Kubernetes永続ストレージ：Volumes、PV、PVC、StatefulSets

コンテナはデフォルトで一時的です - 再起動するとすべてのデータが失われます。Kubernetesは永続データのためのさまざまなストレージオプションを提供します。この記事では、ボリューム、PersistentVolume、StorageClass、StatefulSetを解説します。

ストレージ概要

flowchart TB
    subgraph Storage["Kubernetesストレージ"]
        EV["emptyDir<br/>一時的"]
        HV["hostPath<br/>ノードローカル"]
        PV["PersistentVolume<br/>クラスタ全体"]
    end

    subgraph Backend["ストレージバックエンド"]
        Cloud["クラウドストレージ<br/>EBS, GCE PD"]
        NFS["NFS"]
        Local["ローカルディスク"]
    end

    PV --> Cloud
    PV --> NFS
    HV --> Local
    EV --> Local

    style PV fill:#3b82f6,color:#fff

ボリュームタイプ

emptyDir

Podのライフタイム中存在する一時ストレージ。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: cache-pod
spec:
  containers:
    - name: app
      image: myapp:1.0
      volumeMounts:
        - name: cache
          mountPath: /cache
    - name: sidecar
      image: sidecar:1.0
      volumeMounts:
        - name: cache
          mountPath: /shared-cache
  volumes:
    - name: cache
      emptyDir: {}
      # またはサイズ制限付き
      # emptyDir:
      #   sizeLimit: 500Mi
      #   medium: Memory  # tmpfs

hostPath

ホストノードからファイルまたはディレクトリをマウント。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: hostpath-pod
spec:
  containers:
    - name: app
      image: myapp:1.0
      volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /data
  volumes:
    - name: data
      hostPath:
        path: /mnt/data
        type: DirectoryOrCreate  # Directory, Fileなど

PersistentVolume (PV)

物理ストレージを表すクラスタリソース。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: my-pv
spec:
  capacity:
    storage: 10Gi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  storageClassName: standard
  # バックエンド固有
  hostPath:
    path: /mnt/data

アクセスモード

モード	略称	説明
ReadWriteOnce	RWO	単一ノードで読み書き
ReadOnlyMany	ROX	複数ノードで読み取り専用
ReadWriteMany	RWX	複数ノードで読み書き
ReadWriteOncePod	RWOP	単一Podで読み書き

回収ポリシー

ポリシー	説明
Retain	PVC削除後もPVを保持
Delete	PVと基盤ストレージを削除
Recycle	非推奨、ワイプして再利用

PersistentVolumeClaim (PVC)

ユーザーによるストレージのリクエスト。

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: my-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 5Gi
  storageClassName: standard
  # オプション：特定のPV
  # volumeName: my-pv

PodでPVCを使用

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: app
spec:
  containers:
    - name: app
      image: myapp:1.0
      volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /data
  volumes:
    - name: data
      persistentVolumeClaim:
        claimName: my-pvc

PVとPVCのバインディング

flowchart LR
    PVC["PVC<br/>5Gi, RWO"] -->|"バインド"| PV["PV<br/>10Gi, RWO"]
    PV --> Storage["クラウドディスク"]

    style PVC fill:#3b82f6,color:#fff
    style PV fill:#8b5cf6,color:#fff

バインディングプロセス

ユーザーが要件付きでPVCを作成
Kubernetesが一致するPVを検索（サイズ、アクセスモード、ストレージクラス）
PVCがPVにバインド（1:1関係）
PodがPVCを使用してストレージにアクセス

StorageClass

動的プロビジョニングで「クラス」のストレージを定義。

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: fast
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
  type: gp3
  iopsPerGB: "10"
reclaimPolicy: Delete
allowVolumeExpansion: true
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer

動的プロビジョニング

# StorageClass付きPVC
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: dynamic-pvc
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  storageClassName: fast  # StorageClassを参照
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi
# PVが自動的に作成される！

一般的なプロビジョナー

プロバイダー	プロビジョナー
AWS EBS	`kubernetes.io/aws-ebs`
GCE PD	`kubernetes.io/gce-pd`
Azure Disk	`kubernetes.io/azure-disk`
NFS	`nfs-subdir-external-provisioner`
Local	`kubernetes.io/no-provisioner`

ボリュームバインディングモード

モード	説明
Immediate	PVC作成時に即座にプロビジョニング
WaitForFirstConsumer	PodがPVCを使用するまで待機

StatefulSets

安定したストレージとネットワークIDを必要とするステートフルアプリケーション用。

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: postgres
spec:
  serviceName: postgres
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: postgres
  template:
    metadata:
      labels:
        app: postgres
    spec:
      containers:
        - name: postgres
          image: postgres:15
          ports:
            - containerPort: 5432
          volumeMounts:
            - name: data
              mountPath: /var/lib/postgresql/data
          env:
            - name: POSTGRES_PASSWORD
              valueFrom:
                secretKeyRef:
                  name: postgres-secret
                  key: password

  volumeClaimTemplates:
    - metadata:
        name: data
      spec:
        accessModes: ["ReadWriteOnce"]
        storageClassName: fast
        resources:
          requests:
            storage: 10Gi

