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在 Kubernetes 集群中使用 NodeLocal DNSCache

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2020/05/15

​ 之前在解决 CoreDNS 的5秒超时问题的时候,除了通过 dnsConfig 去强制使用 tcp 方式解析之外,我们提到过使用 NodeLocal DNSCache 来解决这个问题。NodeLocal DNSCache 通过在集群节点上运行一个 DaemonSet 来提高 clusterDNS 性能和可靠性。处于 ClusterFirst 的 DNS 模式下的 Pod 可以连接到 kube-dns 的 serviceIP 进行 DNS 查询。通过 kube-proxy 组件添加的 iptables 规则将其转换为 CoreDNS 端点。通过在每个集群节点上运行 DNS 缓存,NodeLocal DNSCache 可以缩短 DNS 查找的延迟时间、使 DNS 查找时间更加一致,以及减少发送到 kube-dns 的 DNS 查询次数。

​ 在集群中运行 NodeLocal DNSCache 有如下几个好处:

  • 如果本地没有 CoreDNS 实例,则具有最高 DNS QPS 的 Pod 可能必须到另一个节点进行解析,使用 NodeLocal DNSCache 后,拥有本地缓存将有助于改善延迟
  • 跳过 iptables DNAT 和连接跟踪将有助于减少 conntrack 竞争并避免 UDP DNS 条目填满 conntrack 表(常见的5s超时问题就是这个原因造成的)
  • 从本地缓存代理到 kube-dns 服务的连接可以升级到 TCP,TCP conntrack 条目将在连接关闭时被删除,而 UDP 条目必须超时(默认 nf_conntrack_udp_timeout 是 30 秒)
  • 将 DNS 查询从 UDP 升级到 TCP 将减少归因于丢弃的 UDP 数据包和 DNS 超时的尾部等待时间,通常长达 30 秒(3 次重试+ 10 秒超时)

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​ NodeLocal DNSCache

​ 要安装 NodeLocal DNSCache 也非常简单,直接获取官方的资源清单即可:

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$ wget https://github.com/kubernetes/kubernetes/raw/master/cluster/addons/dns/nodelocaldns/nodelocaldns.yaml

​ 该资源清单文件中包含几个变量,其中:

  • __PILLAR__DNS__SERVER__ :表示 kube-dns 这个 Service 的 ClusterIP,可以通过命令 kubectl get svc -n kube-system | grep kube-dns | awk '{ print $3 }' 获取

  • __PILLAR__LOCAL__DNS__:表示 DNSCache 本地的 IP,默认为 169.254.20.10

  • __PILLAR__DNS__DOMAIN__:表示集群域,默认就是 cluster.local

    ​ 另外还有两个参数 __PILLAR__CLUSTER__DNS____PILLAR__UPSTREAM__SERVERS__,这两个参数会通过镜像 1.15.6 版本以上的去进行配置,对应的值来源于 kube-dns 的 ConfigMap 和定制的 Upstream Server 配置。直接执行如下所示的命令即可安装:

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    $ sed 's/k8s.gcr.io/cnych/g
    s/__PILLAR__DNS__SERVER__/10.96.0.10/g
    s/__PILLAR__LOCAL__DNS__/169.254.20.10/g
    s/__PILLAR__DNS__DOMAIN__/cluster.local/g' nodelocaldns.yaml |
    kubectl apply -f -

    可以通过如下命令来查看对应的 Pod 是否已经启动成功:

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    $ kubectl get pods -n kube-system | grep node-local-dns
    node-local-dns-8zm2f 1/1 Running 0 9m54s
    node-local-dns-dd4xg 1/1 Running 0 9m54s
    node-local-dns-hs8qq 1/1 Running 0 9m54s
    node-local-dns-pxfxn 1/1 Running 0 9m54s
    node-local-dns-stjm9 1/1 Running 0 9m54s
    node-local-dns-wjxvz 1/1 Running 0 9m54s
    node-local-dns-wn5wc 1/1 Running 0 7m49s

    ​ 需要注意的是这里使用 DaemonSet 部署 node-local-dns 使用了 hostNetwork=true,会占用宿主机的 8080 端口,所以需要保证该端口未被占用。

    ​ 但是到这里还没有完,如果 kube-proxy 组件使用的是 ipvs 模式的话我们还需要修改 kubelet 的 --cluster-dns 参数,将其指向 169.254.20.10,Daemonset 会在每个节点创建一个网卡来绑这个 IP,Pod 向本节点这个 IP 发 DNS 请求,缓存没有命中的时候才会再代理到上游集群 DNS 进行查询。 iptables 模式下 Pod 还是向原来的集群 DNS 请求,节点上有这个 IP 监听,会被本机拦截,再请求集群上游 DNS,所以不需要更改 --cluster-dns 参数。

​ 由于我这里使用的是 kubeadm 安装的 1.16 版本的集群,所以我们只需要替换节点上 /var/lib/kubelet/config.yaml 文件中的 clusterDNS 这个参数值,然后重启即可,我们也可以完全在官方的 DaemonSet 资源对象中添加一个 initContainer 来完成这个工作:

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initContainers:  # ipvs模式下需要修改dns配置,重启kubelet
- name: setup
image: alpine
tty: true
stdin: true
securityContext:
privileged: true
command:
- nsenter
- --target
- "1"
- --mount
- --uts
- --ipc
- --net
- --pid
- --
- bash
- -c
- |
# 确保 kubelet --cluster-dns 被设置为 169.254.20.10
echo "Configuring kubelet --cluster-dns=169.254.20.10"
sed -i 's/10.96.0.10/169.254.20.10/g' /var/lib/kubelet/config.yaml
systemctl daemon-reload && systemctl restart kubelet

​ 但是需要注意的是对于线上环境还是不推荐用上面的方式,因为它会优先将 kubelet 的 cluster-dns 参数进行修改,然后再去安装 NodeLocal,这中间毕竟有一段真空期,我们完全可以手动去一个节点一个节点验证:

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$ sed -i 's/10.96.0.10/169.254.20.10/g' /var/lib/kubelet/config.yaml
$ systemctl daemon-reload && systemctl restart kubelet

​ 待 node-local-dns 安装配置完成后,我们可以部署一个新的 Pod 来验证下:(test-node-local-dns.yaml)

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apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
name: test-node-local-dns
spec:
containers:
- name: local-dns
image: busybox
command: ["/bin/sh", "-c", "sleep 60m"]

​ 直接部署:

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$ kubectl apply -f test-node-local-dns.yaml
$ kubectl exec -it test-node-local-dns /bin/sh
/ # cat /etc/resolv.conf
nameserver 169.254.20.10
search default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local
options ndots:5

​ 我们可以看到 nameserver 已经变成 169.254.20.10 了,当然对于之前的历史 Pod 要想使用 node-local-dns 则需要重建,当然如果要想去跟踪 DNS 的解析过程的话可以去通过抓包来观察。

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