロイ: アプリケーションの自動展開とロールバック
• スケーリング: 負荷に応じた自動スケーリング
• 自己修復: 障害のあるコンテナの自動再起動
• サービスディスカバリ: コンテナ間の自動サービス発見
• ロードバランシング: トラフィックの分散

1.1 Kubernetesのアーキテクチャ

• Master Node（コントロールプレーン）: クラスタの管理
• Worker Node: アプリケーションコンテナを実行
• Pod: コンテナの最小デプロイ単位
• Service: Podへの安定したアクセスを提供
• Deployment: Podのレプリカ管理

1.2 環境の準備

# Minikubeのインストール（ローカル環境でのK8s）
# Mac
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

# Minikubeの起動
minikube start

# kubectlのインストール（K8sコマンドラインツール）
# Mac
brew install kubectl

# kubectlの確認
kubectl version --client

2. 基本的なKubernetesオブジェクト

2.1 Pod

Podは、Kubernetesにおける最小デプロイ単位です。1つ以上のコンテナを含むことができます。

# pod-example.yaml
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-pod
  labels:
    app: nginx
spec:
  containers:
  - name: nginx-container
    image: nginx:latest
    ports:
    - containerPort: 80

# Podの作成
kubectl apply -f pod-example.yaml

# Podの一覧表示
kubectl get pods

# Podの詳細情報
kubectl describe pod nginx-pod

# Podのログ確認
kubectl logs nginx-pod

# Podの削除
kubectl delete pod nginx-pod

2.2 Deployment

Deploymentは、Podのレプリカを管理し、ロールアウトとロールバックを提供します。

# deployment-example.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
  labels:
    app: nginx
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.21
        ports:
        - containerPort: 80
        resources:
          requests:
            memory: "64Mi"
            cpu: "250m"
          limits:
            memory: "128Mi"
            cpu: "500m"

# Deploymentの作成
kubectl apply -f deployment-example.yaml

# Deploymentの一覧
kubectl get deployments

# Deploymentの詳細
kubectl describe deployment nginx-deployment

# Podの状態確認
kubectl get pods -l app=nginx

# レプリカ数の変更
kubectl scale deployment nginx-deployment --replicas=5

# Deploymentの削除
kubectl delete deployment nginx-deployment

2.3 Service

Serviceは、Podの集合への安定したアクセスを提供します。

# service-example.yaml
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
  type: ClusterIP  # NodePort, LoadBalancer も指定可能

# Serviceの作成
kubectl apply -f service-example.yaml

# Serviceの一覧
kubectl get services

# Serviceの詳細
kubectl describe service nginx-service

# Serviceへのアクセス（ポートフォワード）
kubectl port-forward service/nginx-service 8080:80

# Serviceの削除
kubectl delete service nginx-service

3. 実践的なアプリケーションデプロイ

3.1 シンプルなWebアプリケーション

# web-app-deployment.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-app
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: web-app
  template:
    metadata:
      labels:
        app: web-app
    spec:
      containers:
      - name: web-app
        image: nginx:latest
        ports:
        - containerPort: 80
        env:
        - name: ENV
          value: "production"
        livenessProbe:
          httpGet:
            path: /
            port: 80
          initialDelaySeconds: 30
          periodSeconds: 10
        readinessProbe:
          httpGet:
            path: /
            port: 80
          initialDelaySeconds: 5
          periodSeconds: 5

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: web-app-service
spec:
  selector:
    app: web-app
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
  type: LoadBalancer

3.2 データベースとの連携

# postgres-deployment.yaml
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: postgres-secret
type: Opaque
data:
  password: cG9zdGdyZXM=  # base64エンコードされた値

---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: postgres-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi

---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: postgres
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: postgres
  template:
    metadata:
      labels:
        app: postgres
    spec:
      containers:
      - name: postgres
        image: postgres:15
        env:
        - name: POSTGRES_USER
          value: "postgres"
        - name: POSTGRES_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: postgres-secret
              key: password
        - name: POSTGRES_DB
          value: "myapp"
        ports:
        - containerPort: 5432
        volumeMounts:
        - name: postgres-storage
          mountPath: /var/lib/postgresql/data
      volumes:
      - name: postgres-storage
        persistentVolumeClaim:
          claimName: postgres-pvc

