스마트 팩토리부터 스마트홈까지, KubeSolo로 IoT 환경 초경량 노드 구축

KubeSolo는 IoT, IIoT(Industrial IoT), 임베디드 시스템과 같은 극도로 제한된 환경에서 실제 워크로드를 실행할 수 있도록 설계된 초경량 단일 노드 Kubernetes 배포판입니다. 기존의 복잡한 Kubernetes 클러스터링 기능을 제거하고, 단일 노드에서 필요한 핵심 기능만을 제공합니다.

핵심 설계 철학

1. 단순성: 클러스터링 없음, etcd 없음 - 오직 필요한 것만
2. 경량성: 메모리와 스토리지 사용량 최소화
3. 독립성: 오프라인 환경에서도 완벽하게 작동
4. 호환성: OCI(Open Container Initiative) 표준 준수

현대 인프라 계층에서의 KubeSolo의 위치

현대 분산 인프라는 크게 세 계층으로 구분됩니다.

클라우드 (데이터센터)

• 규모: 수천 개의 노드
• 예시: Amazon EKS, Google Kubernetes Engine, VMware Tanzu
• 목적: 대규모 중앙 집중형 컴퓨팅과 스토리지

포그 (분산 노드)

• 규모: 수백만 개의 노드
• 예시: K3s, MicroK8s, K0s
• 목적: 엣지에 가까운 분산 컴퓨팅, 지연 시간에 민감한 워크로드

엣지 (디바이스)

• 규모: 수십억 개의 디바이스
• 예시: KubeSolo
• 목적: IoT 게이트웨이, 산업용 컨트롤러, 스마트 디바이스를 위한 초경량 Kubernetes

KubeSolo의 주요 특징

1. 단일 바이너리 아키텍처

# 하나의 바이너리로 모든 것을 해결
./kubesolo

• 모든 필수 컴포넌트가 단일 실행 파일에 포함
• 복잡한 의존성 관리 불필요
• 배포와 업데이트가 매우 간단

2. 포함된 기술 스택

• 컨테이너 런타임: containerd & runc
• DNS 해석: CoreDNS
• 데이터 저장소: Kine (SQLite 기반)
• 네트워킹: CNI 플러그인

3. 경량화 전략

메모리 최적화

• 여러 컴포넌트를 단일 프로세스에서 실행
• SQLite 사용으로 etcd 대비 메모리 절약
• 단일 노드에 최적화된 리소스 제한

 

스케줄러 대체

• 기존 Kubernetes 스케줄러를 NodeSetter 웹훅으로 대체
• 단일 노드 환경에 불필요한 스케줄링 오버헤드 제거

설치 및 구성

1. 빠른 설치

# 기본 설치
curl -sfL https://get.kubesolo.io | sudo sh -

2. 환경 변수를 통한 커스텀 설치

# Portainer Edge 연동 설치
curl -sfL https://get.kubesolo.io | \
  KUBESOLO_PORTAINER_EDGE_ID=your-edge-id \
  KUBESOLO_PORTAINER_EDGE_KEY=your-edge-key \
  KUBESOLO_PATH=/custom/path \
  sudo -E sh

3. 주요 설정 플래그

플래그	환경 변수	설명
--path	KUBESOLO_PATH	설정 파일 경로 (기본: /var/lib/kubesolo)
--apiserver-extra-sans	KUBESOLO_APISERVER_EXTRA_SANS	API 서버 인증서 추가 SAN
--portainer-edge-id	KUBESOLO_PORTAINER_EDGE_ID	Portainer Edge ID
--local-storage	KUBESOLO_LOCAL_STORAGE	로컬 스토리지 활성화 (기본: true)
--debug	KUBESOLO_DEBUG	디버그 로깅 활성화

IoT 환경에서의 활용 방안

1. 스마트 팩토리 엣지 게이트웨이

시나리오

공장 현장의 각종 센서와 PLC(Programmable Logic Controller)에서 수집된 데이터를 실시간으로 처리하고 필터링하는 엣지 게이트웨이 구축

