2024年12月20日公開

アーキテクチャ

読了時間: 約39分

マイクロサービスアーキテクチャとKubernetes：エンタープライズ向け完全ガイド

MicroservicesKubernetesCloudNativeDevOps

マイクロサービスアーキテクチャとKubernetes：エンタープライズ向け完全ガイド

はじめに

モノリシックなアプリケーションからマイクロサービスへの移行は、多くの企業にとって重要な技術的転換点となっています。本記事では、Kubernetes を基盤としたマイクロサービスアーキテクチャの設計、実装、運用について、実践的な観点から詳しく解説します。

マイクロサービスアーキテクチャの基本原則

マイクロサービスとは

マイクロサービスは、小さく独立したサービスの集合体としてアプリケーションを構築するアーキテクチャパターンです。

主な特徴

単一責任の原則: 各サービスは特定のビジネス機能に焦点
独立したデプロイメント: サービスごとに個別にデプロイ可能
技術的多様性: 各サービスで最適な技術スタックを選択
障害の分離: 一つのサービスの障害が全体に波及しない

Kubernetes アーキテクチャ

コア概念

# Pod: 最小のデプロイメント単位
apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: user-service
  labels:
    app: user-service
spec:
  containers:
  - name: user-service
    image: myregistry/user-service:1.0.0
    ports:
    - containerPort: 8080
    resources:
      requests:
        memory: "256Mi"
        cpu: "250m"
      limits:
        memory: "512Mi"
        cpu: "500m"

サービス定義

# Service: ネットワークエンドポイントの抽象化
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: user-service
spec:
  selector:
    app: user-service
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 8080
  type: ClusterIP

マイクロサービスの実装

1. API Gateway パターン

// api-gateway/src/index.ts
import express from 'express';
import httpProxy from 'http-proxy-middleware';
import rateLimit from 'express-rate-limit';
import jwt from 'jsonwebtoken';

const app = express();

// レート制限
const limiter = rateLimit({
  windowMs: 15 * 60 * 1000, // 15分
  max: 100 // リクエスト数
});

app.use(limiter);

// 認証ミドルウェア
const authenticate = (req, res, next) => {
  const token = req.headers.authorization?.split(' ')[1];
  
  if (!token) {
    return res.status(401).json({ error: 'Unauthorized' });
  }
  
  try {
    const decoded = jwt.verify(token, process.env.JWT_SECRET);
    req.user = decoded;
    next();
  } catch (error) {
    return res.status(401).json({ error: 'Invalid token' });
  }
};

// サービスプロキシ設定
const services = {
  '/api/users': {
    target: 'http://user-service:8080',
    changeOrigin: true
  },
  '/api/orders': {
    target: 'http://order-service:8080',
    changeOrigin: true
  },
  '/api/products': {
    target: 'http://product-service:8080',
    changeOrigin: true
  }
};

// プロキシ設定
Object.keys(services).forEach(path => {
  app.use(
    path,
    authenticate,
    httpProxy.createProxyMiddleware(services[path])
  );
});

app.listen(3000, () => {
  console.log('API Gateway running on port 3000');
});

2. サービス間通信

// shared/src/messaging/event-bus.ts
import { EventEmitter } from 'events';
import amqp from 'amqplib';

export class EventBus {
  private connection: amqp.Connection;
  private channel: amqp.Channel;
  
  async connect(url: string) {
    this.connection = await amqp.connect(url);
    this.channel = await this.connection.createChannel();
  }
  
  async publish(exchange: string, routingKey: string, data: any) {
    await this.channel.assertExchange(exchange, 'topic', { durable: true });
    
    const message = Buffer.from(JSON.stringify({
      timestamp: new Date().toISOString(),
      data
    }));
    
    this.channel.publish(exchange, routingKey, message, {
      persistent: true
    });
  }
  
  async subscribe(
    exchange: string,
    pattern: string,
    handler: (msg: any) => Promise<void>
  ) {
    await this.channel.assertExchange(exchange, 'topic', { durable: true });
    
    const q = await this.channel.assertQueue('', { exclusive: true });
    await this.channel.bindQueue(q.queue, exchange, pattern);
    
    this.channel.consume(q.queue, async (msg) => {
      if (msg) {
        try {
          const content = JSON.parse(msg.content.toString());
          await handler(content);
          this.channel.ack(msg);
        } catch (error) {
          console.error('Message processing failed:', error);
          this.channel.nack(msg, false, false);
        }
      }
    });
  }
}

