GKE に Redis クラスタをデプロイする

Standard

このチュートリアルでは、ステートフルアプリケーションを作成し、アプリケーションを実行する Google Kubernetes Engine（GKE）クラスタをアップグレードする際のおすすめの方法を説明します。このチュートリアルでは、ステートフルアプリケーションをデプロイする例として Redis を使用しますが、GKE にデプロイされた他のタイプのステートフルアプリケーションにも同じコンセプトを適用できます。

目標

このチュートリアルでは、次の手順について説明します。

リリースチャンネルに登録される GKE クラスタを作成します。
GKE に Redis クラスタを作成します。
Redis クライアントアプリケーションを GKE にデプロイします。
ノードプールのアップグレードに関する次のベストプラクティスを実施します。
1. Pod 停止予算（PDB）を設定します。
2. メンテナンスの時間枠と除外を設定します。
3. ノードのアップグレード戦略をサージアップグレードまたは Blue/Green アップグレードに設定します。
アプリケーションをテストします。
クラスタをアップグレードします。
ワークロードの中断をテストします。

次の図は、このチュートリアルのクラスタアーキテクチャの概要を示しています。

アーキテクチャの図

費用

このドキュメントでは、Google Cloud の次の課金対象のコンポーネントを使用します。

料金計算ツールを使うと、予想使用量に基づいて費用の見積もりを生成できます。新しい Google Cloud ユーザーは無料トライアルをご利用いただける場合があります。

このドキュメントに記載されているタスクの完了後、作成したリソースを削除すると、それ以上の請求は発生しません。詳細については、クリーンアップをご覧ください。

始める前に

プロジェクトを設定する

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Google Cloud Console のプロジェクトセレクタのページで、[プロジェクトを作成] をクリックして新しい Google Cloud プロジェクトの作成を開始します。

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Google Cloud プロジェクトで課金が有効になっていることを確認します。

GKE API を有効にします。

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Google Cloud CLI のデフォルト値を設定する

Google Cloud コンソールで、Cloud Shell インスタンスを起動します。
Cloud Shell を開く

このサンプルアプリのソースコードをダウンロードします。

 git clone https://github.com/GoogleCloudPlatform/kubernetes-engine-samples
 cd kubernetes-engine-samples/quickstarts/hello-app-redis/manifests

デフォルトの環境変数を設定します。
```
 gcloud config set project PROJECT-ID
 gcloud config set compute/zone COMPUTE-ZONE
```
次の値を置き換えます。
- PROJECT_ID: Google Cloud のプロジェクト ID。
- COMPUTE_ZONE: Compute Engine のゾーン。

リリースチャンネルに登録される GKE クラスタを作成する

GKE クラスタを作成するには、次の手順で操作します。

3 つのノードを持つ redis-test という名前のクラスタを作成します。

gcloud container clusters create redis-test \
    --num-nodes=3 \
    --release-channel regular

クラスタが作成されると、次のような出力が表示されます。

  NAME: redis-test
  LOCATION: us-central1-c
  MASTER_VERSION: 1.22.10-gke.600
  MASTER_IP: 34.69.67.7
  MACHINE_TYPE: e2-medium
  NODE_VERSION: 1.22.10-gke.600
  NUM_NODES: 3
  STATUS: RUNNING

クラスタと通信を行うように kubectl を構成します。
```
gcloud container clusters get-credentials redis-test
```

GKE に Redis クラスタを作成する

このセクションでは、ConfigMap、StatefulSet、ヘッドレスサービスをデプロイし、以前に作成した GKE クラスタの上に Redis クラスタを追加します。

