Kubernetes データ ストレージ: 理論から実践までの包括的なガイド

1. はじめに

Kubernetes は、K8S とも呼ばれ、今日のクラウド コンピューティング分野における重要なテクノロジーです。オープンソースのコンテナ オーケストレーション システムである K8S を使用すると、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、スケーリング、管理できます。多くの機能の中でも、データ ストレージは Kubernetes システムの重要なコンポーネントであり、エンタープライズ レベルのアプリケーションの効率的で信頼性の高い運用を確保するために不可欠です。この入門書では、K8S システムにおけるデータ ストレージの役割を詳しく説明し、専門の研究者に包括的な概要を提供することを目的としています。

K8Sとクラウドネイティブアーキテクチャの重要性

クラウドネイティブアーキテクチャでは、K8S が中心的な役割を果たします。クラウド ネイティブとは、分散型、動的、マイクロサービス ベースの最新のクラウド環境で完全に機能するように構築および展開されたアプリケーションを指します。クラウド ネイティブ環境の主要テクノロジーである K8S は、効率的なリソース管理、自動拡張、自己修復機能により、動的な環境でアプリケーションを安定して実行できるようにします。ただし、アプリケーションの状態とデータの永続性の問題は、クラウド ネイティブ アーキテクチャが対処する必要がある重要な課題です。

データストレージの中心的な役割

K8S 環境では、データ ストレージの重要性を過小評価することはできません。コンテナ自体は一時的で不安定ですが、多くのアプリケーション、特にデータベース、ファイル ストレージ、その他の重要なデータ処理を伴うアプリケーションでは、永続的で信頼性の高いデータ ストレージ ソリューションが必要です。これには、コンテナが再起動、移行、または拡張されたときにデータの一貫性とセキュリティを確保するために、K8S が永続的なストレージ オプションを提供する必要があります。

Kubernetes のデータ保存メカニズム

Kubernetes がデータの永続性を解決する主なメカニズムは、永続ボリューム (PV) と永続ボリューム要求 (PVC) です。 PV は、管理者によって事前構成されたクラスター内のストレージの一部であり、アプリケーションやサービスによって独立したリソースとして使用できます。 PVC では、ユーザーは必要に応じて PV 上のストレージ スペースを申請できます。これは、ユーザーによるストレージ リソースの要求のようなものです。このモデルは柔軟性とスケーラビリティを提供し、ユーザーは必要に応じてストレージ リソースを動的に割り当て、管理できます。

データストレージ戦略の重要性

K8S でデータ ストレージを管理するには、データのバックアップ、リカバリ、暗号化、コンプライアンスなどのストレージ戦略を慎重に検討する必要があります。効果的なデータ ストレージ戦略は、データの永続性と可用性を保証するだけでなく、データのセキュリティとコンプライアンスも確保します。 Kubernetes の導入がエンタープライズ レベルで拡大し続けるにつれて、これらの考慮事項はさらに重要になります。

2. K8Sデータストレージの概要

Kubernetes (K8S) のデータ ストレージ メカニズムを詳しく調べる前に、その基本的な概念とコンポーネントを理解することが重要です。このセクションでは、K8S データ ストレージの基本、コア コンポーネント、サポートされているストレージ タイプ、K8S 環境でのデータ ストレージ管理の課題などを詳しく紹介します。

K8Sデータストレージの基礎

K8S のデータ ストレージ メカニズムは、コンテナー化されたアプリケーションに永続的で可用性の高いストレージ ソリューションを提供するように設計されています。これは、永続ボリューム (PV) と永続ボリューム要求 (PVC) という 2 つのコア概念を通じて実現されます。

• 永続ボリューム (PV) : PV はクラスター内の事前構成されたネットワーク ストレージ スペースであり、管理者によって管理されます。これは単一のコンテナ インスタンスのライフサイクルとは独立しており、コンテナが再起動または削除された後もデータが永続的に保持されることを保証します。
• 永続ボリューム要求 (PVC) : PVC は、ストレージ リソースに対するユーザーのアプリケーションです。ユーザーは PVC で必要なストレージのサイズと特性を指定し、K8S システムはこれらの要件を満たす適切な PV を自動的に一致させます。

このモデルでは、アプリケーションを特定のストレージ実装の詳細から切り離しながら、ストレージ リソースの動的な割り当てと管理が可能になります。

データ保存タイプ

K8S は複数のタイプのストレージ ソリューションをサポートしており、それぞれが異なる使用シナリオに適しています。

• ローカル ストレージ: ノード上のストレージ リソースを直接使用します。高可用性と永続性を必要としない一時的なデータストレージに適しています。
• ネットワーク ストレージ: NFS、iSCSI、クラウド ストレージ サービス (AWS EBS、Azure Disk など) など、データの永続性と共有が必要なシナリオに適しています。
• 分散ストレージ システム: Ceph や GlusterFS などは、高い可用性とスケーラビリティを提供し、大規模な分散データ ストレージのニーズに適しています。

