ベストプラクティス

• 1: 大規模クラスターの構築
• 2: 複数のゾーンで動かす
• 3: ノードのセットアップの検証
• 4: Podセキュリティ標準の強制
• 5: PKI証明書とその要件

1 - 大規模クラスターの構築

クラスターはKubernetesのエージェントが動作する(物理もしくは仮想の)ノードの集合で、コントロールプレーンによって管理されます。 Kubernetes v1.31 では、最大5000ノードから構成されるクラスターをサポートします。 具体的には、Kubernetesは次の基準を 全て 満たす構成に対して適用できるように設計されています。

• 1ノードにつきPodが110個以上存在しない
• 5000ノード以上存在しない
• Podの総数が150000個以上存在しない
• コンテナの総数が300000個以上存在しない

ノードを追加したり削除したりすることによって、クラスターをスケールできます。 これを行う方法は、クラスターがどのようにデプロイされたかに依存します。

クラウドプロバイダーのリソースクォータ

クラウドプロバイダーのクォータの問題に遭遇することを避けるため、多数のノードを使ったクラスターを作成するときには次のようなことを考慮してください。

• 次のようなクラウドリソースの増加をリクエストする
  • コンピューターインスタンス
  • CPU
  • ストレージボリューム
  • 使用中のIPアドレス
  • パケットフィルタリングのルールセット
  • ロードバランサーの数
  • ネットワークサブネット
  • ログストリーム
• クラウドプロバイダーによる新しいインスタンスの作成に対するレート制限のため、バッチで新しいノードを立ち上げるようなクラスターのスケーリング操作を通すためには、バッチ間ですこし休止を入れます。

コントロールプレーンのコンポーネント

大きなクラスターでは、十分な計算とその他のリソースを持ったコントロールプレーンが必要になります。

特に故障ゾーンあたり1つまたは2つのコントロールプレーンインスタンスを動かす場合、最初に垂直方向にインスタンスをスケールし、垂直方向のスケーリングの効果が低下するポイントに達したら水平方向にスケールします。

フォールトトレランスを備えるために、1つの故障ゾーンに対して最低1インスタンスを動かすべきです。 Kubernetesノードは、同一故障ゾーン内のコントロールプレーンエンドポイントに対して自動的にトラフィックが向かないようにします。 しかし、クラウドプロバイダーはこれを実現するための独自の機構を持っているかもしれません。

例えばマネージドなロードバランサーを使うと、故障ゾーン A にあるkubeletやPodから発生したトラフィックを、同じく故障ゾーン A にあるコントロールプレーンホストに対してのみ送るように設定します。もし1つのコントロールプレーンホストまたは故障ゾーン A のエンドポイントがオフラインになった場合、ゾーン A にあるノードについてすべてのコントロールプレーンのトラフィックはゾーンを跨いで送信されます。それぞれのゾーンで複数のコントロールプレーンホストを動作させることは、結果としてほとんどありません。

etcdストレージ

大きなクラスターの性能を向上させるために、他の専用のetcdインスタンスにイベントオブジェクトを保存できます。

クラスターを作るときに、(カスタムツールを使って)以下のようなことができます。

• 追加のetcdインスタンスを起動または設定する
• イベントを保存するためにAPIサーバを設定する

大きなクラスターのためにetcdを設定・管理する詳細については、Operating etcd clusters for Kubernetesまたはkubeadmを使用した高可用性etcdクラスターの作成を見てください。

アドオンのリソース

Kubernetesのリソース制限は、メモリリークの影響やPodやコンテナが他のコンポーネントに与える他の影響を最小化することに役立ちます。 これらのリソース制限は、アプリケーションのワークロードに適用するのと同様に、アドオンのリソースにも適用されます。

例えば、ロギングコンポーネントに対してCPUやメモリ制限を設定できます。

  ...
  containers:
  - name: fluentd-cloud-logging
    image: fluent/fluentd-kubernetes-daemonset:v1
    resources:
      limits:
        cpu: 100m
        memory: 200Mi

