コンテナ管理におけるDockerとKubernetesの関係性について解説！それぞれのメリットや課題とは？

更新日：2024年10月31日開発技術

近年、クラウドコンピューティングやマイクロサービスアーキテクチャの普及により、コンテナ技術は急速に注目を集めています。

この技術は、開発環境から本番環境へのスムーズな移行を可能にし、アプリケーションの可搬性やスケーラビリティを大幅に向上させるため、企業のITインフラにおいて不可欠な存在となっています。その中でも、DockerとKubernetesは、コンテナ管理の世界で圧倒的な存在感を持つ2つのツールです。

Dockerは、アプリケーションをパッケージ化してどこでも実行可能にするコンテナ管理ソフトウェアとして登場し瞬く間に業界標準となりました。

一方、Kubernetesは、複数のコンテナを効率的に管理・オーケストレーションするためのシステムであり、複雑な分散システムを簡潔に管理するための強力なフレームワークを提供します。

しかし、DockerとKubernetesはただの競合ツールではなく、それぞれが異なる役割を担い、共存し合うことでコンテナ管理をより一層強力にしています。

本記事では、まず「コンテナ」とは何かを概観し、Dockerがどのようにしてコンテナ技術を普及させ、そのメリットと課題を明らかにします。そして、Kubernetesの登場背景やその機能、Dockerとの関係性を詳しく解説し、最後にKubernetesが提供するさまざまな管理手法について解説します。

コンテナとは

コンテナについて解説する前に「仮想環境」について確認しておきましょう。ITにおける仮想環境とは、ハードウェア上で仮想的に構築されたソースコードや環境のことです。

物理的には一つしかないCPUやストレージなどのハードウェアが、その内部で分割・統合されることで複数個あるかのように動作します。1台のPCで、さまざまなアプリやOSなどのソフトウェアが操作可能になるのは、仮想環境技術によるものです。

コンテナは、近年注目されている仮想環境を構築する技術です。従来の仮想環境技術には、動作速度が遅い、構築に多くの時間と工数がかかるなどの問題がありました。例えば、アプリケーションを実行するためには、それぞれのアプリケーションに必要なゲストOSを作動させる必要があり処理速度も遅くなってしまいます。これらの問題点を解決するために開発されたのがコンテナ技術です。

コンテナには、複数のアプリケーションやアプリケーションの実行に必要な設定情報が個別に格納されています。それぞれのコンテナ内で、アプリケーションを実行し動作させる仕組みです。アプリケーションごとに、実行に必要な情報がコンテナ一つ一つに細分化されているため、ゲストOSも必要ありません。そのため、選択したアプリケーションをスピーディかつ手軽に起動できます。

コンテナ管理ソフトウェアDocker

ここからは、コンテナ管理ソフトウェアであるDockerについて詳しくご紹介します。

Dockerとは

Docker とは、コンテナ型の仮想環境でアプリケーションを作成・実行・配布するためのツールです。 Docker 社によって開発され、2013年3月に公開されました。アプリケーション開発におけるテストやデプロイにも対応可能で、起動や処理も速いという特徴があります。

Dockerは、アプリケーションとその依存関係を一つのパッケージとしてまとめることで、異なる環境でも一貫してアプリケーションを実行できるようにし、開発者の生産性を大きく向上させました。

Dockerのメリット

Dockerのメリットは以下のとおりです。

正確かつスピーディに実行環境を作成できる

動作に必要な処理システムが簡単に複製できます。そのため、実行環境が正確に素早く作成可能です。また、コンテナに蓄積されたアプリケーションの情報はバックアップされます。トラブルの解決策として役立つだけでなく、複数のOSでアプリケーションを運用した際の動作状況もバックアップより確認可能です。

CPUやメモリの使用量を最小限にし迅速な処理速度を実現できる

Docker の利用により、アプリケーション実行に必要な情報が、コンテナとして細分化し格納されています。アプリケーションごとに起動や処理を行うため、CPUやメモリの消費は最小限に収めることができます。

アプリケーション実行環境を手軽に移転できる

従来の仮想環境では、他のサーバーにアプリケーション実行環境を移転するためには、移転先の環境を事前に整えておく必要がありました。しかし、コンテナ管理はコンテナエンジンが備わった環境の稼働が確認できているのであれば、他のサーバーへ移動してもすぐに起動が可能です。そのため、他のエンジニアと開発環境を共有する際にも役立ちます。

