Application Design for Docker and Kubernetes

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Docker / Kuberentes を活かすアプリ設計のポイント THE TWELEVE-FACTOR APP と Kubernetesの使い方 with IBM 2018年10月3日日本アイ・ビー・エム株式会社クラウド事業本部高良真穂

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発想転換を提唱したのが 12Factor App

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© IBM Corporation 14 12 Factor とは –I. コードベース • バージョン管理されている1つのコードベースと複数のデプロイ –II. 依存関係 • 依存関係を明示的に宣言し分離する –III. 設定 • 設定を環境変数に格納する –IV. バックエンドサービス • バックエンドサービスをアタッチされたリソースとして扱う –V. ビルド、リリース、実行 • ビルド、リリース、実行の3つのステージを厳密に分離する –VI. プロセス • アプリケーションを1つもしくは複数のステートレスなプロセスとして実行する

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© IBM Corporation 15 12 Factor とは –VII. ポートバインディング • ポートバインディングを通してサービスを公開する –VIII. 並行性 • プロセスモデルによってスケールアウトする –IX. 廃棄容易性 • 高速な起動とグレースフルシャットダウンで堅牢性を最大化する –X. 開発/本番一致 • 開発、ステージング、本番環境をできるだけ一致させた状態を保つ –XI. ログ • ログをイベントストリームとして扱う –XII. 管理プロセス • 管理タスクを1回限りのプロセスとして実行する

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© IBM Corporation 16 1. コードベース – 一つのコードベースから、複数のデプロイを作る • コードベースとは、GitやSubversionなどのコードのバージョン管理ツール • デプロイは、開発者のPCでの実行、テスト環境、本番環境などで実行されるアプリのインスタンス – K8sでは • レジストリに、アプリの実行形式とそれが依存するOSやライブラリを含んだコンテナを登録 • レジストリに登録されたコンテナから、各環境へデプロイするコードベースコンテナ・リポジトリ開発者#1 開発者#2 テスト環境本番環境デプロイ依存ソフトウェア OSS ライブラリ依存コード Linux配布コンテナアプリ

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© IBM Corporation 18 2. 依存関係 – 依存関係を明示的に宣言し分離する • OSとそのパッケージを含めたすべての依存関係を依存関係宣言マニフェストで完全かつ厳密に宣言 • 依存関係分離ツール(vituralenv,pip,gemなど)を使って、暗黙の依存関係が“漏れ出ない”ことを保証 • この指定は、本番環境と開発環境の両方に対して同様に適用される。 – Dockerfileに依存関係分離ツールの実行を記述することで、アプリが依存する全てのパッケージをコンテナへインストールするコードベースコンテナ・レジストリ依存ソフトウェア、OS OSS ライブラリ依存コード Linux配布コンテナアプリコンテナ Dockerfile アプリ

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© IBM Corporation 19 3. 設定設定を環境変数に格納する – アプリ設定は、デプロイ（ステージング、本番、開発環境など）の間で異なり得る唯一のモノとする。 – 環境変数は、コードを変更することなくデプロイごとに簡単に変更できる。設定ファイルとは異なり、誤ってリポジトリにチェックインされる可能性はほとんどない。 – K8sは、次の環境への保存方法と、環境からの情報取得方法を提供する • ConfigMap 設定ファイルをk8sのネームスペースに保存する • Secret ユーザーID/パスワード、証明書など資格情報を、他者に見られない様にk8sのネームスペースに保存する • Service k8sサービスとしてデプロイすることで、それ以降のポッドの環境変数で、エンドポイントを環境変数で参照可能 • ポッド・テンプレート ConfigMapやSecretの情報を、コンテナの環境変数、または、ボリュームとしてマウントして参照可能資格情報設定ファイル資格情報設定ファイル本番用テスト用本番用ネームスペーステスト用ネームスペースアプリコンテナアプリコンテナサービスサービス K8s クラスタ