アドオンのデフォルト制限は、アドオンを小～中規模のKubernetesクラスターで動作させたときの経験から得られたデータに基づきます。 大規模のクラスターで動作させる場合は、アドオンはデフォルト制限よりも多くのリソースを消費することが多いです。 これらの値を調整せずに大規模のクラスターをデプロイした場合、メモリー制限に達し続けるため、アドオンが継続的に停止されるかもしれません。 あるいは、CPUのタイムスライス制限により性能がでない状態で動作するかもしれません。

クラスターのアドオンのリソース制限に遭遇しないために、多くのノードで構成されるクラスターを構築する場合は次のことを考慮します。

• いくつかのアドオンは垂直方向にスケールします - クラスターに1つのレプリカ、もしくは故障ゾーン全体にサービングされるものがあります。このようなアドオンでは、クラスターをスケールアウトしたときにリクエストと制限を増やす必要があります。
• 数多くのアドオンは、水平方向にスケールします - より多くのPod数を動作させることで性能を向上できます - ただし、とても大きなクラスターではCPUやメモリの制限も少し引き上げる必要があるかもしれません。VerticalPodAutoscalerは、提案されたリクエストや制限の数値を提供する _recommender_ モードで動作可能です。
• いくつかのアドオンはDaemonSetによって制御され、1ノードに1つ複製される形で動作します: 例えばノードレベルのログアグリゲーターです。水平方向にスケールするアドオンの場合と同様に、CPUやメモリ制限を少し引き上げる必要があるかもしれません。

次の項目

VerticalPodAutoscaler は、リソースのリクエストやPodの制限についての管理を手助けするためにクラスターへデプロイ可能なカスタムリソースです。 VerticalPodAutoscaler やクラスターで致命的なアドオンを含むクラスターコンポーネントをスケールする方法についてさらに知りたい場合はVertical Pod Autoscalerをご覧ください。

cluster autoscalerは、クラスターで要求されるリソース水準を満たす正確なノード数で動作できるよう、いくつかのクラウドプロバイダーと統合されています。

addon resizerは、クラスターのスケールが変化したときにアドオンの自動的なリサイズをお手伝いします。

2 - 複数のゾーンで動かす

このページでは、複数のゾーンにまたがるKubernetesクラスターの実行について説明します。

背景

Kubernetesは、1つのKubernetesクラスターが複数のゾーンにまたがって実行できるように設計されており、通常これらのゾーンは リージョン と呼ばれる論理的なグループ内に収まります。主要なクラウドプロバイダーは、一貫した機能を提供するゾーン( アベイラビリティゾーン とも呼ばれる)の集合をリージョンと定義しており、リージョン内では各ゾーンが同じAPIとサービスを提供しています。

一般的なクラウドアーキテクチャは、あるゾーンでの障害が別のゾーンのサービスにも影響を与える可能性を最小限に抑えることを目的としています。

コントロールプレーンの動作

すべてのコントロールプレーンコンポーネントは、交換可能なリソースのプールとして実行され、コンポーネントごとに複製されることをサポートします。

クラスターコントロールプレーンをデプロイする場合は、複数のゾーンに渡ってコントロールプレーンコンポーネントのレプリカを配置します。可用性を重視する場合は、少なくとも3つのゾーンを選択し、個々のコントロールプレーンコンポーネント(APIサーバー、スケジューラー、etcd、クラスターコントローラーマネージャー)を少なくとも3つのゾーンに渡って複製します。クラウドコントローラーマネージャーを実行している場合は、選択したすべてのゾーンにまたがって複製する必要があります。

ノードの動作

Kubernetesは、(DeploymentやStatefulSetのような)ワークロードリソース用のPodをクラスター内の異なるノードに自動的に分散します。この分散は、障害の影響を軽減するのに役立ちます。

ノードが起動すると、各ノードのkubeletは、Kubernetes APIで特定のkubeletを表すNodeオブジェクトにラベルを自動的に追加します。これらのラベルにはゾーン情報を含めることができます。

