Kubernetes の高可用性の探求: シングルマスタークラスターとマルチマスターノードクラスターソリューション

1. シングルマスタークラスター

k8s クラスターは、k8s を実行するノードのグループで構成されます。ノードは物理マシン、仮想マシン、またはクラウドサーバーになります。 k8s クラスター内のノードは、マスターとノードの 2 つの役割に分かれています。

マスターノード: マスターノードは、クラスター全体の制御と管理を担当します。 kube-apiserver、kube-scheduler、kube-controller-manager などのいくつかの主要コンポーネントを実行します。マスターノードは 1 つ以上存在できます。マスターノードが複数ある場合は、分散キー値ストレージである etcd を通じてデータの一貫性を維持する必要があります。
ノード: ノードは、ユーザーアプリケーションを実行する動作ノードです。 kubelet、kube-proxy、コンテナランタイムなどの必要なコンポーネントを実行します。ノードは 1 つ以上存在できます。複数のノードがある場合は、ネットワークプラグインを介して通信およびルーティングする必要があります。

通常は、シングルマスターのマルチノードクラスターを構築します。これは、マスターノードが 1 つだけあり、ノードが複数ある一般的な k8s クラスターアーキテクチャです。このアーキテクチャの利点は、シンプルで構築が簡単で、k8s の機能や特徴を学習およびテストするのに適していることです。このアーキテクチャの欠点は、マスターノードが単一障害点になることです。マスターノードに問題がある場合、クラスター全体が正常に動作しなくなります。

k8s シングルマスターマルチノードクラスターを構築する方法は多数あります。さまざまなニーズやシナリオに応じて、ノードクラスターを構築および運用するための適切な方法を選択できます。一般的に言えば、いくつかの一般的な方法があります。

kubeadm の使用: これは、公式ツール kubeadm を使用してノードクラスターをすばやく作成および管理する方法です。 kubeadm は、kubelet、kube-proxy、コンテナランタイムなど、ノードに必要なコンポーネントを自動的にインストールして構成できます。このアプローチは、学習やテストの目的、または単純な本番環境に適しています。
kops の使用: これは、オープンソースツール kops を使用して、クラウドサービスプロバイダー (AWS、GCP など) 上でノードクラスターを作成および管理する方法です。 Kops は、仮想マシン、ネットワーク、ストレージなどのクラウドリソースを自動的に作成および構成し、ノードに必要なコンポーネントをインストールして構成できます。この方法は、クラウドに高可用性とスケーラビリティを備えたノードクラスターを展開するのに適しています。
他のツールまたはプラットフォームの使用: これは、他のサードパーティが提供するツールまたはプラットフォームを使用してノードクラスターを作成および管理する方法です。たとえば、Ansible、Terraform、Rancher などのツールを使用して、ノードクラスターの作成と構成のプロセスを自動化およびカスタマイズできます。あるいは、クラウドサービスプロバイダーが提供するマネージドサービス (EKS、GKE、AKS など) を使用して、ノードクラスターを直接作成および管理することもできます。このアプローチはさまざまなニーズや好みに適していますが、より多くの学習とデバッグのコストが必要になる可能性があります。

2. マルチマスタークラスタ

通常、マスターノードが 1 つしかない場合、そのマスターノードに障害が発生したり、使用できなくなったりすると、クラスター全体が制御を失い、操作は実行されなくなります。したがって、クラスターの高可用性を確保するには、マスタークラスターを構築するために複数のマスターノードが必要です。マルチマスタークラスターは、アプリケーションクラスターとストレージクラスターに分けることができます。アプリケーションクラスターは、主に apiserver、スケジューラ、およびコントローラマネージャーのクラスターです。これらは個別のノードとして負荷分散クラスターを実装することができ、etcd はマルチノードの高可用性クラスターを実装できます。その中で、etcd はクラスタ化が可能であり、組み込みクラスタと外部クラスタに分けられます。詳しい紹介は以下の通りです。

1. アプリケーション負荷分散クラスター

Kubernetes マルチマスタークラスターとは、複数のマスターノードを使用してクラスターの可用性とフォールトトレランスを向上させるソリューションを指します。マスターノードは、クラスター内のリソースとサービスを制御および管理する役割を担います。次のコンポーネントを実行します。

kube-apiserver: HTTP REST インターフェースの主要なサービスプロセスを提供します。これは、クラスター内のすべてのリソースを追加、削除、変更、および照会するための唯一のエントリポイントであり、クラスター制御のエントリプロセスでもあります。
kube-scheduler: リソースのスケジューリング (Pod のスケジューリング) を担当するプロセス。バス会社の「配車室」に相当します。
kube-controller-manager: クラスター内のすべてのリソースオブジェクトの自動制御センター。リソースオブジェクトの「ゼネラルマネージャー」として理解できます。

