CoreDNS系列1:Kubernetes内部域名解析原理、弊端及优化方式

Kubernetes 中的 DNS

本篇,是 CoreDNS 的前篇之一,后续会着重介绍 CoreDNS,但是步步深入讲 CoreDNS,讲一下 Kubernetes,以及 kubedns 有一定的必要,所以,就有了 CoreDNS 系列,本篇主要尽可能详尽的说明 Kubernetes 的DNS解析原理,以及 Kubernetes 集群中 DNS 解析目前存在的弊端和优化方式。

在 Kubernetes 中,服务发现有几种方式:
①:基于环境变量的方式
②:基于内部域名的方式

基本上,使用环境变量的方式很少,主要还是使用内部域名这种服务发现的方式。

其中,基于内部域名的方式,涉及到 Kubernetes 内部域名的解析,而 kubedns,是 Kubernetes 官方的 DNS 解析组件。从 1.11 版本开始,kubeadm 已经使用第三方的 CoreDNS 替换官方的 kubedns 作为 Kubernetes 集群的内部域名解析组件,我们的重点,是 CoreDNS,但是在开始 CoreDNS 之前,需要先了解下 kubedns,后续,会对这2个 DNS 组件做对比,分析它们的优劣势。

Kubernetes 中的域名是如何解析的

在 Kubernetes 中,比如服务 a 访问服务 b,对于同一个 Namespace下,可以直接在 pod 中,通过 curl b 来访问。对于跨 Namespace 的情况,服务名后边对应 Namespace即可。比如 curl b.default。那么,使用者这里边会有几个问题:

①:服务名是什么?
②:为什么同一个 Namespace 下,直接访问服务名即可?不同 Namespace 下,需要带上 Namespace 才行?
③:为什么内部的域名可以做解析,原理是什么?

DNS 如何解析,依赖容器内 resolv 文件的配置

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cat /etc/resolv.conf

nameserver 10.233.0.3
search default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local

这个文件中,配置的 DNS Server,一般就是 K8S 中,kubedns 的 Service 的 ClusterIP,这个IP是虚拟IP,无法ping,但可以访问。

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[root@node4 user1]# kubectl get svc -n kube-system
NAME TYPE CLUSTER-IP EXTERNAL-IP PORT(S) AGE
kube-dns ClusterIP 10.233.0.3 <none> 53/UDP,53/TCP 270d
kubernetes-dashboard ClusterIP 10.233.22.223 <none> 443/TCP 124d

所以,所有域名的解析,其实都要经过 kubedns 的虚拟IP 10.233.0.3 进行解析,不论是 Kubernetes 内部域名还是外部的域名。

Kubernetes 中,域名的全称,必须是 service-name.namespace.svc.cluster.local 这种模式,服务名,就是Kubernetes中 Service 的名称,所以,当我们执行下面的命令时:

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curl b

必须得有一个 Service 名称为 b,这是前提。
在容器内,会根据 /etc/resolve.conf 进行解析流程。选择 nameserver 10.233.0.3 进行解析,然后,用字符串 “b”,依次带入 /etc/resolve.conf 中的 search 域,进行DNS查找,分别是:

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// search 内容类似如下(不同的pod,第一个域会有所不同)
search default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local

b.default.svc.cluster.local -> b.svc.cluster.local -> b.cluster.local ,直到找到为止。
所以,我们执行 curl b,或者执行 curl b.default,都可以完成DNS请求,这2个不同的操作,会分别进行不同的DNS查找步骤:

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// curl b,可以一次性找到(b +default.svc.cluster.local)
b.default.svc.cluster.local

// curl b.default,第一次找不到( b.default + default.svc.cluster.local)
b.default.default.svc.cluster.local
// 第二次查找( b.default + svc.cluster.local),可以找到
b.default.svc.cluster.local

So Questions

curl b,要比 curl b.default 效率高?

答案是肯定的,因为 curl b.default,多经过了一次 DNS 查询。
当执行 curl b.default,也就使用了带有命名空间的内部域名时,容器的第一个 DNS 请求是

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// b.default + default.svc.cluster.local
b.default.default.svc.cluster.local

当请求不到 DNS 结果时,使用

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// b.default + svc.cluster.local
b.default.svc.cluster.local

进行请求,此时才可以得到正确的DNS解析。

访问外部域名走 search 域吗

这个答案,不能说肯定也不能说否定,看情况,可以说,大部分情况要走 search 域。

我们以请求 youku.com 为例,通过抓包的方式,看一看在某个容器中访问 youku.com,进行的DNS查找的过程,都产生了什么样的数据包。注意:我们要抓DNS容器的包,就得先进入到DNS容器的网络中(而不是发起DNS请求的那个容器)。

由于DNS容器往往不具备bash,所以无法通过 docker exec 的方式进入容器内抓包,我们采用其他的方式:

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// 1、找到容器ID,并打印它的NS ID
docker inspect --format "{{.State.Pid}}" 16938de418ac
// 2、进入此容器的网络Namespace
nsenter -n -t 54438
// 3、抓DNS包
tcpdump -i eth0 udp dst port 53|grep youku.com