データストレージの課題

K8S 環境では、データ ストレージの管理には多くの課題があります。

• データの一貫性: 複数のコンテナ インスタンス間でデータの一貫性を確保することは、特に同時実行性が高く、複数の書き込みが発生するシナリオでは困難です。
• バックアップとリカバリ: 効果的なバックアップとリカバリ戦略を設計することが、データ セキュリティを確保するための鍵となります。
• パフォーマンスの最適化: データ ストレージのパフォーマンスを確保しながら、コストとリソース使用率のバランスも考慮する必要があります。
• マルチクラウドおよびハイブリッド クラウド環境: マルチクラウドおよびハイブリッド クラウド環境では、データ ストレージの管理がより複雑になり、異なる環境やプラットフォーム間でのデータの移植性と一貫性が求められます。

3. K8Sデータストレージアーキテクチャ

Kubernetes (K8S) のデータ ストレージ アーキテクチャは、強力で柔軟なコア コンポーネントです。このセクションでは、K8S のデータ ストレージ アーキテクチャの主要コンポーネントと動作原理、およびそれらがどのように連携して安定した信頼性の高いデータ ストレージ ソリューションを提供するのかについて詳しく説明します。

アーキテクチャの概要

K8S のデータ ストレージ アーキテクチャは、高い柔軟性とスケーラビリティを備え、シンプルな単一ノード アプリケーションから複雑なマルチノードの高可用性展開までをサポートするように設計されています。このアーキテクチャでは、データ ストレージは、永続ボリューム (PV)、永続ボリューム要求 (PVC)、ストレージ クラス、StatefulSet などを含む一連の抽象化レイヤーとリソース オブジェクトを通じて管理されます。

永続ボリューム (PV) と永続ボリュームクレーム (PVC)

PV と PVC は、K8S データ ストレージ アーキテクチャの最も基本的な 2 つのコンポーネントです。

• PV : クラスター内の物理またはネットワーク ストレージ スペースを表します。 PV は事前に構成されており、それを使用する特定のアプリケーションとは独立しています。
• PVC : ユーザーのストレージ要件の説明。必要なストレージのサイズ、アクセス モード (読み取り専用、読み取り/書き込みなど) などの特性を定義します。K8S は、PVC と PV を一致させることでストレージ要件を満たします。

StorageClass リソース

StorageClass は、管理者がストレージの「クラス」を定義できるようにする K8S のリソース オブジェクトです。 StorageClass を使用すると、管理者はさまざまな種類のストレージ (たとえば、高性能 SSD と標準ハードディスク) を記述してプロビジョニングし、動的プロビジョニングなどのさまざまなポリシーを設定できます。

動的ストレージプロビジョニング

動的ストレージ プロビジョニングは、K8S データ ストレージ アーキテクチャの重要な機能です。このモードでは、PVC が作成されると、システムは一致する PV を自動的に作成できます。これにより、ストレージの管理と割り当てが大幅に簡素化され、ユーザーはストレージの具体的な実装の詳細について心配する必要がなくなります。

ステートフルセット

StatefulSets は、K8S でステートフル アプリケーションを管理するためのリソース タイプです。これは、データベースなどのステートフル サービスを実行するために重要な、デプロイメントおよびスケーリング操作の順序と一意性を保証します。 StatefulSets は PV および PVC と緊密に結合され、各インスタンスに安定した永続的なストレージが確保されます。

分析例

K8S データ ストレージ アーキテクチャの仕組みをよりよく理解するために、永続的なストレージを必要とするデータベースをデプロイするという一般的なアプリケーション シナリオを考えてみましょう。この場合、管理者はまず適切な StorageClass を作成し、動的ストレージ プロビジョニングを構成する必要があります。次に、StatefulSet をデプロイすると、各データベース インスタンスが自動的に PVC に関連付けられ、K8S によって各 PVC に対応する PV が作成または割り当てられます。

4. ストレージボリューム管理

Kubernetes (K8S) では、ストレージ ボリューム管理は、データの永続性と高可用性を確保するための重要なステップです。このセクションでは、ライフサイクル管理、動的ボリュームプロビジョニング、ストレージボリュームアクセスモードなど、K8S 環境でストレージボリュームを効果的に管理する方法について詳しく説明します。

ストレージボリュームライフサイクル管理

ライフサイクル管理は、K8S ストレージ ボリューム管理の中核です。割り当て、使用、バックアップ、最終的なクリーンアップなど、ストレージ ボリュームの作成から削除までのプロセス全体が含まれます。 K8S では、PV と PVC によって、ストレージ ボリュームのライフサイクルを、それを使用するコンテナーから独立させることができるメカニズムが提供されます。

