CoreDNS 概述及运维实践

概述

什么是 DNS ?

域名系统（英语：Domain Name System，缩写：DNS）是互联网的一项服务。它作为将域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使人更方便地访问互联网。DNS使用TCP和UDP端口53。

DNS 不仅方便了人们访问不同的互联网服务，更为很多应用提供了，动态服务发现和全局负载均衡（Global Server Load Balance，GSLB）的机制。这样，DNS 就可以选择离用户最近的 IP 来提供服务。即使后端服务的 IP 地址发生变化，用户依然可以用相同域名来访问。

DNS 协议在 TCP/IP 栈中属于应用层，是一个典型的 客户端 - 服务器应用，客户端发起域名查询请求，服务端对请求进行应答。

CoreDNS 介绍

CoreDNS是Kubernetes集群中负责DNS解析的组件，能够支持解析集群内部自定义服务域名和集群外部域名。CoreDNS具备丰富的插件集，在集群层面支持自建DNS、自定义hosts、CNAME、rewrite等需求。与Kubernetes一样，CoreDNS项目由CNCF托管。

DNS 服务器支持正向查找（A 和 AAAA 记录）、端口发现（SRV 记录）、反向 IP 地址发现（PTR 记录）等。

如果 Pod 的 dnsPolicy 设置为 default，则它将从 Pod 运行所在节点继承名称解析配置。Pod 的 DNS 解析行为应该与节点相同。

如果你不想这样做，或者想要为 Pod 使用其他 DNS 配置，则可以使用 kubelet 的 --resolv-conf 标志。

Pod 的 DNS 策略

• ClusterFirst：这是默认的DNS策略，意味着当Pod需要进行域名解析时，首先会查询集群内部的CoreDNS服务。通过CoreDNS来做域名解析，表示Pod的/etc/resolv.conf文件被自动配置指向kube-dns服务地址。
• None：使用该策略，Kubernetes会忽略集群的DNS策略。需要您提供dnsConfig字段来指定DNS配置信息，否则Pod可能无法正确解析任何域名。
• Default：Pod直接继承集群节点的域名解析配置。
• ClusterFirstWithHostNet：强制在hostNetwork网络模式下使用ClusterFirst策略（默认使用Default策略）。

Kubernetes集群中DNS域名解析原理（ClusterFirst 策略）

1）业务Pod（Pod Client）试图访问Nginx服务（Service Nginx）时，先会请求本地DNS配置文件（/etc/resolv.conf）中指向的DNS服务器（nameserver 172.21.0.10，即Service kube-dns）获取服务IP地址，得到解析结果为172.21.0.30的IP地址。

2）业务Pod（Pod Client）再直接发起往该IP地址的请求，请求最终经过Nginx服务（Service Nginx）转发到达后端的Nginx容器（Pod Nginx-1和Pod Nginx-2）上。

运维实践

CoreDNS ConfigMap 选项

CoreDNS 是模块化且可插拔的 DNS 服务器，每个插件都为 CoreDNS 添加了新功能。可以通过维护 Corefile，即 CoreDNS 配置文件， 来配置 CoreDNS 服务器。作为一个集群管理员，你可以修改 CoreDNS Corefile 的 ConfigMap， 以更改 DNS 服务发现针对该集群的工作方式。

在 Kubernetes 中，CoreDNS 安装时使用如下默认 Corefile 配置：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: coredns
  namespace: kube-system
data:
  Corefile: |
    .:53 {
        errors
        health {
            lameduck 5s
        }
        ready
        kubernetes cluster.local in-addr.arpa ip6.arpa {
            pods insecure
            fallthrough in-addr.arpa ip6.arpa
            ttl 30
        }
        prometheus :9153
        forward . /etc/resolv.conf
        cache 30
        loop
        reload
        loadbalance
    }

Corefile 配置包括以下 CoreDNS 插件：

• errors：错误记录到标准输出。
• health：在 http://localhost:8080/health 处提供 CoreDNS 的健康报告。在这个扩展语法中，lameduck 会使此进程不健康，等待 5 秒后进程被关闭。
• ready：在端口 8181 上提供的一个 HTTP 端点， 当所有能够表达自身就绪的插件都已就绪时，在此端点返回 200 OK。
• kubernetes：CoreDNS 将基于服务和 Pod 的 IP 来应答 DNS 查询。你可以在 CoreDNS 网站找到有关此插件的更多细节。
  • 你可以使用 ttl 来定制响应的 TTL。默认值是 5 秒钟。TTL 的最小值可以是 0 秒钟， 最大值为 3600 秒。将 TTL 设置为 0 可以禁止对 DNS 记录进行缓存。
  • pods insecure 选项是为了与 kube-dns 向后兼容。
  • 你可以使用 pods verified 选项，该选项使得仅在相同名字空间中存在具有匹配 IP 的 Pod 时才返回 A 记录。
  • 如果你不使用 Pod 记录，则可以使用 pods disabled 选项。
• prometheus：CoreDNS 的度量指标值以 Prometheus 格式（也称为 OpenMetrics）在 http://localhost:9153/metrics 上提供。
• forward: 不在 Kubernetes 集群域内的任何查询都将转发到预定义的解析器 (/etc/resolv.conf)。
• cache：启用前端缓存。
• loop：检测简单的转发环，如果发现死循环，则中止 CoreDNS 进程。
• reload：允许自动重新加载已更改的 Corefile。编辑 ConfigMap 配置后，请等待两分钟，以使更改生效。
• loadbalance：这是一个轮转式 DNS 负载均衡器， 它在应答中随机分配 A、AAAA 和 MX 记录的顺序。