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: postgres-service
spec:
  selector:
    app: postgres
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 5432
    targetPort: 5432

4. ConfigMapとSecret

4.1 ConfigMap

ConfigMapは、設定データを格納するためのオブジェクトです。

# configmap-example.yaml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: app-config
data:
  database_url: "postgresql://localhost:5432/myapp"
  log_level: "info"
  api_key: "your-api-key"

# ConfigMapの作成
kubectl apply -f configmap-example.yaml

# ConfigMapの一覧
kubectl get configmaps

# ConfigMapの詳細
kubectl describe configmap app-config

# ConfigMapの使用（Deploymentで）
# envFromを使用して環境変数として読み込み

# deployment-with-configmap.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: app-with-config
spec:
  template:
    spec:
      containers:
      - name: app
        image: my-app:latest
        envFrom:
        - configMapRef:
            name: app-config

4.2 Secret

Secretは、機密情報（パスワード、トークンなど）を保存するためのオブジェクトです。

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

# Secretの確認
kubectl get secrets
kubectl describe secret db-secret

# Secretの値の表示（デコード）
kubectl get secret db-secret -o jsonpath='{.data.password}' | base64 -d

# secret-example.yaml
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: db-secret
type: Opaque
stringData:
  username: admin
  password: secretpassword

5. スケーリング

5.1 手動スケーリング

# レプリカ数の変更
kubectl scale deployment web-app --replicas=5

# 現在のレプリカ数を確認
kubectl get deployment web-app

5.2 自動スケーリング（HPA）

Horizontal Pod Autoscaler（HPA）は、CPU使用率やカスタムメトリクスに基づいて自動的にスケーリングします。

# hpa-example.yaml
apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: web-app-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: web-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の作成
kubectl apply -f hpa-example.yaml

# HPAの状態確認
kubectl get hpa

# HPAの詳細
kubectl describe hpa web-app-hpa

6. ロールアウトとロールバック

6.1 ローリングアップデート

# イメージの更新
kubectl set image deployment/web-app web-app=nginx:1.22

# ロールアウトの状態確認
kubectl rollout status deployment/web-app

# ロールアウト履歴の確認
kubectl rollout history deployment/web-app

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

# 特定のリビジョンにロールバック
kubectl rollout undo deployment/web-app --to-revision=2

6.2 デプロイメント戦略

# rolling-update-strategy.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-app
spec:
  strategy:
    type: RollingUpdate
    rollingUpdate:
      maxSurge: 1
      maxUnavailable: 0
  replicas: 3
  template:
    # ...

7. 名前空間（Namespace）

名前空間は、クラスタ内でリソースを論理的に分離するために使用します。

# 名前空間の作成
kubectl create namespace development
kubectl create namespace production

# 名前空間の一覧
kubectl get namespaces

# 特定の名前空間での操作
kubectl get pods -n development

# 名前空間の切り替え（コンテキストの設定）
kubectl config set-context --current --namespace=development

# 名前空間の削除
kubectl delete namespace development

# namespace-example.yaml
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: staging
  labels:
    name: staging

8. ヘルスチェックとライブネスプローブ

# healthcheck-example.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: web-app
spec:
  template:
    spec:
      containers:
      - name: web-app
        image: nginx:latest
        livenessProbe:
          httpGet:
            path: /health
            port: 80
          initialDelaySeconds: 30
          periodSeconds: 10
          timeoutSeconds: 5
          failureThreshold: 3
        readinessProbe:
          httpGet:
            path: /ready
            port: 80
          initialDelaySeconds: 5
          periodSeconds: 5
          timeoutSeconds: 3
          failureThreshold: 3
        startupProbe:
          httpGet:
            path: /startup
            port: 80
          initialDelaySeconds: 0
          periodSeconds: 10
          timeoutSeconds: 3
          failureThreshold: 30

9. Ingress

Ingressは、クラスタ外部からサービスへのHTTP/HTTPSアクセスを管理します。

# ingress-example.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: Ingress
metadata:
  name: web-app-ingress
  annotations:
    nginx.ingress.kubernetes.io/rewrite-target: /
spec:
  ingressClassName: nginx
  rules:
  - host: example.com
    http:
      paths:
      - path: /api
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: api-service
            port:
              number: 80
      - path: /
        pathType: Prefix
        backend:
          service:
            name: web-service
            port:
              number: 80
  tls:
  - hosts:
    - example.com
    secretName: tls-secret

