优化Kubernetes集群DNS性能

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。Kubernetes集群中默认部署形态在DNS QPS较高场景下，可能会出现解析压力，导致部分查询失败。本文介绍如何优化集群DNS性能。

背景信息

有关CoreDNS的更多信息，请参见CoreDNS。

1、合理调整集群CoreDNS副本数

调整CoreDNS副本数与集群节点数到合适比率有助于提升集群服务发现的性能，该比值推荐为1:8，即一个CoreDNS Pod支撑8个集群节点。

• 当集群节点无需大规模扩缩容时，执行以下命令调整目标副本数到目标值。

  kubectl scale --replicas={target} deployment/coredns -n kube-system 

  说明 将目标副本数{target}设置成目标值。
• cluster-proportional-autoscaler动态调整副本数量。不建议使用针对QPS、CPU或MEM指标的水平伸缩器，实测效果较差。

  apiVersion: apps/v1
  kind: Deployment
  metadata:
    name: dns-autoscaler
    namespace: kube-system
    labels:
      k8s-app: dns-autoscaler
  spec:
    selector:
      matchLabels:
         k8s-app: dns-autoscaler
    template:
      metadata:
        labels:
          k8s-app: dns-autoscaler
  
      spec:
        serviceAccountName: admin
        containers:
        - name: autoscaler
          image: registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/ringtail/cluster-proportional-autoscaler-amd64:v1.3.0
          resources:
              requests:
                  cpu: "200m"
                  memory: "150Mi"
          command:
            - /cluster-proportional-autoscaler
            - --namespace=kube-system
            - --configmap=dns-autoscaler
            - --target=Deployment/coredns
            - --default-params={"linear":{"coresPerReplica":64,"nodesPerReplica":8,"min":2,"max":100,"preventSinglePointFailure":true}}
            - --logtostderr=true
            - --v=2

  说明 上述使用线程伸缩策略中，CoreDNS副本数的计算公式为replicas = max (ceil (cores × 1/coresPerReplica), ceil (nodes × 1/nodesPerReplica) )，且CoreDNS副本数受到min限制。

  线程伸缩策略参数如下。

  {
        "coresPerReplica": 64,
        "nodesPerReplica": 8,
        "min": 2,
        "max": 100,
        "preventSinglePointFailure": true
  }

2、使用Autopath插件

在您使用Autopath插件前，需了解Pod的四种DNS策略：

• 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。目前，在ClusterFirst模式下，2次（1次IPv4，1次IPv6）集群外部域名查询产生8次（4次IPv4，4次IPv6）查询请求。例如，解析www.aliyun.com域名，会先分别携带三个集群主域名后缀，产生六次无效查询请求，这样会导致集群DNS QPS放大三倍，影响性能。

2020-06-04T20:46:35.643+08:00 [INFO] 172.20.0.100:54153 - 63230 "AAAA IN www.aliyun.com.kube-system.svc.cluster.local. udp 62 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 155 0.000282418s
2020-06-04T20:46:35.644+08:00 [INFO] 172.20.0.100:54153 - 62219 "A IN www.aliyun.com.kube-system.svc.cluster.local. udp 62 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 155 0.000387552s
2020-06-04T20:46:35.644+08:00 [INFO] 172.20.0.100:33409 - 11389 "AAAA IN www.aliyun.com.svc.cluster.local. udp 50 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 143 0.000264026s
2020-06-04T20:46:35.644+08:00 [INFO] 172.20.0.100:33409 - 10963 "A IN www.aliyun.com.svc.cluster.local. udp 50 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 143 0.000334383s
2020-06-04T20:46:35.645+08:00 [INFO] 172.20.0.100:57153 - 2741 "AAAA IN www.aliyun.com.cluster.local. udp 46 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 139 0.000200375s
2020-06-04T20:46:35.645+08:00 [INFO] 172.20.0.100:57153 - 2435 "A IN www.aliyun.com.cluster.local. udp 46 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 139 0.000329507s
2020-06-04T20:46:35.646+08:00 [INFO] 172.20.0.100:48284 - 31225 "A IN www.aliyun.com. udp 32 false 512" NOERROR qr,aa,rd,ra 476 0.00070823s
2020-06-04T20:46:35.646+08:00 [INFO] 172.20.0.100:48284 - 31851 "AAAA IN www.aliyun.com. udp 32 false 512" NOERROR qr,aa,rd,ra 498 0.000925332s

• ClusterFirstWithHostNetwork：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。
• dnsConfig字段来指定DNS配置信息。

Autopath会在第一次域名查询失败时切割域名后缀，尝试找到正确的域名，做到2次（1次IPv4，1次IPv6）域名查询获取到正确的解析结果。

注意

• 创建1.16版本的集群时已开启Autopath功能。低版本集群未开启该功能。
• Autopath插件会降低CoreDNS Pod的CPU使用率，但是会增加内存（实测1000节点，10000规模Pod占用不超过100 Mi）。

使用Autopath

3、使用节点级NodeLocal DNSCache

NodeLocal DNSCache以DaemonSet形式部署，会在Kubernetes集群的每个节点上运行一个专门处理DNS查询请求的Pod，该Pod会将集群内部域名查询请求发往CoreDNS，将集群外部请求直接发往外部域名解析服务器。同时能够缓存所有请求。可以被看作是节点级别的高效DNS缓存，能够大幅提高集群整体DNS查询的QP

1. 参数	描述	默认值
   upStreamIP	新建的一个以CoreDNS Pod为后端的Service IP。NodeLocal DNSCache通过此IP向CoreDNS请求查询集群内域名，该值不能和已有Service IP冲突。该值是必须要填写的。	NULL
   kubeDnsIP	README中的说明。
   clusterDomain	集群主域名，在kubelet中配置，默认值为cluster.local。
   force_tcp	强制使用TCP连接与上游DNS服务器通信。