Kubernetes マスタークラスターを実装する方法は多数あります。さまざまなニーズやシナリオに応じて、マスタークラスターを構築および運用するための適切な方法を選択できます。一般的に、負荷分散クラスターは実装方法に応じて次のソリューションに分類できます。

ハードウェアロードバランシング: ハードウェアロードバランシングは、F5、Cisco などの特殊なハードウェアデバイスを使用してロードバランシングを実装するソリューションです。ハードウェアロードバランシングの利点は、パフォーマンスが高く、安定性が強いことですが、欠点はコストが高く、スケーラビリティが低いことです。
ソフトウェア負荷分散: ソフトウェア負荷分散は、Nginx、HAProxy などの一般的なサーバーとソフトウェアを使用して負荷分散を実装するソリューションです。ソフトウェア負荷分散の利点は、コストが低く、スケーラビリティに優れていることですが、欠点はパフォーマンスが低く、安定性が低いことです。
ハイブリッドロードバランシング: ハイブリッドロードバランシングは、ハードウェアデバイスをグローバルエントリとして使用し、ソフトウェアをローカル配布に使用するなど、ハードウェアとソフトウェアを組み合わせてロードバランシングを実現するソリューションです。ハイブリッド負荷分散の利点は、パフォーマンスとコストの両方を考慮していることですが、欠点は非常に複雑で保守が難しいことです。

2. ストレージ高可用性クラスター

etcd: クラスター内のすべてのリソースオブジェクトのステータスとメタデータを保存するために使用される分散キー値ストレージシステム。

k8s は高可用性 (HA) Kubernetes etcdクラスターを構成します。

次の 2 種類の HA クラスターを設定できます。

etcdノードがコントロールプレーンノードと共存するスタックされたコントロールプレーンノードを使用する
外部etcdノードを使用する（etcdはコントロールプレーンとは別のノードで実行される）

（1）スタックされたetcdトポロジー - 組み込みetcdクラスター

スタックされた HA クラスターは、etcd 分散データストレージクラスターが kubeadm によって管理されるコントロールプレーンノード上にスタックされ、コントロールプレーンのコンポーネントとして実行されるトポロジです。

各コントロールプレーンノードは、kube-apiserver、kube-scheduler、および kube-controller-manager のインスタンスを実行します。 kube-apiserver は、ロードバランサーを使用してワーカーノードに公開されます。

各コントロールプレーンノードは、そのノードの kube-apiserver とのみ通信するローカル etcd メンバーを作成します。同じことがローカルの kube-controller-manager および kube-scheduler インスタンスにも当てはまります。

このトポロジは、コントロールプレーンと etcd メンバーを同じノードに結合します。外部の etcd クラスターを使用する場合と比較して、セットアップが簡単で、レプリカの管理も容易になります。

ただし、クラスターを積み重ねると、結合が失敗するリスクが伴います。ノードに障害が発生すると、etcd メンバーとコントロールプレーンインスタンスの両方が失われ、冗長性が影響を受けます。コントロールプレーンノードを追加することで、このリスクを軽減できます。

したがって、HA クラスターでは少なくとも 3 つのスタックされたコントロールプレーンノードを実行する必要があります。

これは kubeadm のデフォルトのトポロジです。 kubeadm initとkubeadm joinを使用する場合 --コントロールプレーン コントロールプレーンノードにローカル etcd メンバーを作成すると、コントロールプレーンノードにローカル etcd メンバーが自動的に作成されます。

（２）外部etcdトポロジー - 外部etcdクラスタ

外部 etcd を使用した HA クラスターは、etcd 分散データストレージクラスターがコントロールプレーンノードとは独立した他のノード上で実行されるトポロジです。

スタックされた etcd トポロジと同様に、外部 etcd トポロジ内の各コントロールプレーンノードは、kube-apiserver、kube-scheduler、および kube-controller-manager のインスタンスを実行します。同様に、kube-apiserver はロードバランサーを使用してワーカーノードに公開されます。ただし、etcd メンバーは異なるホスト上で実行され、各 etcd ホストは各コントロールプレーンノードの kube-apiserver と通信します。

このトポロジは、コントロールプレーンと etcd メンバーを分離します。したがって、コントロールプレーンインスタンスまたは etcd メンバーの損失による影響が少なく、スタックされた HA トポロジのようなクラスターの冗長性に影響を与えない HA セットアップが提供されます。

ただし、このトポロジでは、スタックされた HA トポロジの 2 倍のホスト数が必要になります。このトポロジの HA クラスターには、コントロールプレーンノード用に少なくとも 3 つのホストと、etcd ノード用に 3 つのホストが必要です。

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