Kubernetes DNS解析机制揭秘

Kubernetes DNS解析机制揭秘

在现代云原生架构中，Kubernetes已成为容器编排的标准工具。其内置的DNS解析服务使得各个服务能够通过域名相互通信，而无需直接使用IP地址。本文将深入探讨Kubernetes集群内部的DNS解析机制，帮助读者更好地理解和运用这一关键功能。

在Kubernetes集群中，DNS解析的核心组件是CoreDNS。当集群安装时，会在kube-system命名空间中自动创建两个CoreDNS Pod：

$ kubectl get pods --selector=k8s-app=kube-dns -n kube-system
NAME                       READY   STATUS    RESTARTS      AGE
coredns-76f75df574-7pbp8   1/1     Running   1 (31m ago)   3d18h
coredns-76f75df574-cp4zg   1/1     Running   1 (31m ago)   3d18h

同时，集群会通过一个名为kube-dns的服务为集群内域名解析提供DNS解析服务：

$ kubectl get svc  -n kube-system
NAME       TYPE        CLUSTER-IP   EXTERNAL-IP   PORT(S)                  AGE
kube-dns   ClusterIP   10.96.0.10   <none>        53/UDP,53/TCP,9153/TCP   3d20h

每个Pod在启动时，都会通过kubelet配置使用kube-dns服务的IP地址作为DNS服务器。我们可以通过查看Pod内的/etc/resolv.conf文件来确认DNS配置：

$ kubectl exec pod/nginx-69b68b44b9-xc9rk -- cat /etc/resolv.conf
search default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local
nameserver 10.96.0.10
options ndots:5

这里包含了三类配置：

1. search：DNS搜索域的顺序
2. nameserver：DNS服务器地址
3. options：DNS解析选项

当Pod需要解析一个域名时，会按照search配置的顺序依次尝试附加不同的域，直到找到匹配的FQDN（全限定域名）。如果解析失败，才会回退到公网DNS服务器。

Kubernetes支持多种类型的DNS记录，主要包括：

1. Service DNS记录：

   • 普通Service：格式为my-svc.my-namespace.svc.cluster.local，解析结果为服务的集群IP。
   • Headless Service：同样使用my-svc.my-namespace.svc.cluster.local格式，但解析结果为后端Pod的IP列表。

2. SRV记录：

   • 用于命名端口服务，格式为_my-port-name._my-port-protocol.my-svc.my-namespace.svc.cluster.local。
   • 对于普通服务，解析结果包含端口号和CNAME；对于Headless服务，会解析出多个结果，每个Pod一个。

3. Pod DNS记录：

   • 格式为pod-ip-address.my-namespace.pod.cluster.local，例如1-2-3-4.default.pod.cluster.local。
   • Pod的hostname可以通过metadata.name或pod.beta.kubernetes.io/hostname注解来指定。

CoreDNS的配置通过Corefile实现，支持多种插件配置：

1. 日志记录：

   .:53 {
       errors
       log
       health {
          lameduck 15s
       }
       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 {
             prefer_udp
       }
       cache 30
       loop
       reload
       loadbalance
   }
   

2. 自定义DNS服务器：

   • 特定域名使用自建DNS服务器：

     example.com:53 {
       errors
       cache 30
       forward . 10.10.0.10 {
       prefer_udp
       }
     }
     

   • 所有外部域名使用自建DNS服务器：

     .:53 {
         errors
         health {
            lameduck 15s
         }
         ready
         kubernetes cluster.local in-addr.arpa ip6.arpa {
           pods insecure
           fallthrough in-addr.arpa ip6.arpa
           ttl 30
         }
         prometheus :9153
         forward . 10.10.0.10 10.10.0.20 {
           prefer_udp
         }
         cache 30
         loop
         reload
         loadbalance
     }
     

3. 自定义Hosts：

   .:53 {
       errors
       health {
          lameduck 15s
       }
       ready
       
       hosts {
         127.0.0.1 www.example.com
         fallthrough
       }
     
       kubernetes cluster.local in-addr.arpa ip6.arpa {
         pods insecure
         fallthrough in-addr.arpa ip6.arpa
         ttl 30
       }
       prometheus :9153
       forward . /etc/resolv.conf {
         prefer_udp
       }
       cache 30
       loop
       reload
       loadbalance
   }
   

在高并发场景下，Kubernetes内置的DNS插件可能会遇到性能瓶颈。以下是一些优化建议：

1. 调整dnsPolicy：

   • 默认为ClusterFirst，会导致额外的DNS查询次数。
   • 如果不访问集群内部服务，可以调整为Default，直接使用宿主机的DNS。

2. 优化ndots参数：

   • 默认值为5，会导致多次不必要的DNS查询。
   • 调整为1可以减少查询次数，但需要注意service域名的分割问题。

3. 使用NodeLocalDNS缓存：

   • 通过在每个节点上运行DNS缓存代理来提高性能。
   • 避免iptables DNAT规则和连接跟踪的开销。

4. 合理配置CoreDNS副本数：

   • 建议按照coredns:node=1:8的比例配置副本数。
   • 启用AutoPath插件减少查询次数。

通过以上优化措施，可以显著提升Kubernetes集群内DNS解析的性能和稳定性。

1. 跨命名空间访问：

   • 使用service-name.namespace-name.svc.cluster.local格式的FQDN进行访问。
   • 确保search配置中包含正确的搜索域。

2. 外部DNS解析：

   • 调整dnsPolicy为Default或None。
   • 优化ndots参数减少外部DNS查询次数。

3. DNS解析延迟：

   • 检查CoreDNS的配置和性能。
   • 考虑启用NodeLocalDNS缓存。

通过深入理解Kubernetes的DNS解析机制，我们可以更好地设计和优化容器化应用的网络架构，提升系统的整体性能和可靠性。