多クラスタ Kubernetes プラットフォームフレームワークの設計と実踐

はじめに

Kubernetes は現代のクラウドネイティブアーキテクチャにおいて不可欠な技術として注目されています。特に、多クラスタ環境におけるリソース管理やサービス抽象化のニーズが高まっている中、Kubernetes Operator と GitOps の活用が重要な役割を果たしています。本記事では、多クラスタ Kubernetes プラットフォームフレームワークの設計プロセス、技術的課題、および実踐的なアプローチについて詳しく解説します。

技術的背景と課題

初期の開発では単一クラスタの運用が中心でしたが、ビジネスの拡大に伴い、開発・本番環境の分離、地域別リージョン、AWS/Azure/On-prem などの多クラウド環境、さらにはハイブリッドアーキテクチャへの対応が求められました。これにより、リソースの跨クラスタ協調、データの隔離、異質クラウド環境の統合といった複雑な課題が生じました。

また、ユーザーは ML モデルトレーニング、データベース、エッジコンピューティングなど、多様なワークロードの跨クラスタスケジューリングとサービス化を期待しています。

核心設計原則

既存エコシステムの活用：Terraform、Argo CD、Flux、GitOps などのツールを活用し、開発コストを削減
プラットフォームサービス化：CRD を通じて抽象化されたサービス（例：Cubeflow as a Service）を提供
GitOps 驅動：Git リポジトリを配置ソースとして、S3/ローカルディレクトリ/USB などでの同期を実現
クラスタのラベリング：Kubernetes ノードのラベル（リージョン/GPU サポート/バージョン）を用いて柔軟なリソースマッチングを実現

技術実裝

跨クラスタスケジューリング

YAML/CRD を用いてサービス要件（GPU ノード/特定バージョン）を定義
Argo/Flux などの GitOps ツールを用いて配置を同期
ML モデル/データベース/UI コンポーネントなどの多ファイルを異なるクラスタに同期

データ通信の設計

初期は Agent + API によるデータプッシュを採用、後期は GitOps によるデータプルに切り替える
これにより、複雑なデータベースや接続の必要を迴避

プラットフォーム抽象層

API インターフェースでサービス定義とステータス管理を提供
依存管理とワークフロー規則（バージョン管理/リソース制限）を実裝
多クラウド環境での認証モデルの統合をサポート

遇う問題と解決策

リソース衝突の迴避：ラベリングとリソース隔離戦略でユーザーの誤操作を防ぐ
異質クラウド統合：YAML などの標準化されたフォーマットと GitOps でクラウドプロバイダーの差異を軽減
拡張性の課題：オープンなアーキテクチャで Git/S3/ローカルディレクトリなどの多様な同期方法をサポート
パフォーマンス最適化：コントロールプレーンとデータプレーンを分離し、跨クラスタ通信の遅延を削減

キーレッスン

エコシステム統合：Kubernetes CRD などの既存ツールを活用し、開発コストを抑える
複雑さの簡素化：リソース協調やサービス抽象に焦點を當て、過度な設計を避ける
GitOps の中心化：配置管理とデプロイプロセスを Git リポジトリに統合し、追跡性と柔軟性を高める
サービス抽象化：インフラを可編成サービスとして抽象化し、ユーザーの使用障壁を低減

技術アーキテクチャ設計

GitOps の拡張利用

リソース宣言と設定を Git リポジトリに集中し、多クラスタの統一管理を実現
Terraform、Ansible Tower、Backstage などのツールとの GitOps 統合をサポート
Git リポジトリを唯一の通信ソースとして、クラスタ間の直接接続を減らす

多クラスタアーキテクチャの課題

初期には多クラスタアーキテクチャの複雑さを過小評価し、跨クラスタデータ同期とステータス調整を処理する必要があった
雙方向通信メカニズム（Agent + API サービス）を導入し、データ返送問題を解決
「同じ方法でデータ伝送を処理」する戦略により、アーキテクチャ設計を簡素化

Kubernetes 抽象レイヤー設計

Kubernetes Operator と CRD をベースに、より高次の抽象を提供
ユーザーが Kubernetes を熟知している必要がないように、直感的な UI を設計
プラットフォームレイヤーでインフラを抽象化し、アプリケーションチームの使用障壁を低減

開発とイテレーションの経験

バージョン管理設計の失敗

初期にはバージョン管理と依存管理のメカニズムを過度に設計し、開発期間が長引いた
7人のチームが5週間かけて設計・開発を行ったが、最終的に機能は広く利用されなかった
後にはユーザーの緊急性を優先し、過度な設計を避ける戦略を調整

優先順位管理の原則

ユーザーのニーズと組織目標のバランスを考慮し、重要な開発路線を決定
「最小マーチャンダイズ製品（MVP）」で概念を検証し、長期間の無駄な開発を迴避
核心ビジネス目標と一致させ、機能の積み重ねを分散しない

システムの拡張性の考慮

モジュール化設計で多クラウド、ハイブリッドクラウド、エッジコンピューティングのシナリオをサポート
Terraform、Ansible などのツールエコシステムを統合し、統一インターフェース層を構築
現在のオープンソースエコシステムへの依存を維持し、基礎機能の再開発を避ける

プロダクト設計の教訓

過度なエンジニアリングを避ける

Kubernetes エコシステムを活用し、イノベーション層に焦點を當てる
抽象レイヤーで高次の操作を提供し、低レベルの詳細を直接露出しない
プロダクトのコアバリュー：多クラスタ管理とプラットフォーム抽象の簡素化を維持

ユーザー教育とコミュニケーション

Kubernetes の知識レベルが多様なユーザーに対応するため、直感的な使用フローを設計
クイックイテレーションとユーザーフィードバックで機能設計を調整し、過度な設計を迴避
プロダクトの目標と一致させ、継続的なユーザーニーズの検証を実施

アーキテクチャの簡素化戦略

コントロール可能な複雑さを減らし、コアバリューのフローに焦點を當てる
標準化された通信プロトコルで跨クラスタ結合を減らす
拡張性をコアとして、將來のアーキテクチャ進化のニーズをサポート

結論

本記事では、多クラスタ Kubernetes プラットフォームフレームワークの設計プロセス、技術的課題、および実踐的なアプローチについて詳しく解説しました。Kubernetes Operator と GitOps の活用により、複雑な多クラスタ環境を効率的に管理し、ユーザーの使用體験を向上させることが可能になります。今後は、さらなる拡張性と柔軟性を追求し、クラウドネイティブアーキテクチャの進化に貢獻していきます。