StatefulSetの機能

機能	説明
安定したPod名	postgres-0、postgres-1、postgres-2
順序付きデプロイ	0 → 1 → 2
順序付き終了	2 → 1 → 0
安定したネットワークID	postgres-0.postgres.namespace.svc
永続ストレージ	各Podが独自のPVCを取得

StatefulSet用Headless Service

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: postgres
spec:
  clusterIP: None  # Headless
  selector:
    app: postgres
  ports:
    - port: 5432

ボリューム拡張

PVCサイズを拡張（StorageClassが許可している場合）：

# StorageClassにはallowVolumeExpansion: trueが必要
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: my-pvc
spec:
  resources:
    requests:
      storage: 20Gi  # 10Giから増加

# PVCを拡張
kubectl patch pvc my-pvc -p '{"spec":{"resources":{"requests":{"storage":"20Gi"}}}}'

ボリュームスナップショット

ボリュームのポイントインタイムコピーを作成。

# VolumeSnapshotClass
apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshotClass
metadata:
  name: csi-snapclass
driver: ebs.csi.aws.com
deletionPolicy: Delete
---
# スナップショットを作成
apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshot
metadata:
  name: my-snapshot
spec:
  volumeSnapshotClassName: csi-snapclass
  source:
    persistentVolumeClaimName: my-pvc
---
# スナップショットから復元
apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: restored-pvc
spec:
  dataSource:
    name: my-snapshot
    kind: VolumeSnapshot
    apiGroup: snapshot.storage.k8s.io
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 10Gi

ストレージの操作

一般的なコマンド

# PVを一覧表示
kubectl get pv
kubectl get pv -o wide

# PVCを一覧表示
kubectl get pvc
kubectl get pvc -A

# StorageClassを一覧表示
kubectl get storageclass
kubectl get sc

# リソースを詳細表示
kubectl describe pv my-pv
kubectl describe pvc my-pvc

# PVCを削除（場合によってはPVも）
kubectl delete pvc my-pvc

ストレージ問題のデバッグ

# PVCステータスを確認
kubectl get pvc my-pvc -o yaml

# イベントを確認
kubectl describe pvc my-pvc

# PVが利用可能か確認
kubectl get pv -o wide

# Podのボリュームマウントを確認
kubectl describe pod my-pod

完全な例

# StorageClass
apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: database-storage
provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
parameters:
  type: gp3
reclaimPolicy: Retain
allowVolumeExpansion: true
volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer
---
# volumeClaimTemplate付きStatefulSet
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: mysql
spec:
  serviceName: mysql
  replicas: 3
  selector:
    matchLabels:
      app: mysql
  template:
    metadata:
      labels:
        app: mysql
    spec:
      containers:
        - name: mysql
          image: mysql:8.0
          ports:
            - containerPort: 3306
          env:
            - name: MYSQL_ROOT_PASSWORD
              valueFrom:
                secretKeyRef:
                  name: mysql-secret
                  key: password
          volumeMounts:
            - name: data
              mountPath: /var/lib/mysql
          readinessProbe:
            exec:
              command: ["mysqladmin", "ping", "-h", "localhost"]
            initialDelaySeconds: 30
            periodSeconds: 10

  volumeClaimTemplates:
    - metadata:
        name: data
      spec:
        accessModes: ["ReadWriteOnce"]
        storageClassName: database-storage
        resources:
          requests:
            storage: 50Gi
---
# Headless Service
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: mysql
spec:
  clusterIP: None
  selector:
    app: mysql
  ports:
    - port: 3306

ベストプラクティス

プラクティス	推奨事項
StorageClassを使用	動的プロビジョニング用
本番にはRetainを使用	偶発的なデータ損失を防止
リソースリクエストを設定	ボリュームを適切なサイズに
ボリューム拡張を有効化	再作成なしで成長を許可
WaitForFirstConsumerを使用	ゾーン対応プロビジョニング用
定期的にバックアップ	スナップショットまたは外部バックアップを使用

ストレージ比較

タイプ	永続性	スコープ	使用例
emptyDir	Podのライフタイム	Pod	キャッシュ、一時ファイル
hostPath	ノードのライフタイム	ノード	ノードローカルデータ
PV/PVC	クラスタのライフタイム	クラスタ	データベース、永続アプリ

重要なポイント

コンテナは一時的 - データには永続ストレージを使用
PVはストレージを抽象化 - クラスタ全体のストレージリソース
PVCはストレージをリクエスト - ユーザー向けストレージクレーム
StorageClassで動的プロビジョニング - 自動PV作成
ステートフルアプリにはStatefulSet - 安定したIDとストレージ
適切な回収ポリシーを使用 - 本番データにはRetain

次のステップ

次の記事では、クラスタ編成とリソース管理のためのNamespaceとResourceQuotaを解説します。

参考文献

The Kubernetes Book, 3rd Edition - Nigel Poulton
Kubernetes: Up and Running, 3rd Edition - Burns, Beda, Hightower
Kubernetesストレージドキュメント