Redis クラスタを作成するには、次の手順を完了します。

Redis 構成が格納されている ConfigMap ファイル（redis-configmap.yaml）を参照します。以下のスニペットは、readinessProbe と livenessProbe のスクリプトを示しています。
```
readiness.sh: |-
  #!/bin/sh

  pingResponse="$(redis-cli -h localhost ping)"
  if [ "$?" -eq "124" ]; then
    echo "PING timed out"
    exit 1
  fi

  if [ "$pingResponse" != "PONG"]; then
    echo "$pingResponse"
    exit 1
  fi
liveness.sh: |-
  #!/bin/sh

  pingResponse="$(redis-cli -h localhost ping | head -n1 | awk '{print $1;}')"
  if [ "$?" -eq "124" ]; then
    echo "PING timed out"
    exit 1
  fi

  if [ "$pingResponse" != "PONG"] && [ "$pingResponse" != "LOADING" ] && [ "$pingResponse" != "MASTERDOWN" ]; then
    echo "$pingResponse"
    exit 1
  fi
```
readiness.sh スクリプトと liveness.sh スクリプトは、redis-cli ping を使用して、Redis サーバーが実行中かどうかを確認します。PONG が返された場合、Redis サーバーは稼働しています。これらのスクリプトは redis-cluster.yaml で使用されます。

この ConfigMap の Redis パラメータの詳細については、Redis クラスタチュートリアルで Redis クラスタ構成パラメータのセクションをご覧ください。
ConfigMap をデプロイします。
```
kubectl apply -f redis-configmap.yaml
```
readinessProbe と livenessProbe の使用方法を示す StatefulSet（redis-cluster.yaml）スニペットをご覧ください。

Kubernetes でプローブを構成する方法については、プローブを構成するをご覧ください。
```
startupProbe:
  periodSeconds: 5
  timeoutSeconds: 5
  successThreshold: 1
  failureThreshold: 20
  tcpSocket:
    port: redis
livenessProbe:
  periodSeconds: 5
  timeoutSeconds: 5
  successThreshold: 1
  failureThreshold: 5
  exec:
    command: ["sh", "-c", "/probes/liveness.sh"]
readinessProbe:
  periodSeconds: 5
  timeoutSeconds: 1
  successThreshold: 1
  failureThreshold: 5
  exec:
    command: ["sh", "-c", "/probes/readiness.sh"]
```
ノードプールをアップグレードする場合は、readinessProbe と livenessProbe を使用することを強くおすすめします。これにより、アップグレード中に Pod の準備ができます。
StatefulSet をデプロイします。
```
kubectl apply -f redis-cluster.yaml
```
redis-service.yaml という名前のヘッドレス Service は、Redis ノードの接続用です。ヘッドレス Service を作成するために、clusterIP フィールドは None に設定されています。

サービスをデプロイします。
```
kubectl apply -f redis-service.yaml
```

約 2 分待ってから次のコマンドを使用して、すべての Pod が実行されていることを確認します。

kubectl get pods

出力は次の例のようになります。

NAME      READY   STATUS              RESTARTS   AGE
redis-0   1/1     Running             0          2m29s
redis-1   1/1     Running             0          2m8s
redis-2   1/1     Running             0          107s
redis-3   1/1     Running             0          85s
redis-4   1/1     Running             0          54s
redis-5   1/1     Running             0          23s

次のコマンドを実行して、永続ボリュームが作成されたことを確認します。

kubectl get pv

出力は次の例のようになります。

NAME       CAPACITY   ACCESS MODES   RECLAIM POLICY   STATUS   CLAIM                  STORAGECLASS   REASON   AGE
pvc-HASH   1Gi        RWO            Delete           Bound    default/data-redis-5   standard                75s
pvc-HASH   1Gi        RWO            Delete           Bound    default/data-redis-1   standard                2m59s
pvc-HASH   1Gi        RWO            Delete           Bound    default/data-redis-3   standard                2m16s
pvc-HASH   1Gi        RWO            Delete           Bound    default/data-redis-2   standard                2m38s
pvc-HASH   1Gi        RWO            Delete           Bound    default/data-redis-0   standard                3m20s
pvc-HASH   1Gi        RWO            Delete           Bound    default/data-redis-4   standard                104s