300x250

구현 예시

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: factory-data-processor
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: data-processor
  template:
    metadata:
      labels:
        app: data-processor
    spec:
      containers:
      - name: mqtt-broker
        image: eclipse-mosquitto:2.0
        ports:
        - containerPort: 1883
      - name: data-processor
        image: mycompany/edge-processor:1.0
        env:
        - name: MQTT_BROKER
          value: "localhost:1883"
        - name: PROCESSING_INTERVAL
          value: "100ms"
        resources:
          requests:
            memory: "64Mi"
            cpu: "250m"
          limits:
            memory: "128Mi"
            cpu: "500m"
      - name: local-cache
        image: redis:alpine
        command: ["redis-server", "--maxmemory", "32mb", "--maxmemory-policy", "allkeys-lru"]

2. 농업 IoT 모니터링 시스템

활용 사례

• 토양 습도, 온도, pH 센서 데이터 수집
• 실시간 이상 감지 및 알림
• 로컬 데이터 캐싱 (네트워크 단절 대비)

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: agriculture-config
data:
  sensor-config.yaml: |
    sensors:
      - type: soil_moisture
        pin: GPIO_17
        interval: 60s
      - type: temperature
        pin: GPIO_22
        interval: 30s
      - type: ph_sensor
        pin: GPIO_27
        interval: 120s
    alerts:
      moisture_low: 20
      moisture_high: 80
      temp_low: 15
      temp_high: 35
---
apiVersion: batch/v1
kind: CronJob
metadata:
  name: sensor-data-collector
spec:
  schedule: "*/5 * * * *"
  jobTemplate:
    spec:
      template:
        spec:
          containers:
          - name: collector
            image: mycompany/agri-sensor:1.0
            volumeMounts:
            - name: config
              mountPath: /etc/sensor
            - name: data
              mountPath: /var/lib/sensor-data
          volumes:
          - name: config
            configMap:
              name: agriculture-config
          - name: data
            hostPath:
              path: /var/kubesolo/sensor-data
          restartPolicy: OnFailure

3. 스마트 홈 허브

구성 요소

1. 홈 어시스턴트 코어
2. 로컬 음성 인식
3. 디바이스 브릿지 (Zigbee, Z-Wave)
4. 로컬 자동화 엔진

# KubeSolo 설치 및 스마트 홈 스택 배포
curl -sfL https://get.kubesolo.io | \
  KUBESOLO_LOCAL_STORAGE=true \
  sudo -E sh

# 홈 어시스턴트 배포
kubectl apply -f - <<EOF
apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:
  name: smarthome
---
apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  name: home-assistant
  namespace: smarthome
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: home-assistant
  template:
    metadata:
      labels:
        app: home-assistant
    spec:
      containers:
      - name: home-assistant
        image: homeassistant/home-assistant:stable
        ports:
        - containerPort: 8123
        volumeMounts:
        - name: config
          mountPath: /config
        - name: usb
          mountPath: /dev/ttyUSB0
        securityContext:
          privileged: true
      volumes:
      - name: config
        hostPath:
          path: /var/kubesolo/homeassistant
      - name: usb
        hostPath:
          path: /dev/ttyUSB0
EOF

4. 차량용 엣지 컴퓨팅

적용 분야

• ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) 데이터 전처리
• 텔레매틱스 데이터 수집 및 필터링
• 인포테인먼트 시스템 관리

apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: vehicle-edge-processor
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: vehicle-processor
  template:
    metadata:
      labels:
        app: vehicle-processor
    spec:
      containers:
      - name: can-bus-reader
        image: mycompany/canbus-reader:1.0
        securityContext:
          privileged: true
        volumeMounts:
        - name: can-device
          mountPath: /dev/can0
      - name: gps-tracker
        image: mycompany/gps-service:1.0
        env:
        - name: UPDATE_INTERVAL
          value: "1s"
      - name: data-aggregator
        image: mycompany/vehicle-aggregator:1.0
        resources:
          requests:
            memory: "128Mi"
          limits:
            memory: "256Mi"
      volumes:
      - name: can-device
        hostPath:
          path: /dev/can0