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© IBM Corporation 20 他アプリコンテナ他アプリコンテナ 4. バックエンドサービスバックエンドサービスをアタッチされたリソースとして扱う – バックエンドサービスはアプリが通常の動作の中でネットワーク越しに利用するすべてのサービスを言う。 – 例としては、データストア（例：MySQL や CouchDB）、メッセージキューイングシステム（例：RabbitMQ や Beanstalkd）、電子メールを送信するためのSMTPサービス（例：Postfix）、キャッシュシステム（例：Memcached）などがある。 • k8sサービスの機能は、サービスを抽象化することで、外部サービスと内部サービスを同等にアクセスできる。 – 内部サービスを作成する場合、サービスタイプをClusterIP 設定して、対応するポッドと一致するセレクタを設定 – 外部サービスを参照する場合、サービスタイプにExternalNameを設定して、外部サービスのIPやポートを設定アプリコンテナサービス-A サービス-B 他アプリコンテナ DBaaS 内部サービス外部サービスサービスは抽象化され内部外部を区別しないアプリ部品などマイクロサービスデーターベースマネージドサービス

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© IBM Corporation 21 5. ビルド、リリース、実行ビルド、リリース、実行の3つのステージを厳密に分離する – ビルド: アプリコードと依存をまとめて、コンテナをビルドする – リリース：設定ファイル、資格情報を環境に登録、マニフェストをk8sクラスタへ適用 – 実行： ◯◯環境でアプリを実行アプリコンテナビルドリリース資格情報設定ファイル ◯◯環境 ◯◯環境ネームスペースアプリコンテナサービス K8s クラスタレジストリ依存ソフトウェア OSS ライブラリ依存コード Linux配布コンテナコードベースアプリ実行

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© IBM Corporation 22 6. プロセスアプリケーションを1つもしくは複数のステートレスなプロセスとして実行する • ステートレスとは、ウェブサーバーの様に、一回毎のリクエストとレスポンスだけで処理が継続する事を意味しています。つまり、ロードバランサーのステイッキーセッションなどの機能を使って、セッションを確立したコンテナへ固定的に振り向ける事は、コンテナ上のアプリがセッションの状態を持つことになり、12Factor に違反することになります。 • セッションの情報は、外にあるキャッシュ・サービスなどを利用して、アプリ・コンテナの突然の停止に備える必要があります。 • リクエストを受けてから応答する間の一時的なメモリ上のデータは対象外です。 DBサービス永続ボリュームキャッシュ・サービスアプリコンテナ・・・アプリコンテナアプリコンテナどのアプリ・コンテナにリクエストがアサインされても、同じ応答ができる

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© IBM Corporation 23 7. ポートバインディングポートバインディングを通してサービスを公開する • Webアプリとして、PHP、Python、Rubyなどプログラミング言語のフレームワーク等のサーバーポートをバインドして、サービスを公開することを勧めており、公開のためにHTTPサーバーの利用を推奨していません。 • K8sでは、アプリのポートを公開するために、Nginx等のHTTPサーバーのコンテナと組み合わせ事もでき、次の機能によってコンテナのポート番号を公開用ポート番号に対応づける事ができる。 – NodePort ポートフォワーディングと負荷分散 – Ingress URL変換、TLS暗号化、負荷分散等アプリコンテナポッドアプリコンテナポッド内部(ポッド)ネットワーク Ingress or NodePort 外部ネットワーククライアント公開用ポートコンテナポートコンテナポート

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© IBM Corporation 24 8. 並行性プロセスモデルによってスケールアウトする • 個々のワークロードの種類をプロセスタイプに割り当てることで、開発者はアプリケーションが多様なワークロードを扱えるように設計する • スケールアウトが必要になったときである。シェアードナッシングで水平分割可能なTwelve-Factor Appプロセスの性質は、並行性を高める操作が単純かつ確実なものであるフロントエンドポッドバックエンドポッドバッチ処理ポッドフロントエンドポッドフロントエンドポッドバックエンドポッドフロントエンドポッドワークロードの種類でプロセスを別ける（ワークロードの多様性）処理能力の増減は、並列数を増減させる事で対応するポッドレプリカ数 CPU、メモリ資源量