// 使用例: Order Service
const eventBus = new EventBus();
await eventBus.connect(process.env.RABBITMQ_URL);

// 注文作成時のイベント発行
await eventBus.publish('orders', 'order.created', {
  orderId: '12345',
  userId: 'user-123',
  items: [{ productId: 'prod-1', quantity: 2 }],
  totalAmount: 5000
});

// Inventory Service でのイベント購読
await eventBus.subscribe('orders', 'order.created', async (msg) => {
  const { data } = msg;
  // 在庫を減らす処理
  for (const item of data.items) {
    await updateInventory(item.productId, -item.quantity);
  }
});

3. サービスメッシュ（Istio）

# istio-service-mesh.yaml
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
  name: user-service
spec:
  hosts:
  - user-service
  http:
  - match:
    - headers:
        version:
          exact: v2
    route:
    - destination:
        host: user-service
        subset: v2
      weight: 100
  - route:
    - destination:
        host: user-service
        subset: v1
      weight: 90
    - destination:
        host: user-service
        subset: v2
      weight: 10

---
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: DestinationRule
metadata:
  name: user-service
spec:
  host: user-service
  trafficPolicy:
    connectionPool:
      tcp:
        maxConnections: 100
      http:
        http1MaxPendingRequests: 50
        http2MaxRequests: 100
    loadBalancer:
      simple: LEAST_REQUEST
    outlierDetection:
      consecutiveErrors: 5
      interval: 30s
      baseEjectionTime: 30s
  subsets:
  - name: v1
    labels:
      version: v1
  - name: v2
    labels:
      version: v2

Kubernetes でのデプロイメント

1. Deployment 戦略

# blue-green-deployment.yaml
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: user-service-blue
spec:
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: user-service
      version: blue
  template:
    metadata:
      labels:
        app: user-service
        version: blue
    spec:
      containers:
      - name: user-service
        image: myregistry/user-service:1.0.0
        ports:
        - containerPort: 8080
        env:
        - name: DATABASE_URL
          valueFrom:
            secretKeyRef:
              name: user-service-secrets
              key: database-url
        livenessProbe:
          httpGet:
            path: /health
            port: 8080
          initialDelaySeconds: 30
          periodSeconds: 10
        readinessProbe:
          httpGet:
            path: /ready
            port: 8080
          initialDelaySeconds: 5
          periodSeconds: 5

---
# Canary Deployment
apiVersion: flagger.app/v1beta1
kind: Canary
metadata:
  name: user-service
spec:
  targetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: user-service
  service:
    port: 80
    targetPort: 8080
  analysis:
    interval: 1m
    threshold: 5
    maxWeight: 50
    stepWeight: 10
    metrics:
    - name: request-success-rate
      thresholdRange:
        min: 99
      interval: 1m
    - name: request-duration
      thresholdRange:
        max: 500
      interval: 1m

2. ConfigMap と Secret

# config-management.yaml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: user-service-config
data:
  application.yaml: |
    server:
      port: 8080
    logging:
      level: info
    cache:
      ttl: 3600
      
---
apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:
  name: user-service-secrets
type: Opaque
stringData:
  database-url: "postgresql://user:pass@postgres:5432/userdb"
  jwt-secret: "your-super-secret-key"
  api-key: "external-service-api-key"

3. Horizontal Pod Autoscaler

# autoscaling.yaml
apiVersion: autoscaling/v2
kind: HorizontalPodAutoscaler
metadata:
  name: user-service-hpa
spec:
  scaleTargetRef:
    apiVersion: apps/v1
    kind: Deployment
    name: user-service
  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
  - type: Pods
    pods:
      metric:
        name: http_requests_per_second
      target:
        type: AverageValue
        averageValue: "1000"
  behavior:
    scaleDown:
      stabilizationWindowSeconds: 300
      policies:
      - type: Percent
        value: 10
        periodSeconds: 60
    scaleUp:
      stabilizationWindowSeconds: 0
      policies:
      - type: Percent
        value: 100
        periodSeconds: 15
      - type: Pods
        value: 4
        periodSeconds: 15
      selectPolicy: Max

