Kubernetes Operator

Kubernetes Operator とは

DevOps エンジニアにとって、クラスター管理は最も骨の折れる作業です。しかし、Kubernetes Operator がそばにあるので安心です。

アプリに依存しないコントローラーという手法で、k8s や関連 API の機能を拡張し、クラスターやアプリの開発、管理、デプロイがこれまでより容易になります。

基本的には、Operator は k8s のリソースやコントローラーの概念を用いて作られています。ただし、管理対象アプリのライフサイクル (SDLC) を自動化するための知識も備えています。 

Operator は、k8s クラスター上で複雑なアプリ管理を簡単にするために設計されています。アプリのデプロイ方法や運用手順を拡張し、特定のアプリ（例：データベース、メッセージングシステム）の管理を行います。細かい作業は Operator に任せることで、効率が向上します。

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Kubernetes Operator の重要性：その利点とは？

k8s クラスター上でのアプリ運用は難しい場合がありますが、Kubernetes Operator が手間を大幅に軽減してくれます。では、なぜ Kubernetes Operator が重要なのでしょうか？いくつかの理由をご紹介します：

• 使いやすさ

k8s クラスター上の複雑なアプリ管理も、各コンポーネントやリソースを個別に操作する代わりに、望む状態を定義するだけで済むため簡単です。この宣言型の方法は、多くの時間と手間を節約し、より大切な業務に集中できます。🙌

• 高レベルなインターフェース

Kubernetes Operator は、アプリ管理の操作を高レベルなインターフェースで提供します。細部に深入りせずとも、全体の管理が可能になり、チーム内での共通理解が得やすくなります。

• カスタマイズ性

k8s の Operator はカスタマイズが可能で、貴社のアプリのニーズに合わせて調整できます。この柔軟性により、管理サイクルの最適化が実現します。🎯

• 信頼性と安定性 

k8s Operator はアプリの全体的な信頼性と安定性を向上させる重要なツールです。特定のタスクを自動化することで、エラーやダウンタイムのリスクを確実に低減します。特に重要なアプリの運用において、その効果は顕著です。💪

• 時間節約

前述の通り、k8s Operator は多数の手動作業を省き、望む状態を定義するだけで済むため、大幅な時間節約が可能です。これにより、重要な業務に専念することができます。🎯

• チームでの連携

Kubernetes Operator は、チーム内での共通理解と連携を促進します。高レベルな管理インターフェースにより、全員が同じ方向を向いて作業しやすくなります。

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k8s Operator を用いたアプリ管理

以下の理由から、利用するメリットがあります： 

• 宣言型アプローチ: アプリの各コンポーネントやリソースを個別に操作する代わりに、望む状態を定義し、Operator に任せます。 
• ‍自動化: 管理サイクル全体の一部作業を自動化することで、生産性が向上します。例えば、特定の条件に基づいてアプリの規模を自動調整したり、定期保守を自動で実行できます。🤖

Kubernetes Operator Framework

k8s を利用する DevOps エンジニアにとって欠かせないのが、Kubernetes Operator Framework です。これは、アプリ管理を支援する Operator を作成、パッケージ化、デプロイするためのツールやライブラリの集合体です。

この Framework は、以下のような複数の要素で構成されています：

• ・SDK：Operator 作成を支援するツール
• ・レジストリ：保存・配布用の仕組み
• ・Operator Lifecycle Manager (OLM)：クラスター専用 Operator のライフサイクルを管理

さて、この Framework の優れている点は何でしょうか？

まず、Operator 構築に関するベストプラクティスや標準を提供し、アプリの信頼性と安定性を高めます。また、CLI を利用して Operator の作成・テストが容易になり、レジストリを通じて他のユーザと共有できます。

OLM は、Operator のインストール、アップグレード、削除などの作業を自動化し、チームの負担を軽減します。さらに、Framework の高レベルインターフェースにより、チームでの協力が促進され、開発が効率化されます。

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Operator に利用される技術

Operator は重要な Kubernetes の要素ですが、適用に適した技術は限られます。ここでは、代表的な上位 3 種をご紹介します。

• ・Ansible 

Ansible は、世界的に認知された Python ベースの構成管理ツールです。当該マシンや管理ノードが Python で書かれている場合に最適に動作し、管理対象マシンに依存せず運用できます。

Operator のサポート面では、Ansible は初学者にも負担が少ないため選ばれやすいです。Ansible Operator は主に 2 要素で構成されます。

1 つ目は、Operator と k8s の連携用の小さな Golang コード。2 つ目は、その Golang コードが発生させるイベントを受け取り、対応する Ansible Playbook を実行するコンテナです。

Ansible と Operator SDK を組み合わせることで、k8s Operator の生成が迅速かつ容易になります。これにより、コーディングよりも全体の運用管理に注力でき、生成後はアプリ管理に幅広く利用できるほか、各種 Ansible 対応モジュールにもアクセス可能です。

この機能により、クラスター外のアプリワークフローも同時に管理できます。例として、DNS エントリの生成、クラスター外リソースの展開、カスタムメトリクスを使った負荷分散の最適化が挙げられます。

• ・GoLang

Go は Google 所有のプログラミング言語で、Kubernetes と親和性が高いです。実際、Kubernetes 自体も Go で構築されており、学習資源も豊富です。OperatorHub.co の約 71% が Go で作られているため、k8s Operator の生成に非常に適しています。 

• ・Helm

Kubernetes 利用者なら Helm の存在はご存知でしょう。Helm はクラスター運用、デプロイ、最適化を自動で行うツールで、Operator の生成にも適しています。これにより、開発者はアプリ開発に専念できます。 