この出力で、HASH は各永続ボリューム名に関連付けられたハッシュを表します。

Redis クラスタにロールを割り当てる

構成が完了したら、Redis クラスタにロールを割り当てます。

次のスクリプトは、Pod の IP アドレスを取得し、各 Pod IP アドレスをコマンドに渡してリーダーとフォロワーのロールを割り当てます。

#!/bin/bash
# Usage: ./roles.sh

urls=$(kubectl get pods -l app=redis -o jsonpath='{range.items[*]}{.status.podIP} ')
command="kubectl exec -it redis-0 -- redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 "

for url in $urls
do
    command+=$url":6379 "
done

echo "Executing command: " $command
$command

Redis クラスタにロールを割り当てるには、次の手順を完了します。

スクリプトを実行します。
```
chmod +x ./roles.sh
./roles.sh
```
プロンプトが表示されたら、「yes」と入力します。
Redis ノードにログインしてロールを確認します。たとえば、redis-0 にリーダーのロールが割り当てられていることを確認するには、次のコマンドを実行します。
```
kubectl exec -it redis-0 -- redis-cli role
```
出力は次の例のようになります。
```
1) "master"
2) (integer) 574
3) 1) 1) "10.28.2.3"
       2) "6379"
       3) "574"
```

Redis クライアントアプリケーションをデプロイする

作成した GKE クラスタにアプリケーションをデプロイするには、アプリケーション用の Deployment を定義します。app-deployment.yaml という名前のファイルには、アプリケーションのデプロイメント定義が含まれています。

この Deployment で使用される Probe と Pod のアフィニティルールの詳細については、GKE のベストプラクティス: 高可用性クラスタの設計と構築をご覧ください。

Deployment を作成するには、次の手順で操作します。

Deployment を適用します。
```
kubectl apply -f app-deployment.yaml
```

ロードバランサ経由でアプリケーションを公開します。

kubectl expose deployment hello-web \
    --type=LoadBalancer \
    --port 80 \
    --target-port 8080

約 1 分待ってから次のコマンドを実行して、アプリケーションの外部 IP アドレスを取得します。
```
kubectl get service
```
出力から、hello-web's EXTERNAL-IP 列に表示されている値をコピーします。
```
NAME             TYPE           CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP    PORT(S)              AGE
hello-web        LoadBalancer   10.13.10.55   EXTERNAL_IP   80:30703/TCP         166m
```
ウェブブラウザに EXTERNAL_IP を貼り付けて、アプリケーションが機能していることを確認します。出力は次の例のようになります。
```
I have been hit [1] times since deployment!
```
アクセス数をメモしておきます。これは、アプリケーションの中断テストで必要になります。
コピーした EXTERNAL_IP の変数を設定します。この値は、次のセクションでアプリケーションのテストスクリプトを作成するときに使用します。
```
export IP=EXTERNAL_IP
```

ノードプールのアップグレードに関するベストプラクティスを構成する

ステートフルアプリケーションに対して以下のベストプラクティスを実施し、ノードプールのアップグレード中の可用性を最適化します。

Pod 停止予算（PDB）を設定する

Pod 停止予算を作成して、自発的な中断中に同時に停止される複製 Pod の数を制限します。これは、アップグレード中に使用可能なレプリカの数のクォーラムが必要なステートフルアプリケーションに役立ちます。

apiVersion: policy/v1
kind: PodDisruptionBudget
metadata:
  name: redis-pdb
spec:
  minAvailable: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: redis

PDB の定義では:

app は、この PDB を適用するアプリケーションを指定します。
minAvailable は、中断時に使用できる Pod の最小数を設定します。値または割合（例: 30%）を指定できます。
maxUnavailable は、中断中に使用できない Pod の最大数を設定します。値または割合を指定できます。

