Kubernetesは、クラウドネイティブアプリケーションのデプロイと管理を簡素化するためのオープンソースの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広く利用されています。しかし、Kubernetesは元々無狀態ワークロード（stateless workload）を設計したものであり、狀態を持つワークロード（stateful workload）を管理する際には、データの永続性、高可用性、セキュリティ、スケーラビリティなどの新たな課題が生じます。本記事では、Kubernetesにおける狀態ワークロードの管理技術とその技術的考慮點について詳しく解説します。
狀態ワークロードの課題
Kubernetesは、コンテナのスケジューリングやリソース管理に特化しており、データベースやストレージなどの狀態を持つアプリケーションを扱う際には、以下の課題が生じます。
- データの永続性：ノードやディスクの障害時にデータが失われないよう、複製やバックアップの実裝が必須です。
- 高可用性：クラウド環境やエッジコンピューティングの場面では、データの可用性とフェールオーバーの迅速性が求められます。
- セキュリティ：データの暗號化やアクセス制御の実裝が不可欠です。
- スケーラビリティ：クラスタ規模に応じた柔軟な拡張性と、異なるデータベース（例：PostgreSQL、MongoDB）への適応性が求められます。
技術的考慮ポイント
1. データの永続性
- データ保護：ノードやディスク障害時のデータ喪失を防ぐため、複製とバックアップの実裝が必須です。
- エッジ環境の要件：リモートの店舗や鉱山などのエッジコンピューティングでは、クラウドへの依存を減らし、ローカルストレージの導入が求められます。
- ストレージ選択：企業向けのソフトウェア定義ストレージ（SDS）を採用し、ローカルボリュームではなくクラスタ內での管理を推奨します。
2. スケーラビリティと柔軟性
- 多様なアクセスモードのサポート：ブロック、ファイル、オブジェクトなどのアクセスモードをサポートし、RWX（読み取り/書き込み/実行）などの高階ワークロードに対応します。
- クラスタ規模の適応性：小型から百ノード規模までのクラスタに対応し、柔軟なスケーリングが可能です。
- ワークロードの差別化：MongoDBやCassandraなどのデータベースには、冗長複製を避けるための最適な複製戦略が必要です。
3. 高可用性
- コントロールプレーンの冗長性：ソフトウェア定義ストレージのコントロールプレーンは、ノード障害時の自動フェールオーバーをサポートする必要があります。
- データの一貫性：厳格な一貫性複製を実裝し、非同期同期や高速フェールオーバーのメカニズムを備えます。
4. 性能と効率
- ストレージレイヤーのパフォーマンス：ソフトウェアレイヤーでのストレージは、裸メタルに近いパフォーマンス（30〜45％の追加オーバーヘッド）を実現する必要があります。
- リソース管理：I/Oのボトルネックを防ぐため、データバランスや品質保証（QoS）のメカニズムを提供します。
5. データライフサイクル管理
- スナップショットとクローン：IOエラーまたはユーザーの誤操作を防ぐため、スナップショットをクラスタ內に保存します。
- バックアップと復舊：クラスタ內でのバックアップ機能を內蔵し、インクリメンタルバックアップをサポートします。
- 災害復舊：バックアップを遠隔地に保存し、クラスタとデータの災害への耐性を確保します。
6. セキュリティ
- データ暗號化：端対端の暗號化を実裝し、データの転送および靜的保存時のセキュリティを確保します。
- 宣言型管理：Kubernetesの宣言型構文に準拠し、ストレージの構成管理を簡素化します。
- 容量管理：簡単な容量計畫とリソース割當メカニズムを提供します。
7. Kubernetesとの統合
- クラウドネイティブ設計：Kubernetesとの原生的な統合を実現し、従來のストレージシステムの改造を避ける必要があります。
- API互換性：CSI（Container Storage Interface）を通じてKubernetesと連攜し、即時の拡張性と統合性を確保します。
8. コスト管理
- スケーラビリティのコスト制御：成長速度に応じてリソースを調整し、過剰なリソース配置を防ぎます。
- リソース利用率の最適化：データ圧縮やキャッシュなどの技術を活用し、ストレージコストを削減します。
部署アーキテクチャの提案
- 典型的な構成：6ノードのKubernetesクラスタで、3ノードをソフトウェア定義ストレージのコントロールプレーンとして運用し、すべてのハードウェアディスクリソースを統合します。
- 戦略の柔軟性：クラスタレベルのデフォルト戦略を避けて、PostgreSQLやMongoDBなどのワークロードに応じて複製や保護戦略をカスタマイズします。
結論
狀態ワークロードの管理には、データの可用性、保護、セキュリティ、Kubernetesとの深くの統合が不可欠です。高可用性、スケーラビリティ、柔軟性を備えたソフトウェア定義ストレージソリューションの選択が、クラウドネイティブ環境における複雑な要件に対応する鍵となります。