クラスターが複数のゾーンまたはリージョンにまたがっている場合、ノードラベルとPod Topology Spread Constraintsを組み合わせて使用することで、リージョン、ゾーン、さらには特定のノードといった障害ドメイン間でクラスター全体にPodをどのように分散させるかを制御できます。これらのヒントにより、スケジューラーは期待される可用性を高めてPodを配置し、関連する障害がワークロード全体に影響するリスクを低減できます

例えば、StatefulSetの3つのレプリカがすべて互いに異なるゾーンで実行されるように制約を設定できます。ワークロードごとにどのアベイラビリティゾーンを使用するかを明示的に定義しなくても、宣言的に定義できます。

ノードをゾーンに分散させる

Kubernetesのコアがノードを作成してくれるわけではないため、自分で行うか、Cluster APIなどのツールを使ってノードの管理を代行する必要があります。

Cluster APIなどのツールを使用すると、複数の障害ドメインにわたってクラスターのワーカーノードとして実行するマシンのセットを定義したり、ゾーン全体のサービスが中断した場合にクラスターを自動的に復旧するルールを定義できます。

Podの手動ゾーン割り当て

nodeSelectorの制約は、作成したPodだけでなく、Deployment、StatefulSet、Jobなどのワークロードリソース内のPodテンプレートにも適用できます。

ゾーンのストレージアクセス

Persistent Volumeが作成されると、Kubernetesは特定のゾーンにリンクされているすべてのPersistent Volumeにゾーンラベルを自動的に追加します。その後、スケジューラーは、NoVolumeZoneConflict条件を通じて、指定されたPersistent Volumeを要求するPodがそのボリュームと同じゾーンにのみ配置されるようにします。

ゾーンラベルの追加方法は、クラウドプロバイダーと使用しているストレージプロビジョナーによって異なる可能性があることに注意してください。正しい設定を行うために、常に利用している環境のドキュメントを参照してください。

Persistent Volume Claimには、そのクラス内のストレージが使用する障害ドメイン(ゾーン)を指定するStorageClassを指定できます。障害ドメインまたはゾーンを認識するStorageClassの構成については、許可されたトポロジーを参照してください。

ネットワーキング

Kubernetes自体にはゾーンを意識したネットワーキングは含まれていません。ネットワークプラグインを使用してクラスターネットワーキングを設定できますが、そのネットワークソリューションにはゾーン固有の要素があるかもしれません。例えば、クラウドプロバイダーがtype=LoadBalancerのServiceをサポートしている場合、ロードバランサーは与えられた接続を処理するロードバランサーのコンポーネントと同じゾーンで動作しているPodにのみトラフィックを送信する可能性があります。詳しくはクラウドプロバイダーのドキュメントを確認してください。

カスタムまたはオンプレミスのデプロイメントの場合、同様の考慮事項が適用されます。ServiceおよびIngressの動作は、異なるゾーンの処理を含め、クラスターのセットアップ方法によって異なります。

障害回復

クラスターをセットアップする際には、リージョン内のすべてのゾーンが同時にオフラインになった場合にセットアップがサービスを復旧できるかどうか、またどのように復旧させるかを考慮しておく必要があるかもしれません。例えば、ゾーン内にPodを実行できるノードが少なくとも1つあることに依存していますか？クラスタークリティカルな修復作業が、クラスター内に少なくとも1つの健全なノードがあることに依存していないことを確認してください。例えば、全てのノードが不健全な場合、少なくとも1つのノードを使用できるよう修復が完了するように、特別なtolerationで修復Jobを実行する必要があるかもしれません。

Kubernetesにはこの課題に対する答えはありませんが、検討すべきことです。

次の項目

設定された制約を守りつつ、スケジューラーがクラスターにPodを配置する方法については、スケジューリング、プリエンプションと退避を参照してください。

3 - ノードのセットアップの検証

ノード適合テスト

ノード適合テスト は、システムの検証とノードに対する機能テストを提供するコンテナ型のテストフレームワークです。このテストは、ノードがKubernetesの最小要件を満たしているかどうかを検証するもので、テストに合格したノードはKubernetesクラスターに参加する資格があることになります。

