쿠버네티스(Kubernetes) 아키텍처
안녕하세요, 오늘은 클라우드 네이티브 환경의 핵심 기술인 쿠버네티스(Kubernetes)의 아키텍처에 대해 자세히 알아보고자 합니다. 컨테이너 오케스트레이션 시장의 표준으로 자리 잡은 쿠버네티스의 내부 구조를 이해하면 효율적인 시스템 설계와 운영에 큰 도움이 됩니다.
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쿠버네티스란?
쿠버네티스(Kubernetes, K8s)는 컨테이너화된 애플리케이션의 배포, 확장, 관리를 자동화하는 오픈소스 플랫폼입니다. 구글이 자사의 Borg 시스템을 기반으로 개발하여 2014년 오픈소스로 공개했으며, 현재는 Cloud Native Computing Foundation(CNCF)에서 관리하고 있습니다.
쿠버네티스는 마이크로서비스 아키텍처, DevOps, CI/CD 파이프라인 등 현대적인 애플리케이션 개발 및 운영 방식과 완벽하게 조화를 이루며, 다양한 환경(온프레미스, 퍼블릭/프라이빗 클라우드)에서 일관된 방식으로 애플리케이션을 실행할 수 있게 해줍니다.
쿠버네티스 아키텍처 개요
쿠버네티스 클러스터는 크게 **컨트롤 플레인(Control Plane)**과 **워커 노드(Worker Nodes)**로 구성됩니다. 컨트롤 플레인은 클러스터의 두뇌 역할을 하며, 워커 노드는 실제 애플리케이션이 실행되는 곳입니다.
컨트롤 플레인 컴포넌트
컨트롤 플레인(마스터 노드라고도 함)은 클러스터 관리를 담당하는 핵심 구성 요소들로 이루어져 있습니다:
1. API 서버(kube-apiserver)
- 쿠버네티스 시스템의 프론트엔드
- RESTful API를 통해 클러스터와 상호작용
- 모든 명령과 쿼리의 게이트웨이 역할
- 인증, 권한 부여, 입력 검증 등을 담당
2. etcd
- 분산형 키-값 저장소
- 클러스터의 모든 구성 데이터, 상태 정보 저장
- 고가용성을 위해 여러 인스턴스로 실행 가능
- 클러스터의 "진실의 원천(source of truth)" 역할
3. 스케줄러(kube-scheduler)
- 새로 생성된 파드를 감지하고 실행할 노드 선택
- 하드웨어 요구사항, 워크로드 분산, 어피니티/안티어피니티 규칙 등 고려
- 최적의 노드 선택을 위한 복잡한 알고리즘 사용
4. 컨트롤러 매니저(kube-controller-manager)
- 여러 컨트롤러 프로세스를 단일 바이너리로 실행
- 노드 컨트롤러: 노드 상태 모니터링
- 레플리케이션 컨트롤러: 파드 복제본 관리
- 엔드포인트 컨트롤러: 서비스와 파드 연결
- 서비스 어카운트 & 토큰 컨트롤러: 계정 관리
5. 클라우드 컨트롤러 매니저(cloud-controller-manager)
- 클라우드 제공업체별 컨트롤 로직 포함
- 클라우드 리소스(로드밸런서, 인스턴스, 스토리지 등) 관리
- 클러스터가 클라우드 인프라와 상호작용하는 방법 제공
6. kube-dns (CoreDNS)
- 클러스터 내부 DNS 서비스 제공
- 서비스 디스커버리 기능 담당
- 서비스 이름을 IP 주소로 변환
- 쿠버네티스의 네트워킹 추상화 핵심 요소
워커 노드 컴포넌트
워커 노드는 실제 애플리케이션 워크로드가 실행되는 컴퓨팅 인스턴스입니다:
1. kubelet
- 각 노드에서 실행되는 에이전트
- API 서버로부터 파드 스펙(PodSpec) 수신
- 컨테이너 실행 상태 관리 및 모니터링
- 노드 상태를 컨트롤 플레인에 보고
2. kube-proxy
- 네트워크 프록시
- 각 노드에서 실행되는 네트워크 규칙 관리
- 서비스 개념을 구현하고 파드 간 통신 가능케 함
- iptables 또는 IPVS 모드로 동작 가능
3. 컨테이너 런타임
- 컨테이너 실행을 담당하는 소프트웨어
- Docker, containerd, CRI-O 등 다양한 런타임 지원
- Container Runtime Interface(CRI)를 통해 kubelet과 통신
쿠버네티스 작동 원리
쿠버네티스의 기본적인 워크플로우는 다음과 같습니다:
- 사용자가 kubectl CLI 도구나 API를 통해 명령을 실행합니다.