在其他的容器中,进行 youku.com 域名查找

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nslookup  youku.com 172.22.121.65

注意:nslookup命令的最后指定DNS服务容器的IP,是因为,如果不指定,且DNS服务的容器存在多个的话,那么DNS请求,可能会均分到所有DNS服务的容器上,我们如果只抓某单个DNS服务容器抓到的包,可能就不全了,指定IP后,DNS的请求,就必然只会打到单个的DNS容器。抓包的数据才完整。

可以看到类似如下结果:

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17:01:28.732260 IP 172.20.92.100.36326 > nodexxxx.domain: 4394+ A? youku.com.default.svc.cluster.local. (50)
17:01:28.733158 IP 172.20.92.100.49846 > nodexxxx.domain: 60286+ A? youku.com.svc.cluster.local. (45)
17:01:28.733888 IP 172.20.92.100.51933 > nodexxxx.domain: 63077+ A? youku.com.cluster.local. (41)
17:01:28.734588 IP 172.20.92.100.33401 > nodexxxx.domain: 27896+ A? youku.com. (27)
17:01:28.734758 IP nodexxxx.34138 > 192.168.x.x.domain: 27896+ A? youku.com. (27)

我们可以看到,在真正解析 youku.com 之前,经历了 youku.com.default.svc.cluster.local. -> youku.com.svc.cluster.local. -> youku.com.cluster.local. -> youku.com.

这也就意味着有3次DNS请求,是浪费的无意义的请求。

为何会出现DNS请求浪费的情况

这是因为,在 Kubernetes 中,其实 /etc/resolv.conf 这个文件,并不止包含 nameserver 和 search 域,还包含了非常重要的一项:ndots。我们之前没有提及这个项,也是希望再次能引起读者重视。

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[root@xxxx-67f54c6dff-h4zxq /]# cat /etc/resolv.conf 
nameserver 10.233.0.3
search cicd.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local
options ndots:5

ndots:5,表示:如果查询的域名包含的点“.”,不到5个,那么进行DNS查找,将使用非完全限定名称(或者叫绝对域名),如果你查询的域名包含点数大于等于5,那么DNS查询,默认会使用绝对域名进行查询。举例来说:

如果我们请求的域名是,a.b.c.d.e,这个域名中有4个点,那么容器中进行DNS请求时,会使用非绝对域名进行查找,使用非绝对域名,会按照 /etc/resolv.conf 中的 search 域,走一遍追加匹配:

a.b.c.d.e.cicd.svc.cluster.local. ->
a.b.c.d.e.svc.cluster.local. ->
a.b.c.d.e.cluster.local.

直到找到为止。如果走完了search域还找不到,则使用 a.b.c.d.e. ,作为绝对域名进行DNS查找。

我们通过抓包分析一个具体案例:

域名中点数少于5个的情况:

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// 对域名 a.b.c.d.ccccc 进行DNS解析请求 
[root@xxxxx-67f54c6dff-h4zxq /]# nslookup a.b.c.d.ccccc 172.22.121.65
Server: 172.22.121.65
Address: 172.22.121.65#53

** server can't find a.b.c.d.ccccc: NXDOMAIN

// 抓包数据如下:
18:08:11.013497 IP 172.20.92.100.33387 > node011094.domain: 28844+ A? a.b.c.d.ccccc.cicd.svc.cluster.local. (54)
18:08:11.014337 IP 172.20.92.100.33952 > node011094.domain: 57782+ A? a.b.c.d.ccccc.svc.cluster.local. (49)
18:08:11.015079 IP 172.20.92.100.45984 > node011094.domain: 55144+ A? a.b.c.d.ccccc.cluster.local. (45)
18:08:11.015747 IP 172.20.92.100.54589 > node011094.domain: 22860+ A? a.b.c.d.ccccc. (31)
18:08:11.015970 IP node011094.36383 > 192.168.x.x.domain: 22860+ A? a.b.c.d.ccccc. (31)

// 结论:
// 点数少于5个,先走search域,最后将其视为绝对域名进行查询

域名中点数>=5个的情况:

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// 对域名 a.b.c.d.e.ccccc 进行DNS解析请求
[root@xxxxx-67f54c6dff-h4zxq /]# nslookup a.b.c.d.e.ccccc 172.22.121.65
Server: 172.22.121.65
Address: 172.22.121.65#53

** server can't find a.b.c.d.e.ccccc: NXDOMAIN

// 抓包数据如下:
18:10:14.514595 IP 172.20.92.100.34423 > node011094.domain: 61170+ A? a.b.c.d.e.ccccc. (33)
18:10:14.514856 IP node011094.58522 > 192.168.x.x.domain: 61170+ A? a.b.c.d.e.ccccc. (33)
18:10:14.515880 IP 172.20.92.100.49328 > node011094.domain: 267+ A? a.b.c.d.e.ccccc.cicd.svc.cluster.local. (56)
18:10:14.516678 IP 172.20.92.100.35651 > node011094.domain: 54181+ A? a.b.c.d.e.ccccc.svc.cluster.local. (51)
18:10:14.517356 IP 172.20.92.100.33259 > node011094.domain: 53022+ A? a.b.c.d.e.ccccc.cluster.local. (47)

