一文搞懂Kubernetes如何实现DNS解析

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 最近在处理 Kuberntes 中的 DNS 解析问题, 正好借这个机会学习下 Kubernetes 中的 DNS 服务器工作原理, 处理的 DNS 服务器问题会稍后再水一篇博客介绍.

我对解析过程的了解也比较粗浅, 仅介绍下配置中的内容.

Pod 中的 DNS 概览

众所周知, DNS 服务器用于将域名转换为 IP (具体为啥要转换建议复习下 7 层网络模型). Linux 服务器中 DNS 解析配置位于/etc/resolv.conf, 在 Pod 中也不例外, 下面是某个 Pod 中的配置: 

nameserver 10.96.0.10  
search kube-system.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local  
options ndots:5 

假如我们平时想要修改自己本机上的 DNS 服务器, 比如想要修改为8.8.8.8, 就会这么去修改: 

nameserver 8.8.8.8  
nameserver 8.8.4.4 

如果想要调试 DNS 服务器, 测试返回结果, 可以使用 dig 工具: 

> dig baidu.com @8.8.8.8  
; <<>> DiG 9.16.10 <<>> baidu.com @8.8.8.8  
;; global options: +cmd  
;; Got answer:  
;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 5114  
;; flags: qr rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 2, AUTHORITY: 0, ADDITIONAL: 1  
;; OPT PSEUDOSECTION:  
; EDNS: version: 0, flags:; udp: 512  
;; QUESTION SECTION:  
;baidu.com.   IN A  
;; ANSWER SECTION:  
baidu.com.  159 IN A 39.156.69.79  
baidu.com.  159 IN A 220.181.38.148  
;; Query time: 10 msec  
;; SERVER: 8.8.8.8#53(8.8.8.8)  
;; WHEN: Tue Jan 12 09:26:13 HKT 2021  
;; MSG SIZE  rcvd: 70 

DNS 服务器 – nameserver

我们先从nameserver 10.96.0.10来看, 为什么请求这个地址可以进行 DNS 解析. 这个答案就是 iptables, 我仅截取 UDP 的 53 端口, 以下内容可以通过iptables-save获得. 

-A KUBE-SERVICES -d 10.96.0.10/32 -p udp -m comment --comment "kube-system/kube-dns:dns cluster IP" -m udp --dport 53 -j KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU  
# 简单解释下, 这条规则表示, 如果目标地址是 10.96.0.10的udp53端口, 那么就会跳转到这条链上`KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU` 

我们再看下这条链KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU: 

-A KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-Q3HNNZPXUAYYDXW2  
-A KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU -j KUBE-SEP-BBR3Z5NWFGXGVHEZ  
-A KUBE-SEP-Q3HNNZPXUAYYDXW2 -p udp -m udp -j DNAT --to-destination 172.32.3.219:53  
-A KUBE-SEP-BBR3Z5NWFGXGVHEZ -p udp -m udp -j DNAT --to-destination 172.32.6.239:53  
# 联系之前的规则, 这几条规则完整的意思是:  
# 本机中, 发给10.96.0.10:53的流量, 一半转发到172.32.3.219:53, 另一半转发到172.32.6.239:53 

Kubernetes 的 Deployment

再看下我们的 Kubernetes 中 Pod 的 IP 地址, 也就是说, DNS 请求实际上会到我们的 Coredns 容器中被处理. 

> kubectl -n kube-system get pods -o wide | grep dns  
coredns-646bc69b8d-jd22w                                   1/1     Running   0          57d    172.32.6.239    m1  <none>           <none>  
coredns-646bc69b8d-p8pqq                                   1/1     Running   8          315d   172.32.3.219    m2  <none>           <none> 

Kubernetes 中 Service 的具体实现

再查看下对应的 Service, 可以看到, 上述机器中的 Iptables 其实就是 Service 的具体实现方式. 

> kubectl -n kube-system get svc | grep dns  
kube-dns   ClusterIP   10.96.0.10   <none>        53/UDP,53/TCP,9153/TCP   398d 

可能有人会有疑问, 现在是 2 个 Pod 可以均分流量, 如果是 3 个, 4 个 Pod, Iptables 是如何做转发的呢, 正好我有这个疑问, 因此我就再加了 2 个 Pod, 看看iptables是怎么实现对于 4 个 Pod 均分流量的.

这是最后的实现方式: 

-A KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU -m statistic --mode random --probability 0.25000000000 -j KUBE-SEP-HTZHQHQPOHVVNWZS  
-A KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU -m statistic --mode random --probability 0.33333333349 -j KUBE-SEP-3VNFB2SPYQJRRPK6  
-A KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU -m statistic --mode random --probability 0.50000000000 -j KUBE-SEP-Q3HNNZPXUAYYDXW2  
-A KUBE-SVC-TCOU7JCQXEZGVUNU -j KUBE-SEP-BBR3Z5NWFGXGVHEZ 

这些语句的意思应该是:

1.  前 1/4 的流量到一条链中, 剩 3/4
2.  剩下 3/4 的流量, 1/3到一条链, 剩 2/4
3.  剩下 2/4 的浏览, 1/2到一条链, 剩 1/4
4.  最后 1/4 到一条链

通过这样的方式对流量进行了均分, 还是挺巧妙的, 这样, 5个,10个也是可以依次去分的.

resolv.conf 中其他参数解析 

search kube-system.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local  
options ndots:5 

详细的介绍可以看这里: resolv.conf 手册, 我简单的说下我的理解.

search 参数

假如没有这个search参数, 我们查找时: 

> ping kube-dns  
ping: kube-dns: Name or service not known 

如果增加了search参数后, 再去查找: 

> ping kube-dns  
PING kube-dns.kube-system.svc.psigor-dev.nease.net (10.96.0.10) 56(84) bytes of data. 