MongoDB や MySQL のような Helm チャートを活用すれば、データベース操作も迅速に行え、カスタムチャートを作成することでデプロイの自動化も可能です。 

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Operator の事例

Operator の多彩な機能のおかげで、その利用は増加し、関連ツールも豊富に登場しています。ここでは Kubernetes Operator の例をいくつか紹介します。🚀

HPA k8s Operator

この Operator は、Kubernetes クラスター上でのアプリのスケーリングを自動化します。CPU やメモリ使用率などの指標を監視し、需要に応じて pod 数を自動で調整。設定した状態に基づき、最適なリソース利用が実現されます。操作も簡単で、望む状態を定義するだけで HPA Operator が対応します。🚀

RBAC Manager Operator

この Operator は、Role-Based Access Control を管理します。ユーザやグループごとに役割と権限を定義し、許可された利用者のみがリソースにアクセスできるよう制御します。チーム作業での重要リソースの不正アクセス防止に役立ちます。🔒

Istio Operator

Istio は、アプリ内のマイクロサービス間の連携を支援する強力なサービスメッシュです。Istio Operator により、Envoy プロキシなどの Istio コンポーネントのデプロイや管理が容易になり、アプリが円滑かつ安全に稼働します。💪

Grafana Operator

Grafana インスタンスを効率的に管理・デプロイする方法を求めるなら、Grafana Operator が役立ちます。これにより、Grafana インスタンスをクラスターに簡単に組み込むことができ、複雑なアプリのデータや指標を視覚化できます。Grafana 開発にかかる手間を大幅に削減します。📊

Starboard Operator

Starboard Operator は、Starboard の観測プラットフォームのデプロイと管理を目指す DevOps エンジニアにとって、非常に有用です。ログの取得、トレース、アプリ使用状況の追跡機能を提供し、大規模または複雑なアプリの重要指標の把握と問題の早期発見を支援します。 

ECK (Elastic Cloud on k8s) Operator

ECK Operator は、クラスター上での Elastic Stack 管理をこれまで以上に容易にし、速やかな稼働を実現します。

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Kubernetes Operator と Helm チャートの比較

k8s Operator は、カスタムコントローラーや Kubernetes API サーバーを拡張するコントローラーとして実装され、Go 言語で記述されます。一方、Helm チャートは YAML テンプレートを用いて、クラスター上で動作するアプリのリソースを定義します。Go テンプレートで変数の置換やカスタマイズが可能で、スクリプトを組み込むこともできます。以下は、Helm チャートの基本例です：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: {{ .Release.Name }}-{{ .Values.service.name }}
  labels:
    app: {{ .Release.Name }}
    chart: {{ .Chart.Name }}-{{ .Chart.Version }}
    release: {{ .Release.Name }}
    heritage: {{ .Release.Service }}
spec:
  type: {{ .Values.service.type }}
  ports:
    - port: {{ .Values.service.port }}
      targetPort: {{ .Values.service.targetPort }}
  selector:
    app: {{ .Release.Name }}
    release: {{ .Release.Name }}

ご覧の通り、k8s Operator と Helm チャートはそれぞれ独自の構文とコード構造を持っていますが、どちらも k8s クラスター上でのアプリの管理・デプロイに強力なツールとなり、DevOps エンジニアの業務を効率化します。 

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Kubernetes Operator 開発のためのベストプラクティス

Operator 作成において、どれだけ完璧を目指してもエラーや欠陥は発生します。StatefulSet や Persistent Volumes といった古い手法に頼ると、事態が悪化する恐れがあります。

これらの従来手法は現代では有効性が薄れているため、最新かつ適切な方法を学び、質の高い k8s Operator 開発を目指す必要があります。以下に最適なアプローチをまとめました。

1. 一度に一つの Operator に集中する

Operator の多彩な機能に惹かれ、アプリごとに複数の Operator を使いたくなるかもしれませんが、基本的には一つの Operator で十分です。一度に一つに絞ることで、目的に沿った開発がしやすくなり、再作業やエラーも減少します。

2. Kubebuilder の使用を検討する

Operator 開発に必要なリソースを一括で提供するツールは便利です。Kubebuilder は、Controller や Kubernetes API を作成・公開できる、包括的な開発キットです。  

広範なドメイン知識がなくても、Kubebuilder の自動実装プロセスにより、数回のクリックで Operator を作成できます。

3. 宣言型 API の利用を心がける

Kubernetes Operator 開発では、命令型 API を避け、宣言型 API の使用に徹することが推奨されます。これにより、Kubernetes API と一致した統一的な開発が実現します。  

宣言型 API を使うことで、必要なクラスター状態を明確に表現し、運用に反映できます。

4. 非同期同期ループの利用を試す

Operator 内でエラーの拡大を防ぐためには、非同期同期ループの採用がおすすめです。例えば、pod の障害など、エラーが発生した場合に該当する同期処理を停止できます。 

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結論

まとめると、Kubernetes Operator はアプリ管理の高レベルな操作を提供し、一部作業の自動化により、複雑または重要なアプリが円滑かつ安定して運用されるようサポートします。

ただし、用途に合わせた適切なツール選びが重要です。Operator は複雑な k8s プロジェクトには有効ですが、シンプルなアプリやコンポーネントの迅速なデプロイには、Helm チャートの方が適している場合があります。Helm チャートはソリューションのパッケージ化や配布を簡単にし、複数クラスター間で共有や再利用が可能です。