監視とロギング

1. Prometheus メトリクス

// metrics/prometheus.ts
import { Registry, Counter, Histogram, Gauge } from 'prom-client';

const register = new Registry();

// カスタムメトリクス
export const httpRequestDuration = new Histogram({
  name: 'http_request_duration_seconds',
  help: 'Duration of HTTP requests in seconds',
  labelNames: ['method', 'route', 'status_code'],
  buckets: [0.1, 0.5, 1, 2, 5],
  registers: [register]
});

export const httpRequestsTotal = new Counter({
  name: 'http_requests_total',
  help: 'Total number of HTTP requests',
  labelNames: ['method', 'route', 'status_code'],
  registers: [register]
});

export const activeConnections = new Gauge({
  name: 'active_connections',
  help: 'Number of active connections',
  registers: [register]
});

// Express ミドルウェア
export const metricsMiddleware = (req, res, next) => {
  const start = Date.now();
  
  res.on('finish', () => {
    const duration = (Date.now() - start) / 1000;
    const labels = {
      method: req.method,
      route: req.route?.path || req.path,
      status_code: res.statusCode
    };
    
    httpRequestDuration.observe(labels, duration);
    httpRequestsTotal.inc(labels);
  });
  
  next();
};

2. 分散トレーシング

// tracing/opentelemetry.ts
import { NodeTracerProvider } from '@opentelemetry/sdk-trace-node';
import { Resource } from '@opentelemetry/resources';
import { SemanticResourceAttributes } from '@opentelemetry/semantic-conventions';
import { JaegerExporter } from '@opentelemetry/exporter-jaeger';
import { BatchSpanProcessor } from '@opentelemetry/sdk-trace-base';

const provider = new NodeTracerProvider({
  resource: new Resource({
    [SemanticResourceAttributes.SERVICE_NAME]: 'user-service',
    [SemanticResourceAttributes.SERVICE_VERSION]: '1.0.0',
  }),
});

const jaegerExporter = new JaegerExporter({
  endpoint: 'http://jaeger-collector:14268/api/traces',
});

provider.addSpanProcessor(new BatchSpanProcessor(jaegerExporter));
provider.register();

// トレーシング付きHTTPクライアント
import { trace } from '@opentelemetry/api';

const tracer = trace.getTracer('user-service');

export async function tracedHttpRequest(url: string, options: any) {
  const span = tracer.startSpan('http-request', {
    attributes: {
      'http.method': options.method || 'GET',
      'http.url': url,
    },
  });
  
  try {
    const response = await fetch(url, options);
    span.setAttributes({
      'http.status_code': response.status,
    });
    return response;
  } catch (error) {
    span.recordException(error);
    throw error;
  } finally {
    span.end();
  }
}

セキュリティベストプラクティス

1. Network Policy

# network-policies.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: user-service-network-policy
spec:
  podSelector:
    matchLabels:
      app: user-service
  policyTypes:
  - Ingress
  - Egress
  ingress:
  - from:
    - podSelector:
        matchLabels:
          app: api-gateway
    - podSelector:
        matchLabels:
          app: order-service
    ports:
    - protocol: TCP
      port: 8080
  egress:
  - to:
    - podSelector:
        matchLabels:
          app: postgres
    ports:
    - protocol: TCP
      port: 5432
  - to:
    - podSelector:
        matchLabels:
          app: redis
    ports:
    - protocol: TCP
      port: 6379

2. RBAC 設定

# rbac.yaml
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
  name: user-service-sa
  namespace: microservices

---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: Role
metadata:
  name: user-service-role
  namespace: microservices
rules:
- apiGroups: [""]
  resources: ["configmaps", "secrets"]
  verbs: ["get", "list", "watch"]
- apiGroups: [""]
  resources: ["pods"]
  verbs: ["get", "list"]

---
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
kind: RoleBinding
metadata:
  name: user-service-rolebinding
  namespace: microservices
subjects:
- kind: ServiceAccount
  name: user-service-sa
  namespace: microservices
roleRef:
  kind: Role
  name: user-service-role
  apiGroup: rbac.authorization.k8s.io