PDB を設定するには、次の手順を完了します。

PDB をデプロイします。
```
kubectl apply -f pdb-minavailable.yaml
```
PDB が作成されていることを確認します。
```
kubectl get pdb
```

メンテナンスの時間枠と除外を設定する

ノードの自動アップグレードによってアップグレードプロセスが効率化され、ユーザーに代わってコントロールプレーンがアップグレードされるときに、クラスタ内のノードが最新の状態に保たれます。この機能はデフォルトで有効になっています。詳細は、ノードの自動アップグレードをご覧ください。

メンテナンスの時間枠とメンテナンスの除外を使用すると、時間枠を設定して、GKE クラスタでのメンテナンスの実行のタイミングを制御できます。

2022 年 8 月 19 日の午前 2 時（UTC）に開始し、4 時間後に終了するようにメンテナンスの時間枠を設定します。このメンテナンスの時間枠は毎日実行されます。この期間中は、自動メンテナンスが許可されます。
```
gcloud container clusters update redis-test \
   --maintenance-window-start 2022-08-19T02:00:00Z \
   --maintenance-window-end 2022-08-19T06:00:00Z \
   --maintenance-window-recurrence FREQ=DAILY
```
除外時間枠を設定して、年末年始にメンテナンスが行われないようにします。このメンテナンスの除外は、no_upgrades スコープを使用します。この期間中は、あらゆる種類の自動メンテナンスが禁止されます。詳細については、除外するメンテナンスの範囲をご覧ください。
```
gcloud container clusters update redis-test \
   --add-maintenance-exclusion-name new-year \
   --add-maintenance-exclusion-start 2022-12-26T00:00:00Z \
   --add-maintenance-exclusion-end 2023-01-02T02:00:00Z \
   --add-maintenance-exclusion-scope no_upgrades
```
メンテナンスの時間枠と除外が適用されていることを確認します。maintenancePolicy: の下を確認します。
```
gcloud container clusters describe redis-test
```

詳細については、メンテナンスの時間枠と除外を構成するをご覧ください。

ノードのアップグレード戦略を構成する

GKE クラスタ内のノードプールには、Blue/Green アップグレードとサージアップグレードという 2 つのノードアップグレード戦略があります。詳細については、ノードのアップグレード戦略をご覧ください。

Blue/Green アップグレード

ワークロードの中断を許容できず、リソース使用量の増加によって一時的な費用の増加が許容される場合は、Blue/Green アップグレードを選択します。

次のコマンドを実行して、現在のノードプールを Blue/Green アップグレード戦略に変更します。

gcloud container node-pools update default-pool \
--cluster=redis-test \
--enable-blue-green-upgrade \
--zone COMPUTE-ZONE \
--node-pool-soak-duration=120s

このチュートリアルの目的上、ノードプールソーク期間は、ノードプールのソークフェーズで時間を節約するために 2 分間に設定します。このフェーズは、Blue プールノードがドレインされた後、ワークロードの正常性を確認するために使用されます。ノードプールソーク期間を 1 時間（3,600 秒）またはアプリケーションに最適な期間に設定することをおすすめします。

Pod の割り当ての管理の詳細については、Pod を特定のノードプールにデプロイすると特定のノードプールに Service をデプロイするをご覧ください。

Blue/Green アップグレードの構成の詳細については、Blue/Green アップグレードを構成するをご覧ください。

サージアップグレード

コストの最適化が重要であり、ワークロードが 60 分未満で正常なシャットダウンを許容できる場合は、サージアップグレードを選択します（GKE では PDB が最大 60 分間適用されます）。

次のコマンドを実行して、現在のノードプールをサージアップグレード戦略に変更します。

gcloud container node-pools update default-pool \
--max-surge-upgrade=1 \
--max-unavailable-upgrade=0 \
--cluster=redis-test