可以看到, 解析域名时, 如果给定的域名无法查找, 会添加search后面的后缀进行查找(假如以.结尾, 类似kube-dns., 这样的域名不会再去尝试, FQDN域名).

search的工作就是帮我们去尝试, 用在 Kubenetes 中, 配置kube-system.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local 就会帮我们尝试, 我们ping abc, 就会这样进行查询 

[INFO] 10.202.37.232:50940 - 51439 "A IN abc.kube-system.svc.cluster.local. udp 51 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 144 0.000114128s  
[INFO] 10.202.37.232:51823 - 54524 "A IN abc.svc.cluster.local. udp 39 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 132 0.000124048s  
[INFO] 10.202.37.232:41894 - 15434 "A IN abc.cluster.local. udp 35 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 128 0.000092304s  
[INFO] 10.202.37.232:40357 - 43160 "A IN abc. udp 21 false 512" NOERROR qr,aa,rd,ra 94 0.000163406s 

ndots 以及其优化问题

search配置需要与ndots一起使用, 默认的ndots是 1, 它的作用是: 如果检查到被查询的域名中dot的数量小于该值时, 就会优先尝试添加search域中的后缀. 

Resolver queries having fewer than  
ndots dots (default is 1) in them will be attempted using  
each component of the search path in turn until a match is  
found. 

实际举例

假如我们的 DNS 配置如下: 

search kube-system.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local  
options ndots:2 

当我们ping abc.123(此域名只有一个 dot ), DNS 服务器的日志如下, 可以注意到日志中最先尝试的是abc.123.kube-system.svc.cluster.local., 最后才会尝试我们的域名. 

[INFO] 10.202.37.232:33386 - 36445 "A IN abc.123.kube-system.svc.cluster.local. udp 55 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 148 0.001700129s  
[INFO] 10.202.37.232:51389 - 58489 "A IN abc.123.svc.cluster.local. udp 43 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 136 0.001117693s  
[INFO] 10.202.37.232:32785 - 4976 "A IN abc.123.cluster.local. udp 39 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 132 0.001047215s  
[INFO] 10.202.37.232:57827 - 56555 "A IN abc.123. udp 25 false 512" NXDOMAIN qr,rd,ra 100 0.001763186s 

那我们ping abc.123.def(此域名有两个 dot), DNS 服务器的日志像下面这样, 注意到日志中最优先尝试的是abc.123.def. 

[INFO] 10.202.37.232:39314 - 794 "A IN abc.123.def. udp 29 false 512" NXDOMAIN qr,rd,ra 104 0.025049846s  
[INFO] 10.202.37.232:51736 - 61456 "A IN abc.123.def.kube-system.svc.cluster.local. udp 59 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 152 0.001213934s  
[INFO] 10.202.37.232:53145 - 26709 "A IN abc.123.def.svc.cluster.local. udp 47 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 140 0.001418143s  
[INFO] 10.202.37.232:54444 - 1145 "A IN abc.123.def.cluster.local. udp 43 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 136 0.001009799s 

希望借这个例子让大家明白两点:

1.  无论 ndots 是多少, search 参数中的后缀都会被以此查找(我们测试时使用了一个不存在的域名, 解析工具尝试了全部的可能)
2.  ndots 的不妥当设置, 可能会给 DNS 服务器造成压力(假如域名是存在的, dns查询会尽快返回, 不会继续查找了, 会减少服务器压力)

优化讨论

假如现在 ndots 是 2, 我们想要查询baidu.com, 由于 dot 数目为 1 小于配置中的 2, 会首先添加后缀进行查找: 

[INFO] 10.202.37.232:42911 - 55931 "A IN baidu.com.kube-system.svc.cluster.local. udp 57 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 150 0.000116042s  
[INFO] 10.202.37.232:53722 - 33218 "A IN baidu.com.svc.cluster.local. udp 45 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 138 0.000075077s  
[INFO] 10.202.37.232:46487 - 50053 "A IN baidu.com.cluster.local. udp 41 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 134 0.000067313s  
[INFO] 10.202.37.232:48360 - 51853 "A IN baidu.com. udp 27 false 512" NOERROR qr,aa,rd,ra 77 0.000127309s 

那么, 我们会产生 3 个无用的 DNS 查询记录. 对于DNS服务器来说, 仅仅是baidu.com这个域名, 流量就变成了4倍. 假如 n继续增大呢, 就像是Kubernetes中默认给定的5, 那我们会产生更多的无效请求, 因为不只是baidu.com, 就连map.baidu.com, m.map.baidu.com, 这些域名也要从search域中开始尝试, 会对 DNS 服务器造成比较大的压力.

我个人建议:

1.  如果内部服务之间请求十分频繁, 也就是我们需要经常访问xxx.svc.cluster.local这样的域名, 那么可以保持 ndots 较大
2.  但是内部服务之间请求比较少时, 强烈建议调小 ndots, 以减少无用流量的产生, 减轻 dns 服务器的压力 我个人用的话, 改成 2 就好

总结

很抱歉, 这篇文章的大部分篇幅都是在说 nameserver 是如何解析的, resolv.conf中的内容比较少, 主要原因是我前些天一直在看iptables, 这次正好有, 所以花时间看下, 可能有种想要炫技的心理吧.

解决问题的时候, 理解后面的参数是比较重要的, 我也贴了一些自己的实验, 希望能对大家有所帮助吧, 至少了解了ndots之后再考虑调优.