你可以通过修改 ConfigMap 来更改默认的 CoreDNS 行为。

可选插件： log：记录解析日志

CoreDNS 服务端优化

配置 Pod 打散

    spec:
      affinity:
        podAntiAffinity:
          requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:
          - labelSelector:
              matchExpressions:
              - key: k8s-app
                operator: In
                values:
                - kube-dns
            topologyKey: kubernetes.io/hostname

合理设置副本数

1）80节点以下

副本数 = min ( max ( ceil (QPS/10000), ceil (集群节点数/8) ), 10 )

# 手动调整 CoreDNS 副本数
kubectl scale --replicas={target} deployment/coredns -n kube-system #{target} 目标副本数量

示例： 集群节点数为10，DNS 服务请求 QPS 为22000，则副本数为3。 集群节点数为30，DNS 服务请求 QPS 为15000，则副本数为4。

2）80节点以上，安装 NodeLocal DNSCache

# 下载 YAML 文件
wget https://raw.githubusercontent.com/kubernetes/kubernetes/master/cluster/addons/dns/nodelocaldns/nodelocaldns.yaml
# 修改变量
kubedns=`kubectl get svc kube-dns -n kube-system -o jsonpath={.spec.clusterIP}`
domain=`grep clusterDomain '/var/lib/kubelet/config.yaml' | awk  '{print $2}'`
localdns="169.254.20.10"
sed -i "s/__PILLAR__LOCAL__DNS__/$localdns/g; s/__PILLAR__DNS__DOMAIN__/$domain/g; s/,__PILLAR__DNS__SERVER__//g; s/__PILLAR__CLUSTER__DNS__/$kubedns/g" nodelocaldns.yaml
sed -i 's#registry.k8s.io/dns/k8s-dns-node-cache:1.22.28#registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/clay-wangzhi/registry.k8s.io.dns.k8s-dns-node-cache:1.22.28#g' nodelocaldns.yaml
# 安装
kubectl create -f nodelocaldns.yaml
# 修改 kubelet 重启
echo "sed -i "s/$kubedns/$localdns/g" /var/lib/kubelet/config.yaml"
# 在每台 Node 节点，使用上面命令的输出结果替换 dns ip , 然后重启
systemctl restart kubelet.service

客户端优化

在客户端，也可以做适当的优化配置，来提升 DNS 的使用体验。

1. 修改 ndots 值 默认情况下，Kubernetes 集群中的域名解析往往需要经过多次请求才能解析到。查看 pod 内 的 /etc/resolv.conf 可以知道 ndots 选项默认为 5。例如，在 debug 命名空间查询 kubernetes.default.svc.cluster.local 这个 service： 域名中有 4 个 . ，小于 5，尝试拼接上第一个 search 进行查询，即kubernetes.default.svc.cluster.local.debug.svc.cluster.local ，查不到该域名。 继续尝试 kubernetes.default.svc.cluster.local.svc.cluster.local ，查不到该域名。 继续尝试 kubernetes.default.svc.cluster.local.cluster.local ，仍然查不到该域名。 尝试不加后缀，即 kubernetes.default.svc.cluster.local ，查询成功，返回响应的 ClusterIP。 上面一个简单的 service 域名解析需要经过 4 轮解析才能成功，集群中充斥着大量无用的 DNS 请求。因此需要根据业务配置的访问方式来为其设置合理的 ndots 来降低查询次数：

spec:
  dnsConfig:
    options:
    - name: ndots
      value: "2"

1. 优化业务访问服务的域名配置： Pod 访问本命名空间的 Service，使用 <service-name> 访问。 Pod 访问其它命名空间的 Service，使用 <service-name>.<namespace-name> 访问。 Pod 访问外部域名，使用 FQDN 类型域名访问，在域名最后添加 . 以减少无效搜索。
2. 修改 timeout、attemptsglibc 的 resolver 库访问一个 name server 的超时时间默认为5秒，针对 /etc/resolv.conf 中列出的一组 name server，默认最多尝试（attempts）2次，如 /etc/resolv.conf 中配置两个 name server，当所有 name server 都不可用时，总超时时间为20秒，然而，这对于许多业务来说过于保守。可以根据业务实际需要，为 Pod 设置合理的 DNS 超时配置，以降低超时时间，避免 DNS 服务短时不可用导致业务吞吐量的显著下降，以下是一个示例：

spec:
  dnsConfig:
    options:
    - name: timeout
      value: "1"
    - name: attempts
      value: "2"

CoreDNS 监控

用自带的监控大盘即可，重点关注 Requests (total)、Responses (by rcode)、Responses (duration) 这几个指标即可，进行容量扩容，或结合日志进一步问题定位。

参考链接：

维基百科：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9F%9F%E5%90%8D%E7%B3%BB%E7%BB%9F

自定义 DNS 服务：https://kubernetes.io/zh-cn/docs/tasks/administer-cluster/dns-custom-nameservers/

DNS概述：https://help.aliyun.com/zh/ack/ack-managed-and-ack-dedicated/user-guide/dns-overview

TKE DNS 最佳实践：https://cloud.tencent.com/document/product/457/78005

在 Kubernetes 集群中使用 NodeLocal DNSCache：https://kubernetes.io/zh-cn/docs/tasks/administer-cluster/nodelocaldns/

我是 Clay，下期见 👋