Kubernetes & Amazon EKS Training

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Strimzi Operator クイズ ​

このクイズでは、Strimzi Operator の基礎、インストール方法、主要な CRD、KRaft node role、EKS へのデプロイ時の考慮事項についての理解を確認します。

多肢選択問題 ​

  1. Strimzi はどのような CNCF project ですか？
    • A) service mesh
    • B) Kubernetes 上で Apache Kafka を実行するための Operator
    • C) container runtime
    • D) CI/CD pipeline tool
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解答: B) Kubernetes 上で Apache Kafka を実行するための Operator

解説: Strimzi は CNCF Incubating project であり、Kubernetes Operator pattern を使用して、インストール、アップグレード、スケーリング、certificate 管理を含む Apache Kafka cluster のデプロイとライフサイクル全体を管理します。Kafka broker を StatefulSet として手作業で記述する代わりに、CRD を通じて望ましい状態を宣言し、Operator が実際の cluster 状態をそれに一致するよう調整します。

  1. Strimzi を使わずに Kafka を StatefulSet として直接実行する際の課題として、次のうち最も正確でないものはどれですか？
    • A) sequential rolling upgrade の処理
    • B) TLS certificate の発行とローテーション
    • C) container image のビルドが不可能になる
    • D) partition rebalancing 中の data movement の管理
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解答: C) container image のビルドが不可能になる

解説: Kafka を StatefulSet として直接実行すること自体は不可能ではありません。本当の問題は、運用上の複雑さと脆さです。sequential upgrade、certificate rotation、rebalancing 中の data movement は、手作業で管理するのが難しく、エラーも起きやすくなります。Strimzi は CRD と Operator logic によって、これらすべてを自動化します。

  1. Cluster Operator をインストールする前に Strimzi Helm repository を追加するコマンドはどれですか？
    • A) helm repo add strimzi https://strimzi.io/charts/
    • B) helm repo add kafka https://kafka.apache.org/charts/
    • C) helm repo add strimzi https://github.com/strimzi/charts/
    • D) helm install strimzi https://strimzi.io/
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解答: A) helm repo add strimzi https://strimzi.io/charts/

解説: Strimzi の公式 Helm repository は https://strimzi.io/charts/ です。追加後、Cluster Operator は helm install strimzi-kafka-operator strimzi/strimzi-kafka-operator --namespace kafka --create-namespace でインストールします。

  1. Strimzi Cluster Operator はデフォルトでどの namespace scope を監視しますか？
    • A) cluster 内のすべての namespace
    • B) すべての kube-system namespace
    • C) デプロイされた namespace のみ
    • D) default namespace のみ
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解答: C) デプロイされた namespace のみ

解説: デフォルトでは、Cluster Operator は自身の namespace 内の resource のみを監視します。複数の namespace を監視するには、Operator Deployment の STRIMZI_NAMESPACE environment variable に namespace のカンマ区切りリストを設定するか、* を指定して監視 scope を cluster 全体に拡張します。

  1. Strimzi 0.45+ で KRaft mode がデフォルトになったことで不要になった field はどれですか？
    • A) Kafka.spec.kafka.listeners
    • B) Kafka.spec.zookeeper
    • C) Kafka.spec.entityOperator
    • D) KafkaNodePool.spec.storage
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解答: B) Kafka.spec.zookeeper

解説: KRaft mode がデフォルトになったことで、controller quorum が ZooKeeper なしで metadata を直接管理するため、以前は必須だった Kafka.spec.zookeeper block は不要になりました。代わりに、broker と controller の role は個別の KafkaNodePool resource を通じて定義されます。

  1. KafkaNodePool.spec.roles の有効な entry ではない値はどれですか？
    • A) controller
    • B) broker
    • C) controller と broker を組み合わせた dual-role
    • D) zookeeper
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解答: D) zookeeper

解説: KRaft-based の KafkaNodePool における roles field は、controller、broker、または dual-role combination（[controller, broker]）のみをサポートします。zookeeper は有効な role ではありません。KRaft mode では ZooKeeper は一切存在しません。

  1. controller node pool を 3 nodes で実行する主な理由は何ですか？
    • A) broker 数と常に一致させる必要があるため
    • B) controller quorum には majority vote が必要なため、奇数の方が安全である
    • C) Kafka client library は少なくとも 3 controllers を必要とするため
    • D) EBS volume limit のため
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解答: B) controller quorum には majority vote が必要なため、奇数の方が安全である

解説: KRaft controller quorum は、leader election と metadata commit に majority vote を必要とする Raft-like consensus protocol を使用して動作します。controller が偶数の場合、split-vote scenario が発生して可用性を損なう可能性があるため、3 や 5 のような奇数が一般的です。これは broker 数とは独立して決定されます。

  1. Amazon EKS 上の Kafka broker 向けに EBS StorageClass を定義する際に使用される CSI provisioner の名前は何ですか？
    • A) kubernetes.io/aws-ebs
    • B) ebs.csi.aws.com
    • C) efs.csi.aws.com
    • D) aws.amazon.com/ebs
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解答: B) ebs.csi.aws.com