ノードの前提条件

適合テストを実行するにはノードは通常のKubernetesノードと同じ前提条件を満たしている必要があります。 最低でもノードに以下のデーモンがインストールされている必要があります:

• コンテナランタイム (Docker)
• Kubelet

ノード適合テストの実行

ノード適合テストを実行するには、以下の手順に従います:

1. kubeletの--kubeconfigオプションの値を調べます。例:--kubeconfig=/var/lib/kubelet/config.yaml。 このテストフレームワークはKubeletのテスト用にローカルコントロールプレーンを起動するため、APIサーバーのURLとしてhttp://localhost:8080を使用します。 他にも使用できるkubeletコマンドラインパラメーターがいくつかあります:

   • --cloud-provider: --cloud-provider=gceを指定している場合は、テストを実行する前にこのフラグを取り除いてください。

2. 以下のコマンドでノード適合テストを実行します:

# $CONFIG_DIRはKubeletのPodのマニフェストパスです。
# $LOG_DIRはテスト出力のパスです。
sudo docker run -it --rm --privileged --net=host \
  -v /:/rootfs -v $CONFIG_DIR:$CONFIG_DIR -v $LOG_DIR:/var/result \
  registry.k8s.io/node-test:0.2

他アーキテクチャ向けのノード適合テストの実行

Kubernetesは他のアーキテクチャ用のノード適合テストのdockerイメージを提供しています:

選択したテストの実行

特定のテストを実行するには、環境変数FOCUSを実行したいテストの正規表現で上書きします。

sudo docker run -it --rm --privileged --net=host \
  -v /:/rootfs:ro -v $CONFIG_DIR:$CONFIG_DIR -v $LOG_DIR:/var/result \
  -e FOCUS=MirrorPod \ # MirrorPodテストのみを実行します
  registry.k8s.io/node-test:0.2

特定のテストをスキップするには、環境変数SKIPをスキップしたいテストの正規表現で上書きします。

sudo docker run -it --rm --privileged --net=host \
  -v /:/rootfs:ro -v $CONFIG_DIR:$CONFIG_DIR -v $LOG_DIR:/var/result \
  -e SKIP=MirrorPod \ # MirrorPodテスト以外のすべてのノード適合テストを実行します
  registry.k8s.io/node-test:0.2

ノード適合テストは、node e2e testのコンテナ化されたバージョンです。 デフォルトでは、すべての適合テストが実行されます。

理論的には、コンテナを構成し必要なボリュームを適切にマウントすれば、どのノードのe2eテストも実行できます。しかし、不適合テストを実行するためにはより複雑な設定が必要となるため、適合テストのみを実行することを強く推奨します。

注意事項

• このテストでは、ノード適合テストイメージや機能テストで使用されるコンテナのイメージなど、いくつかのdockerイメージがノード上に残ります。
• このテストでは、ノード上にデッドコンテナが残ります。これらのコンテナは機能テスト中に作成されます。

4 - Podセキュリティ標準の強制

このページでは、Podセキュリティの標準を強制する際のベストプラクティスの概要を説明します。

ビルトインPodセキュリティアドミッションコントローラーの使用

Podセキュリティアドミッションコントローラーは、非推奨のPodSecurityPolicyを置き換えます。

すべてのNamespaceに設定する

設定が全く無いNamespaceは、クラスターのセキュリティモデルにおいて重大な弱点とみなすべきです。 各Namespaceで発生するワークロードのタイプを時間をかけて分析し、Podセキュリティ標準を参照しながら、それぞれに適切なレベルを決定することを推奨します。 また、ラベルのないNamespaceは、まだ評価されていないことだけを示すべきです。

すべてのNamespaceのワークロードが同じセキュリティ要件を持つというシナリオでは、PodSecurityラベルを一括適用する方法を例で説明しています。

最小特権の原則を採用する

理想的な世界では、すべてのNamespaceのPodがrestrictedポリシーの要件を満たすでしょう。 しかし、ワークロードの中には正当な理由で昇格した特権を必要とするものもあるため、それは不可能であり、現実的でもありません。

