Kubernetes入門と実践 - 基本概念から実際のアプリケーションデプロイまでの完全ガイド

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2026年2月12日 - 5 minutes read - 948 words

Kubernetesは、コンテナオーケストレーションのデファクトスタンダードとして、モダンなアプリケーション開発において欠かせない技術となっています。本記事では、Kubernetesの基本概念から実際のアプリケーションデプロイまでを包括的に解説します。

Kubernetesとは

Kubernetesは、Googleが開発した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です。複数のコンテナを効率的に管理し、スケーリング、ロードバランシング、自動復旧などの機能を提供します。

なぜKubernetesが必要なのか

従来の問題

コンテナの手動管理の複雑さ
サービス発見とロードバランシングの困難
障害時の自動復旧が困難
スケーリングの複雑性

Kubernetesのメリット

宣言的な設定管理
自動スケーリングとセルフヒーリング
サービス発見とロードバランシング
ローリングアップデートとロールバック
リソースの効率的な利用

Kubernetesの基本概念

1. Pod

Podは、Kubernetesにおける最小のデプロイ単位です。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx-pod
spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx:1.21
    ports:
    - containerPort: 80

Podの特徴

1つ以上のコンテナを含む
同一Pod内のコンテナは同じネットワークとストレージを共有
一緒にスケジュールされ、一緒に削除される

2. Deployment

Deploymentは、Podのレプリカセットを管理し、宣言的なアップデートを提供します。

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: nginx-deployment
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.21
        ports:
        - containerPort: 80

Deploymentの機能

レプリカの管理
ローリングアップデート
ロールバック機能
スケーリング

3. Service

Serviceは、Podへの安定したネットワークアクセスを提供します。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: nginx-service
spec:
  selector:
    app: nginx
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
  type: LoadBalancer

Serviceの種類

ClusterIP: クラスター内部からのみアクセス可能
NodePort: 各ノードの特定ポートでアクセス可能
LoadBalancer: クラウドプロバイダーのロードバランサーを使用
ExternalName: 外部サービスへのエイリアス

4. ConfigMapとSecret

ConfigMap: 設定データの管理

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: app-config
data:
  database_url: "mysql://localhost:3306/mydb"
  debug: "true"

Secret: 機密データの管理

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: app-secret
type: Opaque
data:
  username: YWRtaW4=  # base64エンコード済み
  password: cGFzc3dvcmQ=

実践: Webアプリケーションのデプロイ

ステップ1: 環境構築

minikubeを使用してローカル環境を構築：

# minikubeのインストール（macOS）
brew install minikube

# minikubeの開始
minikube start

# kubectlの設定確認
kubectl cluster-info

Docker Desktopを使用する場合：

# Docker DesktopでKubernetesを有効化
# Settings > Kubernetes > Enable Kubernetes

# 設定確認
kubectl config current-context

ステップ2: サンプルアプリケーションの作成

app.yaml - フロントエンドアプリケーション

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: frontend-app
  labels:
    app: frontend
spec:
  replicas: 2
  selector:
    matchLabels:
      app: frontend
  template:
    metadata:
      labels:
        app: frontend
    spec:
      containers:
      - name: frontend
        image: nginx:1.21
        ports:
        - containerPort: 80
        volumeMounts:
        - name: config
          mountPath: /etc/nginx/conf.d
      volumes:
      - name: config
        configMap:
          name: nginx-config
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: frontend-service
spec:
  selector:
    app: frontend
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 80
    targetPort: 80
  type: LoadBalancer
---
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: nginx-config
data:
  default.conf: |
    server {
        listen 80;
        location / {
            proxy_pass http://backend-service:8080;
        }
    }

backend.yaml - バックエンドAPI

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: backend-app
  labels:
    app: backend
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: backend
  template:
    metadata:
      labels:
        app: backend
    spec:
      containers:
      - name: backend
        image: node:16-alpine
        command: ["node"]
        args: ["-e", "const http = require('http'); const server = http.createServer((req, res) => { res.writeHead(200, {'Content-Type': 'application/json'}); res.end(JSON.stringify({message: 'Hello from Kubernetes!', timestamp: new Date().toISOString()})); }); server.listen(8080, () => { console.log('Server running on port 8080'); });"]
        ports:
        - containerPort: 8080
        env:
        - name: NODE_ENV
          value: "production"
        - name: DB_HOST
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: db-secret
              key: host
        resources:
          requests:
            memory: "64Mi"
            cpu: "250m"
          limits:
            memory: "128Mi"
            cpu: "500m"
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: backend-service
spec:
  selector:
    app: backend
  ports:
  - protocol: TCP
    port: 8080
    targetPort: 8080
  type: ClusterIP
---
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: db-secret
type: Opaque
data:
  host: bG9jYWxob3N0  # localhost のbase64エンコード
  username: YWRtaW4=  # admin のbase64エンコード
  password: cGFzc3dvcmQ=  # password のbase64エンコード

