【Kubernetes超入門#05】ClusterIP、NodePort

こんにちは、Mashです。

本記事は、近年大注目されているコンテナオーケストレーション技術である Kubernetes について、図解と実機確認例を交えて解説するシリーズとなります。

今回は第５回。

前回までで、Pod／ReplicaSet／Deploymentと、コンテナの展開戦略について学びましたので今回からはK8s環境のネットワーク関連リソースをご紹介します。

今回のゴール

PodのIPアドレスを抽象化するリソース「ClusterIP」を理解する
Podをクラスタ外に公開するリソース「NodePort」を理解する

※本シリーズはLinuxコマンドやネットワーク、Dockerの基礎知識がある方を前提としています。

それではいきましょう！

Contents

環境
Serviceリソース
ClusterIP
1. ClusterIPとは
2. ClusterIPマニフェストとロードバランシング
NodePort
1. NodePortとは
2. NodePortとPodの外部公開
まとめ

環境

私の検証環境はこのようになっています。

検証環境はUbuntu Server 20.04 LTSのサーバ１台構成（MasterとNodeを兼任）
検証マシンへSSH接続済み
kubectlコマンドでK8sクラスタを操作
ノードがインターネットに接続していること
Kubernetesバージョンは1.19.4

イメージはこのような状態↓です。

Deploymentを展開し、NginxのPod（コンテナ）が３つ起動できており、curlコマンドでNginxのWelcomeページにアクセスできることまでを確認しました。

前述の通りPodが３つ展開できている状態ですが、K8s環境ではPodのIPアドレスはバラバラに割り当てられます。そして、有事の際はPodが再起動されることを前提としたコンセプトとなっています。

この状態では、毎回PodのIPアドレスを確認してアクセスする必要があります。

Serviceリソース

そこで登場してくるのが、 ServiceというK8sリソースです。

Serviceは、K8s環境におけるネットワーク経路を管理するリソースで、PodのIPアドレスを抽象化し、複数Podへの通信を分散したりK8sクラスタの外部へ公開したりします。

今回はよく使うものとしては下記２つをご紹介します。（実際には他にも存在します）

ClusterIP
NodePort

ClusterIP

まずはClusterIPからみていきましょう。

ClusterIPとは

ClusterIPはK8sクラスター内からアクセスできるL4ロードバランサーです。

K8s環境においてPodは常に起動・削除を繰り返します。そしてその都度PodのIPアドレスが変わります。

ClusterIPはこの「毎回変わるIPアドレス」を抽象化し、代表IPアドレスを提供します。

ClusterIPマニフェストとロードバランシング

ClusterIPを展開してみます。まずはマニフェストの作成から。

 vi nginx-clusterip.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-clusterip
  labels:
    app: nginx
spec:
  type: ClusterIP
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
  selector:
    app: nginx

kind を Serviceに、そして spec の type でClusterIP と指定します。

port はClusterIPの待受ポート、targetPortでPod側の待受ポート（今回はNginxの80番）を指定します。

そして最後に selector で、ClusterIPにのバックエンドとなるPodを指定しています。

Deploymentのマニフェストを見返すと、このようにラベルが付与されています。keyが「app」、valueが「nginx」というラベルが付与されているリソースを探して紐付ける　ということを自動的にやってくれています。

これが「サービスディスカバリ」機能です。

それではClusterIPを展開します。

# マニフェストからClusterIPリソースを展開
$ kubectl apply -f nginx-clusterip.yaml
service/nginx created

# 展開したClusterIPリソースのIPアドレスを確認
$ kubectl get service
NAME    TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)   AGE
nginx   ClusterIP   10.43.228.90   <none>        80/TCP    38s

ClusterIPが展開できたので、ClusterIPアドレスにHTTPリクエストを投げてみましょう。

$ watch -n 1 "curl -s http://10.43.228.90/"

毎回表示されるコンテナ名が変化している、つまりアクセス先のPodが変化していることがわかります。

ClusterIPが３つのPodに対するHTTPリクエストを分散してくれているわけですね！

図示するとこのようなイメージ↓です。今回はノードが１台ですが、複数ノードで構成されていても問題ありません。

NodePort

ClusterIPでPodへの通信分散もできるようになりました。

せっかくNginxPodが起動してるんだから、そろそろPCのWebブラウザでアクセスしてみようと思った方、、、

ざんねんですが、この時点ではまだWebブラウザでNginxへアクセスすることはできません（泣）

なぜかというと、、

さきほどClusterIPのIPアドレスを調べたところ、「10.42.228.90」でした。

そしてわたしのPCのIPアドレスは「10.10.1.1/24」です。

PCとK8sは別のネットワークなので通信ができないんです。（このあたりはTCP/IPネットワークの基礎知識が必要ですが割愛します）

そんなときに登場するのが K8s Serviceリソースの NodePort になります。

NodePortとは

NodePort はClusterIPを機能拡張したリソースで、ノードのIPアドレスをつかってPodへの接続経路をクラスタ外部に公開することができます。もちろんPodへの通信分散もしてくれます。

今回、わたしのPCのWebブラウザから（つまりK8sの外の世界から）Podへのアクセスを実現しようとしているので、NodePortが必要になります。

わたしのPCから検証用ノードはネットワーク接続済みなので、あとはいいかんじにアドレス変換してくれてPodへ到達できるようになります。

NodePortとPodの外部公開

NodePortをためしてみましょう。

$ vi nginx-nodeport.yaml

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-nodeport
  labels:
    app: nginx-nodeport
spec:
  type: NodePort
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
  selector:
    app: nginx

さきほど登場したClusterIPのマニフェストとほとんど違いはありません。spec.type の指定がNodePort になっているくらいです。

それでは展開しましょう。

$ kubectl apply -f nginx-nodeport.yaml

$ kubectl get service
NAME              TYPE        CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)        AGE
kubernetes        ClusterIP   10.43.0.1      <none>        443/TCP        5d1h
nginx-clusterip   ClusterIP   10.43.202.73   <none>        80/TCP         22h
nginx-nodeport    NodePort    10.43.133.51   <none>        80:32704/TCP   22h

NodePortがポート番号32704 で公開されていることが確認できました。

ちなみに、NodePortリソースで公開されるポート番号はデフォルト状態だと30000～32767のいずれかランダムに割り当てられます。

それではわたしのPCからブラウザでアクセスしてみます。。。！