解説: Amazon EBS CSI driver は provisioner 名 ebs.csi.aws.com を使用します。kubernetes.io/aws-ebs は deprecated となった in-tree provisioner です。KafkaNodePool.spec.storage 配下の persistent-claim volume は、この provisioner によって backed された StorageClass を参照し、EBS gp3 volume を動的に provision します。

  1. broker Pod を AZ 全体に均等に分散するために KafkaNodePool.spec.template.pod に追加する field はどれですか？
    • A) nodeSelector
    • B) topologySpreadConstraints
    • C) tolerations
    • D) priorityClassName
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解答: B) topologySpreadConstraints

解説:topologySpreadConstraints は、topologyKey（たとえば topology.kubernetes.io/zone）に基づいて Pod を均等に分散する scheduling constraint です。Kafka broker を AZ 全体に分散することで、単一 AZ の障害が cluster 全体の可用性を停止させないようにします。whenUnsatisfiable: DoNotSchedule を設定すると、この制約に違反する scheduling をブロックし、制約を厳密に適用します。

  1. 外部 client が cluster 外部から Kafka broker に到達する必要がある場合、Kafka.spec.kafka.listeners に追加できる listener type はどれですか？
    • A) internal と clusterip
    • B) loadbalancer または nodeport
    • C) ingress のみ
    • D) 外部公開はサポートされていない
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解答: B) loadbalancer または nodeport

解説: Strimzi listener は internal、route、ingress、loadbalancer、nodeport type をサポートします。EKS では、外部 access は通常 loadbalancer（bootstrap/broker ごとに AWS NLB を自動 provision）または nodeport（worker node port と外部 load balancer）を通じて提供されます。loadbalancer type は、internal と internet-facing scheme など、AWS Load Balancer Controller の NLB 設定を制御する annotation によって調整できます。

短答問題 ​

  1. KafkaTopic と KafkaUser custom resource を実際の Kafka resource と同期する役割を持つ、Strimzi の 2 つの内部 component の名前を答えてください。
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解答: Topic Operator, User Operator

解説: Topic Operator は KafkaTopic custom resource を実際の Kafka topic に一方向で同期します（CR が source of truth です）。一方、User Operator は KafkaUser custom resource に基づいて SCRAM-SHA-512 または TLS authentication credential と ACL を管理します。どちらも Entity Operator の一部として、Kafka cluster ごとに単一の Pod にまとめられています。

  1. Cluster Operator が複数の namespace を監視するように設定する environment variable は何ですか？
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解答: STRIMZI_NAMESPACE

解説: Cluster Operator Deployment に STRIMZI_NAMESPACE を設定すると、監視する namespace scope を制御できます。namespace のカンマ区切りリストを指定するか、* を指定して監視 scope を cluster 全体に拡張できます。

  1. I/O を分散するために broker ごとに複数の EBS volume をアタッチできる、KafkaNodePool.spec.storage の storage type は何ですか？
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解答: JBOD (type: jbod)

解説: JBOD (Just a Bunch Of Disks) storage により、単一の broker が複数の persistent-claim volume を使用できます。各 volume は異なる id で識別されます。これにより、単一の EBS volume の throughput ceiling に制限されるのではなく、複数の volume に I/O を分散できます。

  1. broker/controller が健全な quorum を形成し、listener が有効であることを示す Kafka resource の status condition は何ですか？
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解答: Ready: True

解説:kubectl get kafka -n kafka で Kafka resource の status を確認したとき、Ready condition が True に設定されていれば、すべての cluster component（broker、controller、listener、Entity Operator）が正しく機能していることを意味します。

  1. Debezium などの source/sink connector を実行するための個別 worker cluster を定義する Strimzi CRD の名前は何ですか？
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解答: KafkaConnect

解説:KafkaConnect は Kafka Connect worker cluster を定義する CRD です。個々の connector instance は KafkaConnector custom resource を通じて宣言的に管理され、KafkaConnect cluster 上にデプロイされます。

ハンズオン問題 ​

  1. Helm を使用して Strimzi Cluster Operator を kafka namespace にインストールする完全なコマンド列を書いてください。
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解答:

bash
# Add the Strimzi Helm repository
helm repo add strimzi https://strimzi.io/charts/
helm repo update

# Install the Cluster Operator into the kafka namespace
helm install strimzi-kafka-operator strimzi/strimzi-kafka-operator \
  --namespace kafka \
  --create-namespace \
  --version 0.45.0

# Verify the installation
kubectl get pods -n kafka
kubectl get crd | grep strimzi

解説:helm repo add は Strimzi repository を登録し、helm repo update は最新の chart metadata を取得します。helm install に --create-namespace を追加すると、kafka namespace がまだ存在しない場合に自動的に作成されます。インストール後は、kubectl get pods -n kafka を使用して Cluster Operator Pod が Running であることを確認し、kubectl get crd | grep strimzi を使用して Kafka や KafkaNodePool などの CRD が登録されていることを確認します。

