컨테이너 가상화에서 호스트 가상화(OS가상화) 또는 하이퍼바이저 가상화에서 가지고 있는 게스트 OS가 없다는 것은 컨테이너 내 애플리케이션에서도 호스트 OS의 기능(커널)을 이용해 동작한다는 것이다. 커널을 공유해도 컨테이너가 가지는 파일시스템이 독립적이기 때문에 호스트 OS 내에 설치된 다른 어플리케이션이나 파일들에는 영향을 끼치지 않는다.
컨테이너 런타임은 컨테이너를 실행하거나 관리하는 소프트웨어이다.
컨테이너가 일반 프로세스와 다른 점은 네임스페이스를 통해 다른 프로세스와 격리되도록 설정한다.
컨테이너는 다른 컨테이너나 프로세스와 운영체제(정확하게는 커널이라고 하는 운영체제의 핵심부분)를 공유하는 반면, 가상서버는 다른 가상 서버나 물리서버와 운영체제를 공유하지 않는다.
컨테이너는 프로세스, 그 자체이다.
리눅스 배포판은 리눅스 커널과 그 외의 소프트웨어(셸이나 에디터들을 하나로 모아놓은 것)이며 컨테이너 이미지에 OS 이미지(리눅스)를 사용할 때 이 리눅스 배포판을 사용하게 된다.
컨테이너는 호스트 머신의 운영체제(커널)을 이용하고 있지만, 어떤 컨테이너가 우분투에 포함되는 소프트웨어를 갖추고 있다면 그 컨테이너 내에서 실행하는 프로세스를 마치 우분투에서 실행되는 것처럼 보이게 할 수 있다. 호스트 OS가 윈도 또는 맥OS인 경우 도커 데스크톱을 설치하면 컨테이너형 가상화 소프트웨어에 리눅스 가상 시스템이 구축된다. 컨테이너는 리눅스 가상 서버에서 동작하도록 구성된다.
컨테이너 이미지의 대부분은 컨테이너를 실행하는 데 필요한 파일시스템이며 파일시스템은 레이어라는 층이 겹쳐서 구성된다.
컨테이너는 프로세스이고 컨테이너 이미지는 데이터이다.
운영체제 설치 디스크는 소프트웨어를 하드 디스크 드라이브 등으로 복사하는 반면 컨테이너 이미지는 컨테이너 프로세스에서 컨테이너 이미지의 소프트웨어에 접근할 수 있으므로 복사하지 않는다. 또한 운영체제 설치 디스크에는 리눅스 커널이 포함되어 있지만 컨테이너 이미지에는 리눅스 커널이 포함되어 있지 않다.
컨테이너 생성 시에 도커 클라이언트는 도커 데몬 API에 요청을 전달하고 도커 데몬은 컨테이너를 생성하기 전에 먼저 네임스페이스 프로세스를 생성한 뒤 네임스페이스의 멤버로 컨테이너 프로세스를 실행합니다.
컨테이너를 실행하면 이미지 레이어 위에 프로세스에 따른 파일추가나 변경사항을 기록하는 레이어가 생성되며 이 레이어를 컨테이너 레이어라고 한다. 기록할 수 있다는 점이 읽기 전용인 컨테이너 이미지 레이어와는 차이점을 가진다.
컨테이너 프로세스가 이미지 레이어에 포함된 파일을 수정하려고 하면 대상 파일을 이미지 레이어에서 컨테이너 레이어로 복사한 다음, 복사된 파일을 변경한다. 이러한 변경 방법을 카피 온 라이트 전략이라고 한다.
쿠버네티스는 패킷을 전달하기 위해 iptables의 네트워크 주소 변환 기능을 사용한다. 또한, 패킷을 전송하는 방법을 결정하는 규칙은 kube-proxy라는 에이전트 프로그램에 의해 필요에 따라 변경한다. iptables 대신 IPVS를 사용할 수도 있으며 서비스 수가 10,000개를 초과하는 대규모 클러스터에서는 IPVS를 사용하는 것이 좋다. 워커 노드의 kube-proxy는 마스터 노드의 kube-api-server로부터 패킷전송 규칙을 취득하고 kube-proxy는 취득한 정보로 iptables의 주소를 변경함으로써 파드 간 상호통신이 이루어지게 한다.
iptables는 리눅스의 네트워크 관리 도구이며 iptables를 사용하면 netfilter(패킷 필터링 및 네트워크 주소 변환을 수행하는 리눅스의 기능)설정을 변경할 수 있다. 반면 IPVS는 리눅스 커널에 내장된 로드 밸런싱 기능이며 iptables와 마찬가지로 netfilter를 사용한다. iptables와 IPVS를 비교하면, IPVS는 설정 내용을 해시테이블에 보존하거나 커널 모드에서 동작하는 등 효율화가 진행되어 iptables보다 빠른 속도로 동작한다.
kubelet은 파드의 상태를 정기적으로 확인해 헬스체크를 구현한다.
쿠버네티스에서는 HPA(Horizontal Pod Autoscaler)를 사용해 파드를 수평 스케일링할 수 있다. HPA 컨트롤러는 주기적으로(기본적으로 15초 간격으로) 파드의 매트릭스를 취득해 이를 기반으로 필요한 파드 수를 계산하고 레플리카셋 및 디플로이먼트의 파드 수를 변경한다.
VPA(Vertical Pod Autoscaler)를 사용해 파드를 수직 스케일링할 수 있다. 파드에 할당하는 리소스(CPU나 메모리)등의 수량은 request와 limit이라는 두 파라미 터에 따라 정해지며 각각 request는 하한선을 limit은 상한선을 지정한다.
디플로이먼트 컨트롤러란 디플로이먼트를 특정한 상태로 유지하는 컨트롤러다.
쿠버네티스 클러스터가 아마존 웹서비스 및 애저와 같은 퍼블릭 클라우드에 구축된 경우 CA(Cluster Autoscaler)를 사용해 클러스터 자체를 수평 스케일링할 수 있다. CA는 클러스터를 구성하는 시스템의 수를 늘리거나 줄여서 수평 스케일링한다. CA가 서버 수를 늘리는 타이밍은 HPA와 다르며 CA는 리소스 부족으로 파드를 시작하지 못한 경우에 서버 수를 늘린다.
마스터 노드는 kube-api-server, etcd, kube-scheduler, kube-controller-manager와 같은 다양한 구성 요소를 실행한다.
kube-api-server는 사용자 및 워커가 쿠버네티스 클러스터와 상호 작용할 수 있는 엔드포인트(REST API)를 제공한다.
etcd는 데이터(쿠버네티스 클러스터와 관련된 설정 등)를 저장하는 장소이며 여러 노드로 구성된 키-값 저장소로 일부 노드가 고장 나도 데이터가 손실되거나 불일치가 발생하지 않는 구조를 갖추고 있다. kube-api-server와 etcd는 프런트엔드와 백엔드 간 관계이며, kube-api-server는 데이터를 갖지 않고 etcd를 통해 데이터를 관리한다.
kube-scheduler는 파드를 시작할 노드를 계획하는 스케줄로 필요한 리소스 등 다양한 조건을 고려해 최적의 노드를 결정한다.
kube-controller-manager는 디플로이먼트 컨트롤러와 같은 여러 컨트롤러의 실행 및 정지를 관리하고 쿠버네티스 클러스터를 정상적인 상태로 유지한다.