KubernetesのマルチクラスターAPI概要 ~SIG Multiclusterの取り組み~

## はじめに

Kubernetesの急速な普及に伴い、多くの組織が複数のKubernetesクラスターを運用するようになりました。しかし、これらのマルチクラスター環境の管理は技術的に非常に複雑であり、スケーラビリティや一貫性の維持が重大な課題となっています。複数のクラスターを統合的に管理するためには、クラスター間のネットワーク設定、セキュリティの統一、さらにはリソースの効率的な分散と管理が不可欠です。こうした背景から、特別利益グループ(SIG)であるSIG-Multiclusterは、これらの課題に対処するためにマルチクラスター管理を目的とした重要なAPIの開発を進めています。

本稿では、[SIG-Multicluster](https://multicluster.sigs.k8s.io/)によって提供される主要なAPIについて深く掘り下げ、その概念的背景と技術的実装に関して詳細に解説します。具体的には、ClusterSet、Work API、Cluster Profile APIといったAPIの役割とその利用方法について触れ、マルチクラスター環境での効率的な管理方法を示します。

## ClusterSetとは

ClusterSetは、複数のKubernetesクラスターを論理的にグループ化する概念です。このグループ化により、運用管理の統一とクラスター間の信頼関係を高めることが可能となります。ClusterSetは、異なるクラスターが一つの大きな集合体として動作することを可能にし、複数のクラスターを単一のインフラストラクチャとして管理するための基礎を提供します。

### 主な特徴

- **統一管理**: 単一の管理者または組織によって管理されるクラスターのグループとして定義されます。これにより、クラスター全体を一元的に管理することができます。
- **信頼関係の確立**: クラスター間で高い信頼関係が構築されており、相互にリソース共有が可能です。クラスター間のセキュリティ設定も統一され、リソースの移動や通信が安全に行えるようになります。
- **Namespace Samenessの採用**: Namespace Samenessの概念を採用し、異なるクラスター間で同一の名前空間に一貫した権限と特性を持たせることが可能です。
  - 同じ名前空間はすべてのクラスターに存在する必要はないが、存在する場合は同一の振る舞いを保証するための設定が必要です。これにより、開発者や運用者は、異なるクラスターにおいても同じ操作体験を提供することができます。

### APIの実装

ClusterSetは、ClusterPropertyというカスタムリソース定義(CRD)を利用して管理されます。以下はその例です：

```yaml
# クラスターの一意識別定子
apiVersion: about.k8s.io/v1
kind: ClusterProperty
metadata:
  name: cluster.clusterset.k8s.io
spec:
  value: cluster-1

# ClusterSetのメンバーシップ
apiVersion: about.k8s.io/v1
kind: ClusterProperty
metadata:
  name: clusterset.k8s.io
spec:
  value: mycoolclusterset
```

この設定により、クラスターを一意に識別し、特定のClusterSetに所属させることが可能になります。この仕組みにより、管理者は各クラスターの所属を明確に定義し、統合的な管理が実現します。

## Work API：マルチクラスターワークロード管理

Work APIは、複数のクラスターに対してワークロードを効果的に分散させるための統一的なAPIです。このAPIを使用することで、複数クラスター環境におけるリソースのデプロイや管理が容易になり、全体の運用効率が向上します。特に、エンタープライズ環境では、ワークロードを効率的に配分し、冗長性と可用性を高めるために必須の仕組みとなっています。

### 主要コンポーネント

1. **Work Hub**：Work APIリソースが配置される中心的なKubernetesクラスターであり、管理のハブとなります。このクラスターは、他のマネージドクラスターに対して指示を与え、リソースの管理を行います。
2. **Managed Cluster**：Work Hubによって管理される対象のクラスター。各マネージドクラスターは、Work Hubからの指示に基づき、リソースの展開や変更を受け入れます。
3. **Work Controller**：Work HubのリソースをManaged Clusterに適用し、指定されたワークロードを複数のクラスターに展開します。これにより、全てのクラスターに対して一貫したリソース配置を保証します。

### 使用例

以下はWork APIを使用してConfigMapを複数クラスターに展開する例です：

```yaml
apiVersion: multicluster.x-k8s.io/v1alpha1
kind: Work
metadata:
  name: work-sample
  namespace: cluster1
spec:
  workload:
    manifests:
    - apiVersion: v1
      kind: ConfigMap
      metadata:
        name: cm
        namespace: default
      data:
        ui.properties: |
          color=purple
```