• privilegedワークロードを許可するNamespaceは、適切なアクセス制御を確立し、実施すべきである。
• 最小権限のNamespaceで実行されるワークロードについては、そのワークロードのセキュリティ要件に関するドキュメントを整備する。可能であれば、それらの要件がどのように制約される可能性があるのかを考慮する。

マルチモード戦略の採用

Podセキュリティアドミッションコントローラーのauditとwarnモードを使用すると、既存のワークロードを破壊することなく、Podに関する重要なセキュリティインサイトを簡単に収集できます。

すべてのNamespaceでこれらのモードを有効にし、最終的にenforceしたいレベルやバージョンに設定するのがよい方法です。 このフェーズで生成される警告と監査注釈は、その状態への指針となります。 ワークロード作成者が希望のレベルに収まるように変更することを期待している場合は、warnモードを有効にしてください。 監査ログを使用して、希望のレベルに収まるように変更を監視/推進することを期待している場合は、auditモードを有効にしてください。

enforceモードが希望通りの値に設定されている場合でも、これらのモードはいくつかの異なる方法で役立ちます。

• warnをenforceと同じレベルに設定すると、バリデーションを通過しないPod(またはPodテンプレートを持つリソース)を作成しようとしたときに、クライアントが警告を受け取るようになります。これにより、対象のリソースを更新して準拠させることができます。
• enforceを特定の最新バージョンではないに固定するNamespaceでは、auditとwarnモードをenforceと同じレベルに設定するが、最新バージョンに対して設定することで、以前のバージョンでは許可されていたが、現在のベストプラクティスでは許可されていない設定を可視化することができます。

サードパーティによる代替案

Kubernetesエコシステムでは、セキュリティプロファイルを強制するための他の選択肢も開発されています。

• Kubewarden
• Kyverno
• OPA Gatekeeper

ビルトインソリューション(PodSecurityアドミッションコントローラーなど)とサードパーティツールのどちらを選ぶかは、あなたの状況次第です。 どのようなソリューションを評価する場合でも、サプライチェーンの信頼が非常に重要です。最終的には、前述のアプローチのどれを使っても、何もしないよりはましでしょう。

5 - PKI証明書とその要件

Kubernetesでは、TLS認証のためにPKI証明書が必要です。 kubeadmでKubernetesをインストールする場合、必要な証明書は自動で生成されます。 自身で証明書を作成することも可能です。例えば、秘密鍵をAPIサーバーに保持しないことで、管理をよりセキュアにする場合が挙げられます。 本ページでは、クラスターに必要な証明書について説明します。

クラスターではどのように証明書が使われているのか

Kubernetesは下記の用途でPKIを必要とします:

• kubeletがAPIサーバーの認証をするためのクライアント証明書
• APIサーバーがkubeletと通信するためのkubeletのサーバー証明書
• APIサーバーのエンドポイント用サーバー証明書
• クラスターの管理者がAPIサーバーの認証を行うためのクライアント証明書
• APIサーバーがkubeletと通信するためのクライアント証明書
• APIサーバーがetcdと通信するためのクライアント証明書
• controller managerがAPIサーバーと通信するためのクライアント証明書およびkubeconfig
• スケジューラーがAPIサーバーと通信するためのクライアント証明書およびkubeconfig
• front-proxy用のクライアント証明書およびサーバー証明書

さらに、etcdはクライアントおよびピア間の認証に相互TLS通信を実装しています。

証明書の保存場所

kubeadmを使用してKubernetesをインストールする場合、ほとんどの証明書は/etc/kubernetes/pkiに保存されます。このドキュメントの全てのパスは、そのディレクトリの相対パスを表します。 ただしユーザーアカウントの証明書に関しては、kubeadmは/etc/kubernetesに配置します。

手動で証明書を設定する

もしkubeadmに必要な証明書の生成を望まない場合、それらを単一ルート認証局を使って作成するか、全ての証明書を提供することで作成できます。 自身の認証局を作成する詳細については、証明書を手動で生成するを参照してください。 証明書の管理についての詳細は、kubeadmによる証明書管理を参照してください。