この構成（maxSurge=1 と maxUnavailable=0）では、アップグレード中にノードプールにサージノードを 1 つだけ追加できます。このため、一度にアップグレードできるノードは 1 つだけです。この設定では、アップグレード中の Pod の再起動が速くなります。

サージアップグレードの構成の詳細については、サージアップグレードを構成するをご覧ください。

現在のノードプールの構成を確認します。

   gcloud container node-pools describe default-pool \
   --cluster redis-test \
   --zone COMPUTE-ZONE

ノードプールの表示の詳細については、クラスタ内のノードプールを表示するをご覧ください。

アプリケーションをテストする

このセクションでは、アプリケーションにリクエストを送信するスクリプトと、リクエストの成功率を測定するスクリプトの 2 つを使用します。これらのスクリプトを使用して、クラスタをアップグレードしたときに何が起こるかを測定します。

スクリプトを作成するには:

スクリプトが含まれているディレクトリに移動します。
```
cd
cd kubernetes-engine-samples/quickstarts/hello-app-redis/scripts
```
generate_load.sh という名前のスクリプトを参照します。このスクリプトは、秒間クエリ数（QPS）リクエストをアプリケーションに送信します。このスクリプトは、現在のディレクトリの output という名前のファイルに HTTP レスポンスコードを保存します。output の値は、次の手順で作成するスクリプトで使用します。
```
#!/bin/bash
# Usage: ./generate_load.sh <IP> <QPS>

IP=$1
QPS=$2

while true
  do for N in $(seq 1 $QPS)
    do curl -I -m 5 -s -w "%{http_code}\n" -o /dev/null http://${IP}/ >> output &
    done
  sleep 1
done
```

generate_load.sh によって生成される出力に基づいて成功率を計算する print_error_rate.sh という名前のスクリプトを参照してください。

#!/bin/bash
# Usage: watch ./print_error_rate.sh

TOTAL=$(cat output | wc -l);
SUCCESS=$(grep "200" output |  wc -l);
ERROR1=$(grep "000" output |  wc -l)
ERROR2=$(grep "503" output |  wc -l)
ERROR3=$(grep "500" output |  wc -l)
SUCCESS_RATE=$(($SUCCESS * 100 / TOTAL))
ERROR_RATE=$(($ERROR1 * 100 / TOTAL))
ERROR_RATE_2=$(($ERROR2 * 100 / TOTAL))
ERROR_RATE_3=$(($ERROR3 * 100 / TOTAL))
echo "Success rate: $SUCCESS/$TOTAL (${SUCCESS_RATE}%)"
echo "App network Error rate: $ERROR1/$TOTAL (${ERROR_RATE}%)"
echo "Resource Error rate: $ERROR2/$TOTAL (${ERROR_RATE_2}%)"
echo "Redis Error rate: $ERROR3/$TOTAL (${ERROR_RATE_3}%)"

スクリプトの実行権限を付与します。
```
chmod u+x generate_load.sh print_error_rate.sh
```
QPS の数を格納する変数を設定します。この値は、EXTERNAL_IP に設定した変数と同様に generate_load.sh スクリプトで使用されます。値に 40 を設定することをおすすめします。
```
export QPS=40
```
generate_load.sh スクリプトを実行して QPS の送信を開始します。
```
./generate_load.sh $IP $QPS 2>&1
```
generate_load.sh スクリプトを実行したまま、新しいターミナルを開きます。新しいターミナルで、print_error_rate.sh スクリプトを実行してエラー率を確認します。
```
cd
cd kubernetes-engine-samples/quickstarts/hello-app-redis/scripts
watch ./print_error_rate.sh
```
QPS が発生すると 100% の成功率と 0% エラー率が表示されます。
両方のスクリプトを実行したまま、次のセクション用に 3 つ目のターミナルを開きます。