ステップ3: アプリケーションのデプロイ

# アプリケーションの適用
kubectl apply -f backend.yaml
kubectl apply -f app.yaml

# デプロイメントの状況確認
kubectl get deployments
kubectl get pods
kubectl get services

# アプリケーションの動作確認
kubectl port-forward service/frontend-service 8080:80

# ブラウザでhttp://localhost:8080にアクセス

ステップ4: スケーリングと更新

# レプリカ数の変更
kubectl scale deployment backend-app --replicas=5

# ローリングアップデート
kubectl set image deployment/backend-app backend=node:18-alpine

# ロールアウト状況の確認
kubectl rollout status deployment/backend-app

# ロールバック
kubectl rollout undo deployment/backend-app

高可用性とモニタリング

ヘルスチェックの実装

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: app-with-healthcheck
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: webapp
  template:
    metadata:
      labels:
        app: webapp
    spec:
      containers:
      - name: webapp
        image: nginx:1.21
        ports:
        - containerPort: 80
        livenessProbe:
          httpGet:
            path: /health
            port: 80
          initialDelaySeconds: 30
          periodSeconds: 10
        readinessProbe:
          httpGet:
            path: /ready
            port: 80
          initialDelaySeconds: 5
          periodSeconds: 5
        resources:
          requests:
            memory: "64Mi"
            cpu: "250m"
          limits:
            memory: "128Mi"
            cpu: "500m"

Horizontal Pod Autoscaler (HPA)

apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: webapp-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: webapp
  minReplicas: 2
  maxReplicas: 10
  metrics:
  - type: Resource
    resource:
      name: cpu
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 70
  - type: Resource
    resource:
      name: memory
      target:
        type: Utilization
        averageUtilization: 80

トラブルシューティング

よくある問題と対処法

1. Podが起動しない

# Pod の詳細確認
kubectl describe pod <pod-name>

# ログの確認
kubectl logs <pod-name>

# イベントの確認
kubectl get events --sort-by=.metadata.creationTimestamp

2. Serviceに接続できない

# Serviceの確認
kubectl get svc
kubectl describe svc <service-name>

# Endpointsの確認
kubectl get endpoints <service-name>

# ネットワークのテスト
kubectl run debug --image=busybox -it --rm -- sh
# 上記コマンド内で: nslookup <service-name>

3. リソース不足

# ノードのリソース使用状況
kubectl top nodes

# Podのリソース使用状況
kubectl top pods

# リソース制限の確認
kubectl describe node <node-name>

セキュリティベストプラクティス

1. Network Policies

apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: deny-all
spec:
  podSelector: {}
  policyTypes:
  - Ingress
  - Egress
---
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: allow-frontend-to-backend
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: backend
  policyTypes:
  - Ingress
  ingress:
  - from:
    - podSelector:
        matchLabels:
          app: frontend
    ports:
    - protocol: TCP
      port: 8080

2. RBAC (Role-Based Access Control)

apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  namespace: default
  name: pod-reader
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "watch", "list"]
---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: read-pods
  namespace: default
subjects:
- kind: User
  name: developer
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io
roleRef:
  kind: Role
  name: pod-reader
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

3. Pod Security Standards

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: secure-pod
spec:
  securityContext:
    runAsNonRoot: true
    runAsUser: 1000
    fsGroup: 2000
  containers:
  - name: app
    image: nginx:1.21
    securityContext:
      allowPrivilegeEscalation: false
      readOnlyRootFilesystem: true
      capabilities:
        drop:
        - ALL
    volumeMounts:
    - name: tmp
      mountPath: /tmp
    - name: cache
      mountPath: /var/cache/nginx
  volumes:
  - name: tmp
    emptyDir: {}
  - name: cache
    emptyDir: {}

運用のベストプラクティス

1. リソース管理

# リソースクォータの設定
apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: compute-quota
spec:
  hard:
    requests.cpu: "4"
    requests.memory: 8Gi
    limits.cpu: "8"
    limits.memory: 16Gi
    persistentvolumeclaims: "10"

2. デプロイメント戦略

Blue-Greenデプロイメント

# Blue環境
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: app-blue
  labels:
    version: blue
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
      version: blue
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
        version: blue
    spec:
      containers:
      - name: app
        image: myapp:1.0.0
---
# Green環境
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: app-green
  labels:
    version: green
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: myapp
      version: green
  template:
    metadata:
      labels:
        app: myapp
        version: green
    spec:
      containers:
      - name: app
        image: myapp:2.0.0

3. モニタリングとログ

# Prometheusを使用したモニタリング
helm repo add prometheus-community https://prometheus-community.github.io/helm-charts
helm install prometheus prometheus-community/kube-prometheus-stack

# ログ集約のためのFluentd
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/fluent/fluentd-kubernetes-daemonset/master/fluentd-daemonset-elasticsearch-rbac.yaml

まとめ

本記事では、Kubernetesの基本概念から実際のアプリケーションデプロイまでを包括的に解説しました。

学習のポイント

基本概念の理解: Pod、Service、Deploymentの役割と関係性
実践的な経験: 実際のアプリケーションのデプロイとスケーリング
運用の考慮: セキュリティ、モニタリング、トラブルシューティング

次のステップ

Helmを使用したパッケージ管理
CI/CDパイプラインとの統合
マルチクラスター管理
サービスメッシュの導入

Kubernetesは学習コストが高い技術ですが、マスターすることで現代的なアプリケーション運用の基盤を構築できます。実際に手を動かしながら、少しずつ理解を深めていくことが重要です。

Kubernetes環境の構築やトラブルシューティングでお困りの際は、公式ドキュメントやコミュニティのリソースを積極的に活用しましょう。

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開発インフラクラウド

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Kubernetes コンテナ Docker DevOps クラウドマイクロサービス