単一ルート認証局

管理者によりコントロールされた、単一ルート認証局の作成が可能です。このルート認証局は複数の中間認証局を作る事が可能で、作成はKubernetes自身に委ねます。

必要な認証局:

上記の認証局に加えて、サービスアカウント管理用に公開鍵/秘密鍵のペア(sa.keyとsa.pub)を取得する事が必要です。 次の例は、前の表で示されたCAのキーと証明書を示しています:

/etc/kubernetes/pki/ca.crt
/etc/kubernetes/pki/ca.key
/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt
/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.key
/etc/kubernetes/pki/front-proxy-ca.crt
/etc/kubernetes/pki/front-proxy-ca.key

全ての証明書

CAの秘密鍵をクラスターにコピーしたくない場合、自身で全ての証明書を作成できます。

必要な証明書:

[1]: クラスターに接続するIPおよびDNS名( kubeadmを使用する場合と同様、ロードバランサーのIPおよびDNS名、kubernetes、kubernetes.default、kubernetes.default.svc、kubernetes.default.svc.cluster、kubernetes.default.svc.cluster.local)

ここで種類は、一つまたは複数のx509の鍵用途にマッピングされており、これはCertificateSigningRequestの.spec.usagesにも記載されています:

証明書のパス

証明書は推奨パスに配置するべきです(kubeadmを使用する場合と同様)。 パスは場所に関係なく与えられた引数で特定されます。

サービスアカウント用の鍵ペアについても同様です。

次の例は、自分自身で全てのキーと証明書を生成している場合に提供する必要があるファイルパスを前の表から示しています:

/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.key
/etc/kubernetes/pki/etcd/ca.crt
/etc/kubernetes/pki/apiserver-etcd-client.key
/etc/kubernetes/pki/apiserver-etcd-client.crt
/etc/kubernetes/pki/ca.key
/etc/kubernetes/pki/ca.crt
/etc/kubernetes/pki/apiserver.key
/etc/kubernetes/pki/apiserver.crt
/etc/kubernetes/pki/apiserver-kubelet-client.key
/etc/kubernetes/pki/apiserver-kubelet-client.crt
/etc/kubernetes/pki/front-proxy-ca.key
/etc/kubernetes/pki/front-proxy-ca.crt
/etc/kubernetes/pki/front-proxy-client.key
/etc/kubernetes/pki/front-proxy-client.crt
/etc/kubernetes/pki/etcd/server.key
/etc/kubernetes/pki/etcd/server.crt
/etc/kubernetes/pki/etcd/peer.key
/etc/kubernetes/pki/etcd/peer.crt
/etc/kubernetes/pki/etcd/healthcheck-client.key
/etc/kubernetes/pki/etcd/healthcheck-client.crt
/etc/kubernetes/pki/sa.key
/etc/kubernetes/pki/sa.pub

ユーザーアカウント用に証明書を設定する

管理者アカウントおよびサービスアカウントは手動で設定しなければなりません。

1. 各コンフィグ毎に、CN名と組織を指定してx509証明書と鍵ペアを生成してください。

2. 以下のように、各コンフィグでkubectlを実行してください。

KUBECONFIG=<filename> kubectl config set-cluster default-cluster --server=https://<host ip>:6443 --certificate-authority <path-to-kubernetes-ca> --embed-certs
KUBECONFIG=<filename> kubectl config set-credentials <credential-name> --client-key <path-to-key>.pem --client-certificate <path-to-cert>.pem --embed-certs
KUBECONFIG=<filename> kubectl config set-context default-system --cluster default-cluster --user <credential-name>
KUBECONFIG=<filename> kubectl config use-context default-system

これらのファイルは以下のように利用されます:

以下のファイルは、前の表に挙げたファイルへの絶対パスを示しています:

/etc/kubernetes/admin.conf
/etc/kubernetes/super-admin.conf
/etc/kubernetes/kubelet.conf
/etc/kubernetes/controller-manager.conf
/etc/kubernetes/scheduler.conf