クラスタをアップグレードする

クラスタをアップグレードするには、次の手順を完了します。

redis-test クラスタが使用している GKE のバージョンを確認します。
```
V=$(gcloud container clusters describe redis-test | grep "version:" | sed "s/version: //")
echo $V
```
出力は 1.22.9-gke.2000 のようになります。
使用可能な Kubernetes バージョンのリストを取得します。
```
gcloud container get-server-config
```
バージョンのリストで validMasterVersions: セクションに移動し、前の手順で取得した redis-cluster バージョンを探します。バージョンスキューを回避するため、redis-cluster バージョンのすぐ上にあるバージョンをコピーします。
クラスタのコントロールプレーンを選択したバージョンにアップグレードします。プロンプトが表示されたら「y」と入力します。
```
gcloud container clusters upgrade redis-test \
    --master \
    --cluster-version VERSION
```
VERSION は、前のステップで選択したバージョンに置き換えます。

コントロールプレーンのアップグレードには数分かかります。
クラスタのノードを選択したバージョンにアップグレードします。プロンプトが表示されたら「y」と入力します。
```
gcloud container clusters upgrade redis-test \
    --cluster-version=VERSION \
    --node-pool=default-pool
```
VERSION は、リストで選択したバージョンに置き換えます。

ワークロードの中断をテストする

このセクションでは、アプリケーションのステータスをテストして、ワークロードの中断を観察します。

./print_error_rate.sh を実行しているターミナルウィンドウに戻り、アップグレード中の成功率の変化を確認します。アップグレードのためにノードが停止すると、成功率が若干低下し、アプリのネットワークエラー率がわずかに増加します。

Success rate フィールドには、ウェブサイトに対して成功したアクセス数が表示されます。この値をメモします。
関連するターミナルで「CTRL+C」と入力して、両方のスクリプトの実行を停止します。
アプリケーションの IP アドレス（Redis クライアントアプリケーションのデプロイでコピーした EXTERNAL_IP）をブラウザに入力して、アプリケーションのウェブサイトに戻ります。
アプリのアクセス数を確認します。表示された数値は次のようになるはずです。

ORIGINAL_VISIT_NUMBER + SUCCESSFUL_VISIT_NUMBER

ORIGINAL_VISIT_NUMBER は、Redis クライアントアプリケーションをデプロイするの最後で記録した数字です。SUCCESSFUL_VISIT_NUMBER は、このセクションの最初のステップで記録した数値です。

クリーンアップ

チュートリアルが終了したら、作成したリソースをクリーンアップして、割り当ての使用を停止し、課金されないようにできます。次のセクションで、リソースを削除または無効にする方法を説明します。

プロジェクトの削除

課金をなくす最も簡単な方法は、チュートリアル用に作成したプロジェクトを削除することです。

プロジェクトを削除するには:

注意: プロジェクトを削除すると、次のような影響があります。

プロジェクト内のすべてのものが削除されます。このドキュメントのタスクで既存のプロジェクトを使用した場合、それを削除すると、そのプロジェクトで行った他の作業もすべて削除されます。
カスタムプロジェクト ID が失われます。このプロジェクトを作成したときに、将来使用するカスタムプロジェクト ID を作成した可能性があります。そのプロジェクト ID を使用した URL（たとえば、appspot.com）を保持するには、プロジェクト全体ではなくプロジェクト内の選択したリソースだけを削除します。

複数のアーキテクチャ、チュートリアル、クイックスタートを実施する予定がある場合は、プロジェクトを再利用すると、プロジェクトの割り当て上限を超えないようにすることができます。

Google Cloud コンソールで、[リソースの管理] ページに移動します。
[リソースの管理] に移動
プロジェクトリストで、削除するプロジェクトを選択し、[削除] をクリックします。
ダイアログでプロジェクト ID を入力し、[シャットダウン] をクリックしてプロジェクトを削除します。

クラスタを削除する

このチュートリアル用に作成したクラスタを削除するには、次のコマンドを実行します。

gcloud container clusters delete redis-test