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© IBM Corporation 25 9. 廃棄容易性高速な起動とグレースフルシャットダウンで堅牢性を最大化する • コンテナの起動時間を最小化する努力は常に必要です。この素早い起動は、設定条件の変更、ハード障害からの回復、ワークロードの急増に迅速に対応するためです。 • 終了要求シグナル（SIGTERM）を受け取ると、速やかに終了処理を実行して、プロセスを終了することを推奨しています。 ◯◯環境ネームスペースアプリコンテナ K8s クラスタレジストリコンテナのサイズが大きいとレジストリからダウンロードが長くなり、起動に時間がかかる SIGTERM 経過時間 SIGKILL 終了処理 SIGTERMの処理が実装されたコンテナ SIGTERMの考慮が無いコンテナ t1 t2 t1 < t2

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© IBM Corporation 26 10. 開発/本番一致開発、ステージング、本番環境をできるだけ一致させた状態を保つ • 開発者が書いたコードは、出来るだけ早くデプロイする。 • コードを書いた開発者は、デプロイ作業に関わり、その後、モニタリングする。 • 開発環境と本番環境をできだけ一致した状態に保つ K8sクラスタをネームスペースで分割して、同じハードウェア環境上で、影響なく、開発〜本番環境を共存する事ができる。ネームスペースで実現できる分割 – CPUとメモリの利用上限、ネットワークのアクセス範囲 – kubectlコマンドの有効範囲 – RBACベースのサービスアカウントにより、開発者やSREのアクセス範囲を限定本番用ネームスペース ST用ネームスペースアプリコンテナサービスアプリコンテナサービス IT用ネームスペースアプリコンテナサービス K8s クラスタ

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© IBM Corporation 27 K8s クラスタ 11. ログログをイベントストリームとして扱う – アプリケーションはログファイルに書き込んだり、ログをローテション管理しない。 – それぞれの実行中のコンテナは、イベントストリームを標準出力にバッファリングせずに書きだす – ローカルでの開発中、このストリームをターミナルで見ることで、アプリケーションのデバッグを実施 K8sではコンテナから標準出力に書き出されるイベントストレームは、Fluentd/Logstashで転送されElasticSearchに集約される。 Kibanaを利用して、ポッドやコンテナ横断的に、イベントの発生状況を把握できる。アプリコンテナアプリコンテナアプリコンテナアプリコンテナアプリコンテナ Elastic Search Kibana コンテナのログは、STDOUTヘ出力 K8sクラスタのログ機能としてELKスタックが採用 Prometheus Grafana ログ分析メトリックス分析

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© IBM Corporation 28 12. 管理プロセス管理タスクを1回限りのプロセスとして実行する • アプリケーションのメンテナンスのための一回限りの処理の管理用コードは、 – 同じアプリケーションのコンテナ内で実行されるべき – 同じGitリポジトリ等に含まれるべき – アプリと同じコミットの世代が利用できる様に、同じコンテナに含まれるべき – kubectl exec ポッド名コンテナ名、コンテナ内のファイル名を指定して実行する K8s クラスタアプリコンテナアプリコンテナアプリコンテナアプリコンテナアプリコンテナ kubectl exec pod名 -c コンテナ名コマンド

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© IBM Corporation 30 IBM Cloud以外からも、Watson APIを呼び出せるインターネットでアクセス可能な場所から、IBM Cloudのサービスを利用できます。使い慣れた他社クラウド環境からも利用できます。 IBM Watson NoSQLデータベースマネージドサービス API サービス Web アプリケーションインターネットマイクロサービスとして Watson APIと KVSを利用クラウドでもパソコンのISP 経由接続でもOK

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© IBM Corporation 31 IBM Cloud以外からも、Watson APIを呼び出せるインターネットでアクセス可能な場所から、IBM Cloudのサービスを利用できます。使い慣れた他社クラウド環境からも利用できます。 IBM Watson NoSQLデータベースマネージドサービス API サービス Web アプリケーションインターネットマイクロサービスとして Watson APIと KVSを利用クラウドでもパソコンのISP 経由接続でもOK Web アプリケーション

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