  1. 3 つの broker-only node で構成され、それぞれが 100Gi の gp3-based persistent-claim volume を使用する KafkaNodePool を書いてください。
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解答:

yaml
apiVersion: kafka.strimzi.io/v1beta2
kind: KafkaNodePool
metadata:
  name: broker
  labels:
    strimzi.io/cluster: my-cluster
spec:
  replicas: 3
  roles:
    - broker
  storage:
    type: jbod
    volumes:
      - id: 0
        type: persistent-claim
        size: 100Gi
        class: gp3-kafka
        deleteClaim: false
  resources:
    requests:
      cpu: "2"
      memory: 4Gi
    limits:
      cpu: "4"
      memory: 4Gi

解説:strimzi.io/cluster label は、この node pool が属する Kafka resource の名前と一致している必要があります。roles: [broker] は broker-only node を指定し、storage.type: jbod 配下の persistent-claim volume は EBS-backed の 100Gi persistent volume を provision します。class は ebs.csi.aws.com provisioner によって backed された StorageClass を参照します。

  1. 12 partition と 3 replica を持つ orders という名前の KafkaTopic を作成し、その後 console producer と consumer でテストするコマンドを書いてください。
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解答:

yaml
apiVersion: kafka.strimzi.io/v1beta2
kind: KafkaTopic
metadata:
  name: orders
  namespace: kafka
  labels:
    strimzi.io/cluster: my-cluster
spec:
  partitions: 12
  replicas: 3
  config:
    min.insync.replicas: 2
bash
# Apply the topic
kubectl apply -f orders-topic.yaml -n kafka
kubectl get kafkatopic -n kafka

# Producer test
kubectl run kafka-producer -n kafka -ti \
  --image=quay.io/strimzi/kafka:0.45.0-kafka-3.9.0 --rm=true --restart=Never -- \
  bin/kafka-console-producer.sh --bootstrap-server my-cluster-kafka-bootstrap:9092 --topic orders

# Consumer test
kubectl run kafka-consumer -n kafka -ti \
  --image=quay.io/strimzi/kafka:0.45.0-kafka-3.9.0 --rm=true --restart=Never -- \
  bin/kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server my-cluster-kafka-bootstrap:9092 --topic orders --from-beginning

解説:strimzi.io/cluster label は、この KafkaTopic がどの Kafka cluster に属するかを Topic Operator に伝えます。apply 後、kubectl get kafkatopic -n kafka で topic が実際に作成されたことを確認します。producer/consumer test は、bootstrap Service（my-cluster-kafka-bootstrap:9092）に接続する使い捨て Pod として Strimzi の Kafka image を実行します。

  1. SCRAM-SHA-512 authentication を使用し、orders topic に対して Read、Write、Describe のみが許可された KafkaUser を書いてください。
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解答:

yaml
apiVersion: kafka.strimzi.io/v1beta2
kind: KafkaUser
metadata:
  name: order-service
  namespace: kafka
  labels:
    strimzi.io/cluster: my-cluster
spec:
  authentication:
    type: scram-sha-512
  authorization:
    type: simple
    acls:
      - resource:
          type: topic
          name: orders
        operations: [Read, Write, Describe]

解説:authentication.type: scram-sha-512 は、SCRAM credential を生成して Secret に保存するよう User Operator に指示します。authorization.type: simple は Kafka built-in の ACL-based authorization を使用し、acls list はこの user を orders topic に対する Read、Write、Describe operation のみに制限します。これにより、CR level で least privilege を宣言的に実装します。

  1. broker Pod を AZ 全体に均等に分散するために、KafkaNodePool の spec.template.pod に topologySpreadConstraints を追加してください。
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解答:

yaml
apiVersion: kafka.strimzi.io/v1beta2
kind: KafkaNodePool
metadata:
  name: broker
  labels:
    strimzi.io/cluster: my-cluster
spec:
  replicas: 3
  roles: [broker]
  template:
    pod:
      topologySpreadConstraints:
        - maxSkew: 1
          topologyKey: topology.kubernetes.io/zone
          whenUnsatisfiable: DoNotSchedule
          labelSelector:
            matchLabels:
              strimzi.io/cluster: my-cluster
              strimzi.io/name: my-cluster-broker
  storage:
    type: jbod
    volumes:
      - id: 0
        type: persistent-claim
        size: 100Gi
        class: gp3-kafka

解説:topologyKey: topology.kubernetes.io/zone は、EKS worker node 上の AZ label に基づいて Pod を分散します。maxSkew: 1 は AZ 間の Pod 数の差を最大 1 Pod まで許可し、whenUnsatisfiable: DoNotSchedule は制約を満たせない場合に scheduling を完全にブロックして、均等な分散を保証します。labelSelector は、skew の計算対象となる Pod の集合（同じ broker node pool）を決定します。

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