この設定により、ConfigMapリソースが指定されたクラスターに適用されます。複数クラスターに同じ設定を展開することで、管理の一貫性を確保し、運用ミスのリスクを軽減します。

## Cluster Profile API：クラスター情報の標準化

Cluster Profile APIは、各クラスターの情報とその状態を標準化された形式で管理するためのAPIです。このAPIにより、複数のクラスターにまたがる統一的な情報管理が実現し、異なるプラットフォーム間での運用効率が大幅に向上します。特に、異種環境が混在するエンタープライズシステムにおいて、情報の一貫性と整合性を維持するための鍵となります。

### 主な特徴

- **詳細なクラスター情報の管理**: クラスターの属性やステータスを詳細に記述し、全体の健全性を把握するための基礎を提供します。これにより、問題の早期発見と迅速な対応が可能となります。
- **一元化されたリソース管理**: 名前空間レベルのリソースとして構成され、クラスターの各種設定や管理者情報を一元化します。これにより、複数のクラスターにまたがる管理作業が簡素化されます。
- **統一的なインターフェースの提供**: 異なるプラットフォーム間での統一的なインターフェースを提供することで、異種環境間での管理が容易になります。これにより、異なるクラウドプロバイダーやオンプレミス環境にまたがるシステムでも、一貫した操作を行うことができます。

### 実装例

以下にCluster Profileの例を示します：

```yaml
apiVersion: multicluster.x-k8s.io/v1alpha1
kind: ClusterProfile
metadata:
  name: some-cluster-name
  namespace: fleet-system
spec:
  displayName: some-cluster
  clusterManager:
    name: some-cluster-manager
status:
  version:
    kubernetes: 1.28.0
  properties:
    - name: clusterset.k8s.io
      value: some-clusterset
    - name: location
      value: apac
  conditions:
    - type: ControlPlaneHealthy
      status: True
```

この例では、クラスターのバージョン情報や管理者情報、位置情報などが統一的に記述されています。これにより、全てのクラスターの健全性を統一的に把握することが可能となり、システム全体の可視性が向上します。

## Cluster Profile APIとCluster APIの関係

Cluster Profile APIを利用してCluster APIのClusterリソースを生成することは技術的には可能ですが、いくつかの課題があります。これらの課題を理解することは、適切な運用戦略を策定する上で極めて重要です。

### 課題

1. **情報の不足**

   - Cluster APIで新規クラスターをプロビジョニングする際には、詳細な設定が求められます。特に、インフラストラクチャ固有の設定が多岐にわたるため、一般的なテンプレートで全てをカバーすることは難しいです。
     - インフラプロバイダー特有の設定 (例：AWS、GCP、Azureなどのクラウド固有の設定)
     - ノードプールの設定：各クラスターにおけるノードの構成とその管理方法
     - ネットワークの構成：サブネット、セキュリティグループ、VPN接続などのネットワーク設定
     - コントロールプレーンの詳細な設定：HA構成、負荷分散、監視設定など

2. **用途の違い**

   - **Cluster Profile API**：既存のクラスターに関する情報の統合管理が主な目的です。このAPIは、クラスターのステータスや属性情報を統合的に扱うためのものであり、運用中のクラスターの健全性と整合性を維持することに重きを置いています。
   - **Cluster API**：新規クラスターのプロビジョニングと管理を目的としており、そのための詳細な設定が求められます。これにより、新規クラスターを迅速に立ち上げ、既存インフラに組み込むためのツールとして活用されます。

## まとめ

SIG-Multiclusterが提供する各APIは、マルチクラスター環境における複雑な要件に対応し、各クラスターの効率的かつ一貫した管理を実現することを目指しています。これらのAPIを適切に利用することで、マルチクラスター管理における煩雑さを軽減し、スケーラブルな運用体制を構築することが可能です。

- **ClusterSet**：クラスターのグループ化と一貫性の確保により、管理の煩雑さを軽減します。これにより、運用チームは複数のクラスターを効率的に管理できます。
- **Work API**：クラスター間でのワークロードの分散と統一的な管理を実現します。これにより、複数クラスター間でのリソースの一貫した展開が可能となり、システムの冗長性と可用性を高めます。
- **Cluster Profile API**：クラスター情報の標準化により、異なるプラットフォーム間での統合的な管理を支援します。これにより、異種環境においても一貫した管理体制を維持することが可能です。

これらのAPIを適切に組み合わせることで、複雑なマルチクラスター環境においても、スケーラブルで効率的な運用が可能になります。SIG-Multiclusterの取り組みは、今後さらに進化し、マルチクラスター管理の標準を確立していくことが期待されます。