고급 설정 및 최적화

1. 메모리 제약 환경 (< 512MB RAM)

# 외부 kubectl 설치 및 원격 관리
# 개발 머신에서
export KUBECONFIG=/path/to/admin.kubeconfig
kubectl get nodes

# KubeSolo 메모리 최적화 설정
cat > /etc/kubesolo/config.yaml <<EOF
server:
  memory-limit: 256Mi
  disable-components:
    - metrics-server
    - dashboard
storage:
  compact-interval: 1h
  cache-size: 16MB
EOF

2. 읽기 전용 파일시스템 지원

# 읽기 전용 루트 파일시스템용 설정
KUBESOLO_PATH=/data/kubesolo \
KUBESOLO_LOCAL_STORAGE=false \
./kubesolo --debug

3. 에어갭(Air-gapped) 환경

# 필요한 이미지 사전 다운로드
docker save -o kubesolo-images.tar \
  eclipse-mosquitto:2.0 \
  redis:alpine \
  nginx:alpine

# 타겟 디바이스에서
docker load -i kubesolo-images.tar

모니터링 및 관리

1. Portainer Edge Agent 통합

# Portainer Edge 에이전트 자동 설정
KUBESOLO_PORTAINER_EDGE_ID=xxx \
KUBESOLO_PORTAINER_EDGE_KEY=yyy \
KUBESOLO_PORTAINER_EDGE_ASYNC=true \
kubesolo

2. 리소스 모니터링

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: node-exporter
spec:
  ports:
  - port: 9100
  selector:
    app: node-exporter
---
apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
  name: node-exporter
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: node-exporter
  template:
    metadata:
      labels:
        app: node-exporter
    spec:
      hostNetwork: true
      containers:
      - name: node-exporter
        image: prom/node-exporter:latest
        args:
        - --path.procfs=/host/proc
        - --path.sysfs=/host/sys
        - --path.rootfs=/host/root
        resources:
          requests:
            memory: "30Mi"
            cpu: "100m"

베스트 프랙티스 (Best Practice)

1. 보안 강화

1. 최소 권한 원칙 적용
2. 네트워크 정책 활성화
3. 정기적인 업데이트

2. 안정성 확보

1. 호스트 경로 볼륨 사용으로 데이터 영속성 보장
2. 리소스 제한 명확히 설정
3. 헬스체크 구현

3. 성능 최적화

1. 불필요한 로깅 비활성화
2. 이미지 크기 최소화
3. 로컬 이미지 레지스트리 활용

문제 해결

1. 일반적인 문제들

# 서비스 상태 확인
systemctl status kubesolo

# 로그 확인
journalctl -u kubesolo -f

# 디버그 모드 실행
KUBESOLO_DEBUG=true kubesolo

# 프로파일링 활성화
KUBESOLO_PPROF_SERVER=true kubesolo

2. 메모리 부족 문제

# swap 활성화 (권장하지 않지만 필요시)
sudo fallocate -l 1G /swapfile
sudo chmod 600 /swapfile
sudo mkswap /swapfile
sudo swapon /swapfile

KubeSolo는 IoT와 엣지 컴퓨팅 환경에서 Kubernetes의 강력함을 최소한의 리소스로 제공하는 혁신적인 솔루션입니다. 단일 바이너리 배포, 오프라인 지원, 초경량 설계를 통해 기존에는 불가능했던 환경에서도 컨테이너 오케스트레이션의 이점을 누릴 수 있게 해줍니다. 특히 산업 현장의 엣지 디바이스, 농업 IoT, 스마트 홈, 차량용 시스템 등 다양한 분야에서 즉시 활용 가능하며, Portainer와의 통합으로 중앙 집중식 관리도 가능합니다.

 

KubeSolo를 통해 진정한 의미의 "어디서나 Kubernetes" 시대가 열리고 있습니다.