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What is k8s

1. kubernetes는 정확히 무엇인가요?

쿠버네티스는 컨테이너를 쉽고 빠르게 배포 및 확장하고 관리를 자동화 해주는 오픈소스 플랫폼입니다.

2. kubernetes는 무엇으로 이루어져 있나요?

쿠버네티스를 배포하게 되면, 쿠버네티스 클러스터 형태로 배포가 됩니다.
클러스터 노드라고 하는 워커 머신들의 집합을 의미하며 모든 클러스터는 최소 하나의 워커 노드를 가지게 됩니다.

워커 노드는 Pod를 호스팅하는 목적을 두고 있으며, Control Plane은 Worker Node와 클러스터 내 Pod들을 관리합니다.

3. Control Plane (Master Node) Components

Control Plane (Master Node) 구성 요소는 클러스터에 관한 전반적인 결정들을 수행하며 이벤트를 감지하고 반응하도록 하는 요소들입니다.
예를 들어 Pod 스케줄링을 수행하여 파드들이 생성되는 것을 일정화할 수 있으며, Deployment의 Replicas 필드에 대한 요구 조건이 충족되지 않을 경우 새로운 파드를 구동시키는 역할을 합니다.

위와 같이, Control Plane (Master Node) 구성 요소들은 클러스터 내 어떠한 머신에서든지 동작 가능하며, 대부분 Control Plane (Master Node)을 동일한 컴퓨팅 머신상에 구성하고, 사용자 컨테이너는 해당 컴퓨팅 머신에서 동작시키지 않습니다.
아래 Control Plane (Master Node)의 구성 요소들에 대해 살펴보겠습니다.

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3.1 Kube-apiserver

API 서버는 쿠버네티스 API를 노출하는 핵심 요소입니다.
kube-apiserver는 파드, 서비스, 컨트롤러 등을 검증하고 구성하는 역할을 하며, 모든 구성 요소가 상호작용할 수 있도록 REST API를 제공하는 클러스터의 프론트엔드 역할을 합니다.
또한 수평 확장이 가능하도록 설계되어 있으며, 여러 인스턴스를 배포하여 확장 및 트래픽을 균형 있게 조절할 수 있습니다.

3.2 ETCD

모든 클러스터 데이터를 저장하는 쿠버네티스의 데이터베이스이며, 키-값 저장소입니다.
이러한 저장소가 다운될 경우 치명적인 영향을 미치므로, ETCD는 RSM(복제 상태 머신, Replicated State Machine) 형태로 배포됩니다.

RSM(복제 상태 머신)이란?
분산 컴퓨팅 환경에서 몇 개의 서버가 다운되더라도 안정적으로 동작하도록 설계된 방법입니다.
이는 동일한 데이터를 여러 서버에 계속 복제(State Machine Replication)하여 유지하는 구조입니다.

3.3 kube-scheduler

새로 생성된, 노드가 배정되지 않은 파드를 감지하고, 실행할 노드를 선택하는 요소입니다.
스케줄링 결정을 위해 아래와 같은 요소들을 고려합니다.

  • 리소스 요구 사항 및 전반적인 요구 사항
  • 하드웨어 & 소프트웨어/정책적 제약
  • 어피니티(affinity) 및 안티-어피니티(anti-affinity)
  • 데이터 지역성
  • 워크로드 간 간섭
  • 데드라인 요구사항 등

3.4 kube-controller-manager

컨트롤러 프로세스를 실행시키는 요소입니다.
각 컨트롤러들은 논리적으로 분리된 프로세스지만 단일 바이너리로 컴파일되어 단일 프로세스 내에서 실행됩니다.
주요 컨트롤러는 다음과 같습니다.

  • Node Controller: 노드가 다운될 경우 감지 및 대응
  • Job Controller: 일회성 작업 감시 및 해당 작업을 수행하는 파드 관리
  • EndpointSlice Controller: 서비스와 파드 간 연결성을 제공하기 위한 엔드포인트 슬라이스 오브젝트 관리
  • Service Account Controller: 새로운 네임스페이스에 대한 기본 서비스 계정 생성

3.5 cloud-controller-manager

클라우드별 관리 로직을 포함하는 요소이며, 이를 통해 클러스터를 클라우드 공급자의 API에 연결할 수 있습니다.
온프레미스 환경에서는 존재하지 않으며, 클라우드 환경에서는 아래 요소들에 의존성을 가질 수 있습니다.

  • Node Controller: 클라우드에서 노드 상태를 확인하고 삭제 여부 판단
  • Route Controller: 기본 클라우드 인프라에 경로 구성
  • Service Controller: 클라우드 인프라에서 로드밸런서 생성 및 관리

쿠버네티스를 클라우드에 배포하는 것과 온프레미스에 배포하는 것의 차이점은?