CI/CD パイプライン

GitOps with ArgoCD

# argocd-application.yaml
apiVersion: argoproj.io/v1alpha1
kind: Application
metadata:
  name: microservices-app
  namespace: argocd
spec:
  project: default
  source:
    repoURL: https://github.com/company/microservices-config
    targetRevision: HEAD
    path: environments/production
  destination:
    server: https://kubernetes.default.svc
    namespace: microservices
  syncPolicy:
    automated:
      prune: true
      selfHeal: true
      allowEmpty: false
    syncOptions:
    - Validate=false
    - CreateNamespace=true
    retry:
      limit: 5
      backoff:
        duration: 5s
        factor: 2
        maxDuration: 3m

GitHub Actions ワークフロー

# .github/workflows/microservice-deploy.yml
name: Microservice CI/CD

on:
  push:
    branches: [main]
    paths:
      - 'services/user-service/**'

jobs:
  build-and-deploy:
    runs-on: ubuntu-latest
    
    steps:
    - uses: actions/checkout@v3
    
    - name: Set up Docker Buildx
      uses: docker/setup-buildx-action@v2
    
    - name: Login to Container Registry
      uses: docker/login-action@v2
      with:
        registry: ${{ secrets.REGISTRY_URL }}
        username: ${{ secrets.REGISTRY_USERNAME }}
        password: ${{ secrets.REGISTRY_PASSWORD }}
    
    - name: Build and Test
      run: |
        cd services/user-service
        docker build -t test-image --target test .
        docker run --rm test-image npm test
    
    - name: Build and Push
      uses: docker/build-push-action@v4
      with:
        context: services/user-service
        push: true
        tags: |
          ${{ secrets.REGISTRY_URL }}/user-service:${{ github.sha }}
          ${{ secrets.REGISTRY_URL }}/user-service:latest
        cache-from: type=gha
        cache-to: type=gha,mode=max
    
    - name: Update Kubernetes Manifests
      run: |
        cd k8s-config/environments/production
        sed -i "s|image:.*|image: ${{ secrets.REGISTRY_URL }}/user-service:${{ github.sha }}|" user-service/deployment.yaml
        
    - name: Commit and Push
      run: |
        git config --global user.name 'GitHub Actions'
        git config --global user.email 'actions@github.com'
        git add .
        git commit -m "Update user-service to ${{ github.sha }}"
        git push

トラブルシューティング

よくある問題と解決策

Pod が起動しない

kubectl describe pod <pod-name>
kubectl logs <pod-name> --previous

サービス間通信の問題

kubectl exec -it <pod-name> -- nslookup <service-name>
kubectl get endpoints <service-name>

パフォーマンス問題

kubectl top nodes
kubectl top pods --all-namespaces

まとめ

マイクロサービスアーキテクチャと Kubernetes の組み合わせは、スケーラブルで柔軟なシステムを構築するための強力な基盤となります。適切な設計と運用により、高可用性と開発効率の両立が可能です。

重要なポイント：

サービスの適切な分割と境界の定義
堅牢な CI/CD パイプラインの構築
包括的な監視とロギングの実装
セキュリティの多層防御

エンハンスド株式会社では、マイクロサービスアーキテクチャの導入支援を行っています。お気軽にお問い合わせください。

タグ: #Microservices #Kubernetes #CloudNative #DevOps #コンテナ

執筆者: エンハンスド株式会社クラウドアーキテクト部

公開日: 2024年12月20日

エ

著者

エンハンスド株式会社クラウドアーキテクト部

AI・機械学習とクラウド技術の専門チームです。

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マイクロサービスアーキテクチャとKubernetes：エンタープライズ向け完全ガイド

はじめに

マイクロサービスアーキテクチャの基本原則

マイクロサービスとは

主な特徴

Kubernetes アーキテクチャ

コア概念

サービス定義

マイクロサービスの実装

1. API Gateway パターン

2. サービス間通信

3. サービスメッシュ（Istio）

Kubernetes でのデプロイメント

1. Deployment 戦略

2. ConfigMap と Secret

3. Horizontal Pod Autoscaler

監視とロギング

1. Prometheus メトリクス

2. 分散トレーシング

セキュリティベストプラクティス

1. Network Policy

2. RBAC 設定

CI/CD パイプライン

GitOps with ArgoCD

GitHub Actions ワークフロー

トラブルシューティング

よくある問題と解決策

まとめ

著者

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