// 结论:
// 点数>=5个,直接视为绝对域名进行查找,只有当查询不到的时候,才继续走 search 域。

如何优化 DNS 请求浪费的情况

优化方式1:使用全限定域名

其实最直接,最有效的优化方式,就是使用 “fully qualified name”,简单来说,使用“完全限定域名”(也叫绝对域名),你访问的域名,必须要以 “.” 为后缀,这样就会避免走 search 域进行匹配,我们抓包再试一次:

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// 注意:youku.com 后边有一个点 .
nslookup youku.com. 172.22.121.65

在DNS服务容器上抓到的包如下:

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16:57:07.628112 IP 172.20.92.100.36772 > nodexxxx.domain: 46851+ [1au] A? youku.com. (38)
16:57:07.628339 IP nodexxxx.47350 > 192.168.x.x.domain: 46851+ [1au] A? youku.com. (38)

并没有多余的DNS请求。

优化方式2:具体应用配置特定的 ndots

其实,往往我们还真不太好用这种绝对域名的方式,有谁请求youku.com的时候,还写成 youku.com. 呢?

在 Kubernetes 中,默认设置了 ndots 值为5,是因为,Kubernetes 认为,内部域名,最长为5,要保证内部域名的请求,优先走集群内部的DNS,而不是将内部域名的DNS解析请求,有打到外网的机会,Kubernetes 设置 ndots 为5是一个比较合理的行为。

如果你需要定制这个长度,最好是为自己的业务,单独配置 ndots 即可(Pod为例,其实配置deployment最好)。

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apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
namespace: default
name: dns-example
spec:
containers:
- name: test
image: nginx
dnsConfig:
options:
- name: ndots
value: "1"

Kubernetes DNS 策略

在Kubernetes 中,有4种 DNS 策略,从 Kubernetes 源码中看:

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const (
// DNSClusterFirstWithHostNet indicates that the pod should use cluster DNS
// first, if it is available, then fall back on the default
// (as determined by kubelet) DNS settings.
DNSClusterFirstWithHostNet DNSPolicy = "ClusterFirstWithHostNet"

// DNSClusterFirst indicates that the pod should use cluster DNS
// first unless hostNetwork is true, if it is available, then
// fall back on the default (as determined by kubelet) DNS settings.
DNSClusterFirst DNSPolicy = "ClusterFirst"

// DNSDefault indicates that the pod should use the default (as
// determined by kubelet) DNS settings.
DNSDefault DNSPolicy = "Default"

// DNSNone indicates that the pod should use empty DNS settings. DNS
// parameters such as nameservers and search paths should be defined via
// DNSConfig.
DNSNone DNSPolicy = "None"
)

这几种DNS策略,需要在Pod,或者Deployment、RC等资源中,设置 dnsPolicy 即可,以 Pod 为例:

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apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
labels:
name: cadvisor-nodexxxx
hostip: 192.168.x.x
name: cadvisor-nodexxxx
namespace: monitoring
spec:
containers:
- args:
- --profiling
- --housekeeping_interval=10s
- --storage_duration=1m0s
image: google/cadvisor:latest
name: cadvisor-nodexxxx
ports:
- containerPort: 8080
name: http
protocol: TCP
resources: {}
securityContext:
privileged: true
terminationMessagePath: /dev/termination-log
terminationMessagePolicy: File
dnsPolicy: ClusterFirst
nodeName: nodexxxx

具体来说:

None

表示空的DNS设置
这种方式一般用于想要自定义 DNS 配置的场景,而且,往往需要和 dnsConfig 配合一起使用达到自定义 DNS 的目的。

Default

有人说 Default 的方式,是使用宿主机的方式,这种说法并不准确。
这种方式,其实是,让 kubelet 来决定使用何种 DNS 策略。而 kubelet 默认的方式,就是使用宿主机的 /etc/resolv.conf(可能这就是有人说使用宿主机的DNS策略的方式吧),但是,kubelet 是可以灵活来配置使用什么文件来进行DNS策略的,我们完全可以使用 kubelet 的参数:–resolv-conf=/etc/resolv.conf 来决定你的DNS解析文件地址。

ClusterFirst

这种方式,表示 POD 内的 DNS 使用集群中配置的 DNS 服务,简单来说,就是使用 Kubernetes 中 kubedns 或 coredns 服务进行域名解析。如果解析不成功,才会使用宿主机的 DNS 配置进行解析。

ClusterFirstWithHostNet

在某些场景下,我们的 POD 是用 HOST 模式启动的(HOST模式,是共享宿主机网络的),一旦用 HOST 模式,表示这个 POD 中的所有容器,都要使用宿主机的 /etc/resolv.conf 配置进行DNS查询,但如果你想使用了 HOST 模式,还继续使用 Kubernetes 的DNS服务,那就将 dnsPolicy 设置为 ClusterFirstWithHostNet。

下一篇,我们将主要讲 kubedns 的架构组成。

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