✅ 클라우드 배포

  • 대부분의 클라우드 제공업체에서 SaaS 형태로 제공
  • 빠른 배포, 확장, 관리가 용이
  • 불필요한 컴퓨팅 리소스를 제거하여 비용 절감 가능

✅ 온프레미스 배포

  • 폐쇄망 환경에서 서비스가 필요한 경우 유용 (예: 금융권, 보안이 중요한 기업)
  • 클라우드 관리자 없이 직접 운영 가능
  • 현재 보유한 베어메탈 서버를 활용 가능

💡 하이브리드 방식도 가능

  • 온프레미스 서버를 기본으로 사용하고, 용량 초과 시 클라우드 활용
  • 비용 절감 및 유연한 운영 가능

4. Node Components

노드 컴포넌트는 동작 중인 파드를 유지하고, 쿠버네티스 런타임 환경을 제공하며, 모든 노드에서 동작합니다.

4.1 kubelet

각 노드에서 에이전트 형태로 실행되는 애플리케이션이며, 파드 내부에서 컨테이너가 정상적으로 동작하도록 관리합니다.

kubelet은 PodSpec을 기반으로 컨테이너가 명시된 대로 동작하는지 다양한 메커니즘을 통해 확인하고 이를 유지하며, 컨테이너 런타임(Docker, containerd 등)을 사용하여 Pod의 컨테이너를 실제로 실행합니다.

4.2 kube-proxy

클러스터의 각 노드에서 실행되는 네트워크 프록시로, 쿠버네티스의 서비스 개념을 구현하는 핵심 요소입니다.

노드의 네트워크 규칙을 유지 관리하여, 내부 네트워크 세션뿐만 아니라 클러스터 외부에서 파드로의 네트워크 통신을 가능하게 함

운영 체제에서 패킷 필터링 계층이 지원되는 경우 이를 활용하여 네트워크 트래픽을 관리하며, 만약 지원되지 않는다면 자체적으로 트래픽을 포워딩하는 역할을 수행합니다.

4.3 Pod

파드는 쿠버네티스에서 생성하고 관리할 수 있는 배포 가능한 가장 작은 컴퓨팅 단위입니다.
즉, 하나 이상의 컨테이너 그룹을 의미합니다.

컨테이너는 애플리케이션을 의미하며, 이는 완전한 애플리케이션의 일부 기능일 수도 있고, 완전한 애플리케이션 그 자체일 수도 있습니다.

파드에 정의된 여러 개의 컨테이너는 하나의 완전한 애플리케이션으로 동작합니다.
단일 컨테이너 파드든, 다중 컨테이너 파드든 애플리케이션을 실행하는 기본 단위가 바로 “파드”입니다.

5. Control Plane & DataPlane은 어떻게 통신하나요?

쿠버네티스 클러스터에서 Control Plane과 Data Plane 간의 통신은 클러스터의 안정성과 보안을 위해 매우 중요합니다. 이러한 통신은 다음과 같은 두 가지 주요 경로로 이루어집니다:

  1. Control Plane에서 Data Plane로의 통신:
    • kube-apiserver는 각 노드의 kubelet과 kube-proxy를 대상으로 통신합니다.
    • kube-apiserver는 HTTPS를 통해 kubelet의 /exec 엔드포인트, 로그, 포트 포워딩 등을 호출합니다.
    • 이러한 통신은 기본적으로 TLS로 보호되며, 인증서 기반의 클라이언트 인증이 사용됩니다.
  2. Data Plane에서 Control Plane로의 통신:
    • 각 노드의 kubelet, kube-proxy, 그리고 노드에서 실행되는 파드는 kube-apiserver와 통신합니다.
    • kubelet은 주기적으로 PodSpec을 가져오고, 상태 보고를 위해 kube-apiserver에 접근합니다.
    • 이러한 접근은 일반적으로 HTTPS를 통해 이루어지며, kubelet은 클라이언트 인증서 또는 Bearer 토큰을 사용하여 인증합니다.

6. 쿠버네티스는 어느 상황에 적합한가

현재 대규모 모놀리식 서비스를 운영중일경우, 이를 무리하게 쿠버네티스로 옮기는 것은 필요하지 않습니다. 현재 모놀리식 서비스가 아닌, 마이크로서비스 아키텍쳐를 채택 한 서비스를 운영중인 상태에서 해당 아케텍쳐 내 서비스 의 개수가 20개 이상이며, 이에 대한 확장 가능성이 있을 경우 쿠버네티스를 통한 이점을 볼 수 있다고 합니다. 쿠버네티스를 사용하기 위해 모놀리식 서비스를 마이크로 서비스 아키텍쳐 로 변경 하며, 이를 위해 코드 수정 까지 해야할 필요는 없으며, 이전에 쿠버네티스를 사용하기 위한 지식을 습득 후에 사용하는것이 적합합니다.