Dockerの課題

Dockerが抱えている課題は以下のとおりです。

Docker動作手順習得に時間がかかる
複数コンテナの権限管理や保全など、複雑なセキュリティ管理が必要
クラウドリソースへの依存が強まるため、耐障害性が低下する
ホストでトラブルが発生しても予備システムの確保が難しい
Dockerのコンテナが多いほど、全てを監視する手間とコストが増える

このように、Dockerには多くのメリットがある一方で、運用にはいくつかの重要な課題も伴うことを理解しておくことが重要です。

Kubernetesとは

Kubernetesは、コンテナを自動化して運用および管理を実現するソフトウェアです。複数のコンテナを連携させることができ、企業や開発チームが複雑な分散システムを効率的に運用するために広く利用されています。

Kubernetes自体はコンテナを直接作成することはできませんが、Dockerやcontainerdなどのコンテナランタイムを利用してコンテナを起動し管理します。そのため、Kubernetesは通常、Dockerと併せて利用されることが一般的です。

また、予期せぬトラブルが発生したとしても、自動的に異常検知を行いアプリケーションの問題を迅速に解決して運用します。

Kubernetesのメリット

Kubernetesのメリットは以下のとおりです。

障害に強い

Kubernetesは、トラブルが発生してもリスク回避ができるよう幅広い機能を備えています。トラブルが発生すると自動復旧機能が作動し、事前に異常を検知したうえで、コンテナを再起動します。そのため、トラブル発生の影響で起こる損害を最小限に抑えることが可能です。

アップデートで起こるリスクを軽減

コンテナに蓄積された情報を複製し、新たに保存するため、アップデートしたとしても以前の運用環境へ簡単に戻せます。

拡張性に優れている

Kubernetesに搭載されているオートスケーリング機能は、Pod数の増減だけでなく通信機器の追加および削除など柔軟に対応しています。システムの規模が拡張されても、アプリケーションの動作に影響を及ぼしません。Podは、KubernetesでDockerコンテナを管理するための最小単位です。スケーリングが自動化されると、アプリケーションの負荷やリソースの消費状況に応じて、スケールアップやスケールダウンを自動で実行し対応します。

複数環境で動作が可能

Kubernetesでは、クラウドおよびオンプレミス、どちらの環境でも動作が可能です。単体のクラウドやオンプレミスだけでなく複数のクラウドへ分散させる方法もあり、特定のクラウドに依存するリスクを抑制します。また、コンテナとして細分化されたアプリケーションは、クラウドやオンプレミスの環境を問わず簡単な作業で移行が可能です。

サービスディスカバリー

Kubernetesに搭載されているサービスディスカバリーは、動作中のアプリケーションのシステムを把握し、Serviceを介してIPアドレスを再設定する機能です。

Podには、それぞれIPアドレスが割り振られているとはいえ、Pod数が自動的にスケーリングされるとIPアドレスは変化し複雑化します。しかし、ServiceがまとめられたPodに同一のIPアドレスとポート番号を再度割り振ると、他のアプリケーションとの通信が手軽になるのです。

セキュリティ強化が可能

Kubernetesにはセキュリティ機能として、RBAC・ネットワークポリシー・Secret管理といったシステムが搭載されています。RBACはアクセスを抑制するシステムで、PodやServiceなどの機能にリソースとして追加操作の設定が可能です。ネットワークポリシーはPod同士の通信だけでなく、Podと外部の通信を制御します。Podに応じて通信ルールを定められるため、外部アクセスのブロック設定も可能です。

DockerとKubernetesの関係性

DockerとKubernetesは、それぞれ異なる役割を持ちながらも互いに補完し合う関係にあります。

Dockerは、アプリケーションをコンテナとして分離して実行するためのソフトウェアであり、一つのサーバー内で複数のコンテナを作成し、それぞれのコンテナにアプリケーションを保管し、管理します。

一方、Kubernetesは、このように分離された複数のコンテナをまとめて管理するためのソフトウェアであり、大規模なシステムにおいて効率的なコンテナ管理を可能にします。