# Ingressコントローラーのインストール（nginx-ingress）
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/ingress-nginx/controller-v1.8.1/deploy/static/provider/cloud/deploy.yaml

# Ingressの作成
kubectl apply -f ingress-example.yaml

# Ingressの確認
kubectl get ingress

10. ストレージ

10.1 PersistentVolumeとPersistentVolumeClaim

# pv-pvc-example.yaml
apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: postgres-pv
spec:
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  hostPath:
    path: /mnt/data

---
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: postgres-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi

10.2 StorageClass

# storageclass-example.yaml
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast-ssd
provisioner: kubernetes.io/gce-pd
parameters:
  type: pd-ssd
  replication-type: regional-pd

11. 実践的なデプロイメント例

11.1 完全なアプリケーションスタック

# full-stack-app.yaml
# Frontend Deployment
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: frontend
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: frontend
  template:
    metadata:
      labels:
        app: frontend
    spec:
      containers:
      - name: frontend
        image: frontend:latest
        ports:
        - containerPort: 3000
        env:
        - name: API_URL
          value: "http://backend-service:8000"

---
# Backend Deployment
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: backend
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: backend
  template:
    metadata:
      labels:
        app: backend
    spec:
      containers:
      - name: backend
        image: backend:latest
        ports:
        - containerPort: 8000
        env:
        - name: DATABASE_URL
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: db-secret
              key: url
        - name: REDIS_URL
          value: "redis://redis-service:6379"

---
# Database Deployment
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: postgres
spec:
  serviceName: postgres
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: postgres
  template:
    metadata:
      labels:
        app: postgres
    spec:
      containers:
      - name: postgres
        image: postgres:15
        env:
        - name: POSTGRES_PASSWORD
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: db-secret
              key: password
        volumeMounts:
        - name: postgres-storage
          mountPath: /var/lib/postgresql/data
  volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: postgres-storage
    spec:
      accessModes: [ "ReadWriteOnce" ]
      resources:
        requests:
          storage: 20Gi

---
# Redis Deployment
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: redis
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: redis
  template:
    metadata:
      labels:
        app: redis
    spec:
      containers:
      - name: redis
        image: redis:7-alpine
        ports:
        - containerPort: 6379

---
# Services
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: frontend-service
spec:
  selector:
    app: frontend
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 3000
  type: LoadBalancer

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: backend-service
spec:
  selector:
    app: backend
  ports:
  - port: 8000
    targetPort: 8000

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: postgres-service
spec:
  selector:
    app: postgres
  ports:
  - port: 5432
    targetPort: 5432

---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: redis-service
spec:
  selector:
    app: redis
  ports:
  - port: 6379
    targetPort: 6379

12. 監視とロギング

12.1 kubectlコマンドでの監視

# リソース使用状況の確認
kubectl top nodes
kubectl top pods

# イベントの確認
kubectl get events --sort-by=.metadata.creationTimestamp

# リソースの詳細情報
kubectl describe pod <pod-name>

12.2 ログの確認

# Podのログ
kubectl logs <pod-name>

# 複数コンテナがある場合
kubectl logs <pod-name> -c <container-name>

# リアルタイムでログを表示
kubectl logs -f <pod-name>

# 過去のログ（以前のコンテナ）
kubectl logs --previous <pod-name>

13. まとめと次のステップ

このガイドを通じて、Kubernetesの基礎から実践的なデプロイメントまで学びました。

学んだこと

• 基本オブジェクト: Pod、Deployment、Service
• 設定管理: ConfigMap、Secret
• スケーリング: 手動スケーリング、HPA
• ロールアウト: ローリングアップデート、ロールバック
• ネットワーキング: Service、Ingress
• ストレージ: PV、PVC、StorageClass
• 実践デプロイ: 完全なアプリケーションスタック

次のステップ

1. Helm: パッケージマネージャー
2. Operator: カスタムリソースの管理
3. Service Mesh: Istio、Linkerd
4. クラウドKubernetes: GKE、EKS、AKS
5. CI/CD統合: ArgoCD、Flux

Kubernetesは、現代のコンテナオーケストレーションの標準です。継続的な学習と実践を通じて、スケーラブルで堅牢なアプリケーションを構築できるようになりましょう！

Happy K8s!