• 作成と割り当て: PVC が作成されると、K8S は適切な PV を自動的に一致させます (動的プロビジョニングが使用されている場合は、新しい PV が作成されます)。
• 使用法: コンテナーは PVC を介してストレージ ボリュームをマウントし、アクセスできます。
• バックアップと移行: バックアップ メカニズムによりデータの永続性とセキュリティが確保され、移行機能によりストレージ ボリュームを異なるノード間で移動してサービスの継続性を確保できます。
• クリーンアップとリサイクル: PVC が削除されると、対応する PV はリサイクル ポリシーに応じて再利用のためにリサイクルされるか、完全に削除される可能性があります。

動的ボリュームプロビジョニング

動的ボリューム プロビジョニングは、PVC のニーズを満たすストレージ ボリュームを自動的に作成できる K8S の高度な機能です。これにより、特に大規模で動的に変化する環境でのストレージ管理が大幅に簡素化されます。

• StorageClass : 管理者は、異なる StorageClass を定義することで、さまざまな種類のストレージと動的プロビジョニング ポリシーを設定できます。
• 自動化されたプロセス: アプリケーションにストレージが必要な場合は、PVC を作成するだけで、K8S が StorageClass に基づいて対応する PV を自動的に作成します。
• 効率性と拡張性: この自動化により、効率性が向上するだけでなく、ストレージ リソースの拡張がより柔軟かつ容易になります。

ストレージボリュームのアクセスモード

K8S のストレージ ボリュームは、さまざまなアクセス モードをサポートしており、さまざまなノードがボリュームにアクセスする方法を定義します。

• ReadWriteOnce (RWO) : ボリュームは 1 つのノードによってのみ読み取り/書き込みでマウントできます。
• ReadOnlyMany (ROX) : ボリュームは複数のノードによって読み取り専用としてマウントできます。
• ReadWriteMany (RWX) : ボリュームは、読み取り/書き込みモードで複数のノードによってマウントできます。

適切なアクセス モードを選択することは、アプリケーションのパフォーマンスとデータの一貫性を確保するために重要です。

V. ベストプラクティス

Kubernetes (K8S) のデータ ストレージ管理では、ベスト プラクティスに従うことが、システムの安定性、効率性、およびデータ セキュリティを確保するための鍵となります。このセクションでは、一連のベスト プラクティスを詳しく説明し、具体的な例と運用の詳細を通じて、これらのプラクティスが実際の環境でどのように実装されるかを説明します。

データのバックアップと回復戦略

データ セキュリティを確保するための最優先事項は、効果的なバックアップおよびリカバリ戦略を開発することです。

• 定期的なバックアップ: 重要なデータを定期的にバックアップします。 Velero などのツールを使用して、K8S リソースと PV データのバックアップを自動化します。
• 災害復旧計画: サービスとデータを迅速に復旧する方法を含む詳細な災害復旧計画を策定します。
• 事例: たとえば、電子商取引会社が Velero を通じて K8S 環境内のすべてのデータベースを定期的にバックアップしているとします。データセンターに障害が発生した場合でも、最新のバックアップからデータを迅速に復元し、業務の中断を最小限に抑えることができました。

ストレージ効率の最適化

ストレージ リソースを効果的に管理すると、パフォーマンスが向上するだけでなく、コストも削減できます。

• ストレージ クラスの最適化: さまざまなアプリケーションのパフォーマンス要件に基づいて、異なるストレージ クラスを作成します。たとえば、I/O に敏感なアプリケーションには高性能 SSD ストレージを使用し、それほど敏感でないアプリケーションには標準のハードディスクを使用します。
• リソース クォータ: 過剰使用を防ぐために、さまざまな名前空間またはアプリケーションにストレージ リソース クォータを設定します。

データセキュリティとコンプライアンス

データの保護とコンプライアンスの確保は、あらゆる組織にとって最優先事項です。

• 暗号化: 機密データが転送中と保存中の両方で暗号化されていることを確認します。 K8S の Secret を使用して機密データを管理したり、外部のキー管理システムを使用したりできます。
• アクセス制御: RBAC (ロールベースのアクセス制御) を適切に構成して、許可されたユーザーとアプリケーションのみが特定のデータ リソースにアクセスできるようにします。

アプリケーションとストレージの分離

アプリケーションとストレージの論理的な分離を確保し、データに影響を与えることなくアプリケーションを柔軟に更新および移行できるようにします。

• PVC と PV を使用する: PVC と PV を使用して、アプリケーションを特定のストレージ実装から分離します。
• ストレージの抽象化: StorageClass と動的ボリューム プロビジョニング メカニズムを使用して、アプリケーションがストレージの詳細について心配する必要がなくなります。

事例: ダイナミックなキャパシティ拡張の実践

トラフィック量の多い Web サイトでは、ユーザー データが増えるにつれて、元のストレージ容量が不足します。 StorageClass をベースにした動的容量拡張機能を採用しました。 PVC が容量制限に近づいていることが検出されると、容量拡張プロセスが自動的にトリガーされ、ダウンタイムなしでストレージ容量を増やすことができました。これにより、ストレージの柔軟性が向上するだけでなく、ビジネスの継続性も確保されます。