つまり、Dockerが分離して作成したコンテナを、Kubernetesが統合的に管理することで、アプリケーションの運用が効率的かつ安定的に行われるのです。

Kubernetesの管理手法

最後に、Kubernetesの管理手法を詳しく紹介します。

Podによるコンテナの管理

Dockerでは、分離したコンテナごとのアプリケーションしか動作できません。しかし、Kubernetesを利用すると、コンテナをまとめて管理できるようになります。事前に各Podを定義しておけば、まとめてコンテナの動作が可能です。KubernetesからPodに確認・制御・削除といった指示を設定できます。

レプリカセット

レプリカセットとは、Kubernetesで複数のPodを複製しつつ、自動的にKubernetes上へレプリカを配置する機能です。レプリカ数を設定し起動すると、同じ機能を持つPodへ配置されるため、コンテナの動作で起こるトラブルの抑制につながります。KubernetesでPodを複製する場合は「デプロイメント」の機能を使用します。デプロイメントを使用する際は、事前にマニフェストファイルを用意しましょう。

ボリューム管理

ボリューム管理は、コンテナにストレージ領域を提供するための機能です。Kubernetesでは、コンテナが起動している間のみ利用できる一時的なストレージに加え、永続的にデータを保存するための永続ストレージも管理します。

永続ストレージを使用することで、Podが削除されてもデータが保持され、再起動後もデータを利用できるため、データベースやファイルシステムが必要なアプリケーションにとって重要な機能です。

リソース管理

Kubernetesでは、細かいリソース管理が可能です。コンテナに割り振るメモリやCPUといったリソース量は、アプリケーションの動作に大きく影響します。細かく設定しておけば、無駄なリソースが発生するリスクを最小限にすることが可能です。

ジョブ管理

ジョブ管理は、Kubernetes上で一度だけ実行されるタスクやバッチ処理を管理するための機能です。ジョブは、特定の処理が完了するまでPodを実行しその後Podを削除します。

この機能により、バックグラウンドで行われる処理や定期的なタスクを効率的に管理し、実行結果を蓄積することができます。

ログ管理

ログ管理は、コンテナ動作で出力し蓄積されたログを管理する機能です。例えば、存在しないファイルを開こうとすると、ディスプレイにエラーメッセージが表示されログが残されます。

基本的に、ログはDockerで管理されますが、より高い安全性を確保した状態で運用するために、Kubernetesでも管理されているのです。Kubernetesは、独立したストレージ上でリソースを用いて大量のログを管理しています。

サービス管理

サービス管理とは、コンテナが利用しているIPアドレスやポートを管理する技術を指します。複数のサーバーを分散させている「ロードバランサー」といったサービスと連携すると、内部とサービス用それぞれのIPアドレスをリンクさせることが可能です。そのため、ロードバランサーを活用すると外部からコンテナへアクセスができるようになります。

ユーザー管理とマルチテナントでの利用

ユーザー管理は、複数のセキュリティで独立したユーザーごとに情報を管理します。また、チームや部署ごとに管理者を分けてユーザー情報の管理も可能です。

マルチテナントのように複数のユーザーで共有しつつコンテナを利用するのであれば、アクセス制御を設定し、ユーザーごとに使用できる権限の範囲を調整できます。

ダッシュボード

ダッシュボードは、Kubernetesが管理しているリソース状況の確認や、コンテナ設定を行います。その他にも、動作中のコンテナやPodの操作・管理やログの管理といった、幅広い用途で用いられています。

まとめ

コンテナ管理は、アプリケーションを効率的かつ一貫して動作させるための画期的な技術です。その中でも、「Docker」と「Kubernetes」は、現代のシステム運用において欠かせないソフトウェアです。Dockerは、アプリケーションをコンテナとしてパッケージ化し、どの環境でも一貫して実行できるようにします。Kubernetesは、これらのコンテナを効率的に管理し、複数のコンテナを自動的にデプロイ、スケール、監視することで、システム全体の可用性と安定性を確保します。

Dockerがアプリケーションを細分化しコンテナ化する一方で、Kubernetesはそのコンテナ群を統合的に管理します。両者を組み合わせることで、コンテナ管理の強力な運用基盤が構築され、高速かつ安全性に優れたシステム運用が実現します。

コンテナ管理を導入する際には、DockerとKubernetesの特性と機能を十分に理解し、それぞれのメリットを最大限に活用することが重要です。これにより、アプリケーションの効率的な運用とスムーズなデプロイメントが可能となり、企業のITインフラをより柔軟でスケーラブルなものにすることができるでしょう。

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