- API 서버가 요청을 수신하고 인증, 권한 부여 등을 처리합니다.
- API 서버가 etcd에 새로운 상태를 저장합니다.
- 컨트롤러가 상태 변화를 감지하고 필요한 작업을 수행합니다.
- 스케줄러가 새 파드를 적절한 노드에 할당합니다.
- kubelet이 할당된 노드에서 파드를 실행합니다.
- kube-proxy가 네트워크 규칙을 업데이트하여 파드 접근성을 보장합니다.
- kube-dns가 서비스 디스커버리를 위한 DNS 레코드를 업데이트합니다.
핵심 리소스 오브젝트
쿠버네티스는 다양한 리소스 오브젝트를 통해 애플리케이션을 정의하고, 관리하고, 확장하는데 필요한 추상화를 제공합니다:
- 파드(Pod): 가장 작은 배포 단위로, 하나 이상의 컨테이너를 포함
- 레플리카셋(ReplicaSet): 지정된 수의 파드 복제본 유지
- 디플로이먼트(Deployment): 애플리케이션 배포 및 업데이트 관리
- 서비스(Service): 파드 집합에 대한 단일 액세스 포인트 제공
- 인그레스(Ingress): HTTP/HTTPS 라우팅 규칙 관리
- 컨피그맵(ConfigMap) & 시크릿(Secret): 구성 데이터 및 민감 정보 관리
- 네임스페이스(Namespace): 클러스터 내 가상 클러스터 분리
- 볼륨(Volume): 데이터 저장 및 공유
쿠버네티스 아키텍처의 장점
쿠버네티스 아키텍처는 다음과 같은 이점을 제공합니다:
- 선언적 구성: 원하는 상태를 정의하면 쿠버네티스가 자동으로 해당 상태 유지
- 자동 복구: 장애 발생 시 자동으로 복구 (자가 치유)
- 수평적 확장: 트래픽 증가에 따라 자동 또는 수동으로 스케일링
- 서비스 디스커버리: 내장된 DNS를 통한 효율적인 서비스 디스커버리
- 로드 밸런싱: 트래픽을 여러 파드에 분산
- 롤링 업데이트: 무중단 업데이트 및 롤백 지원
- 시크릿 및 구성 관리: 분리된 구성으로 애플리케이션 코드와 설정 분리
- 스토리지 오케스트레이션: 다양한 스토리지 시스템 통합
마치며
쿠버네티스는 복잡한 시스템이지만, 그 아키텍처의 각 구성 요소는 명확한 역할과 책임을 가지고 있습니다. 이 글에서 설명한 기본 아키텍처를 이해하면 쿠버네티스 클러스터를 더 효과적으로 설계, 배포 및 관리할 수 있을 것입니다.
클라우드 네이티브 환경에서 쿠버네티스는 이제 필수적인 기술이 되었습니다. 계속해서 발전하는 쿠버네티스 생태계를 따라가기 위해서는 기본 아키텍처에 대한 이해가 무엇보다 중요합니다. 이 글이 여러분의 쿠버네티스 여정에 도움이 되었기를 바랍니다.
참고 자료: