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kubernetes 简介：kube-dns 和服务发现

服务发现

kubernetes 提供了 service 的概念可以通过 VIP 访问 pod 提供的服务，但是在使用的时候还有一个问题：怎么知道某个应用的 VIP？比如我们有两个应用，一个 app，一个 是 db，每个应用使用 rc 进行管理，并通过 service 暴露出端口提供服务。app 需要连接到 db 应用，我们只知道 db 应用的名称，但是并不知道它的 VIP 地址。

最简单的办法是从 kubernetes 提供的 API 查询。但这是一个糟糕的做法，首先每个应用都要在启动的时候编写查询依赖服务的逻辑，这本身就是重复和增加应用的复杂度；其次这也导致应用需要依赖 kubernetes，不能够单独部署和运行（当然如果通过增加配置选项也是可以做到的，但这又是增加负责度）。

开始的时候，kubernetes 采用了 docker 使用过的方法——环境变量。每个 pod 启动时候，会把通过环境变量设置所有服务的 IP 和 port 信息，这样 pod 中的应用可以通过读取环境变量来获取依赖服务的地址信息。这种方式服务和环境变量的匹配关系有一定的规范，使用起来也相对简单，但是有个很大的问题：依赖的服务必须在 pod 启动之前就存在，不然是不会出现在环境变量中的。

更理想的方案是：应用能够直接使用服务的名字，不需要关心它实际的 ip 地址，中间的转换能够自动完成。名字和 ip 之间的转换就是 DNS 系统的功能，因此 kubernetes 也提供了 DNS 方法来解决这个问题。

部署 DNS 服务

DNS 服务不是独立的系统服务，而是一种 addon ，作为插件来安装的，不是 kubernetes 集群必须的（但是非常推荐安装）。可以把它看做运行在集群上的应用，只不过这个应用比较特殊而已。

DNS 有两种配置方式，在 1.3 之前使用 etcd + kube2sky + skydns 的方式，在 1.3 之后可以使用 kubedns + dnsmasq 的方式。

修改 kubelet 启动参数

不管以什么方式启动，对外的效果是一样的。要想使用 DNS 功能，还需要修改 kubelet 的启动配置项，告诉 kubelet，给每个启动的 pod 设置对应的 DNS 信息，一共有两个参数：--cluster_dns=10.10.10.10 --cluster_domain=cluster.local，分别是 DNS 在集群中的 vip 和域名后缀，要和 DNS rc 中保持一致。

skydns

下面是这种方式的部署配置文件：

apiVersion: v1
kind: ReplicationController
metadata:
  labels:
    k8s-app: kube-dns
    kubernetes.io/cluster-service: "true"
  name: kube-dns
  namespace: kube-system
spec:
  replicas: 1
  selector:
    k8s-app: kube-dns
  template:
    metadata:
      labels:
        k8s-app: kube-dns
        kubernetes.io/cluster-service: "true"
    spec:
      containers:
        - name: etcd
          command:
            - /usr/local/bin/etcd
            - "-listen-client-urls"
            - "http://127.0.0.1:2379,http://127.0.0.1:4001"
            - "-advertise-client-urls"
            - "http://127.0.0.1:2379,http://127.0.0.1:4001"
            - "-initial-cluster-token"
            - skydns-etcd
          image: "gcr.io/google_containers/etcd:2.0.9"
          resources:
            limits:
              cpu: 100m
              memory: 50Mi
        - name: kube2sky
          args:
            - "-domain=cluster.local"
            - "-kube_master_url=http://10.7.114.81:8080"
          image: "gcr.io/google_containers/kube2sky:1.11"
          resources:
            limits:
              cpu: 100m
              memory: 50Mi
        - name: skydns
          args:
            - "-machines=http://localhost:4001"
            - "-addr=0.0.0.0:53"
            - "-domain=cluster.local"
          image: "gcr.io/google_containers/skydns:2015-03-11-001"
          livenessProbe:
            exec:
              command:
                - /bin/sh
                - "-c"
                - "nslookup kubernetes.default.svc.cluster.local localhost >/dev/null"
            initialDelaySeconds: 30
            timeoutSeconds: 5
          ports:
            - containerPort: 53
              name: dns
              protocol: UDP
            - containerPort: 53
              name: dns-tcp
              protocol: TCP
          resources:
            limits:
              cpu: 100m
              memory: 50Mi
      dnsPolicy: Default

这里有两个需要根据实际情况配置的地方：

  • kube_master_url： kube2sky 会用到 kubernetes master API，它会读取里面的 service 信息
  • domain：域名后缀，默认是 cluster.local，你可以根据实际需要修改成任何合法的值

然后是 Service 的配置文件：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: kube-dns
  namespace: kube-system
  labels:
    k8s-app: kube-dns
    kubernetes.io/cluster-service: "true"
    kubernetes.io/name: "KubeDNS"
spec:
  selector:
    k8s-app: kube-dns
  clusterIP: 10.10.10.10
  ports:
  - name: dns
    port: 53
    protocol: UDP
  - name: dns-tcp
    port: 53
    protocol: TCP

这里需要注意的是 clusterIP: 10.10.10.10 这一行手动指定了 DNS service 的 IP 地址，这个地址必须在预留的 vip 网段。手动指定的原因是为了固定这个 ip，这样启动 kubelet 的时候配置 --cluster_dns=10.10.10.10 比较方便，不需要再动态获取 DNS 的 vip 地址。

有了这两个文件，直接创建对象就行：

$ kubectl create -f ./skydns-rc.yml
$ kubectl create -f ./skydns-svc.yml
[root@localhost ~]# kubectl get svc,rc,pod --namespace=kube-system
NAME                     CLUSTER-IP     EXTERNAL-IP   PORT(S)                         AGE
svc/kube-dns             10.10.10.10    <none>        53/UDP                          1d

NAME          DESIRED   CURRENT   READY     AGE
rc/kube-dns   1         1         1         41m

NAME                READY     STATUS    RESTARTS   AGE
po/kube-dns-twl0q   3/3       Running   0          41m

kubeDNS

在 kubernetes 1.3 版本之后，kubernetes 改变了 DNS 的部署方式，变成了 kubeDNS + dnsmasq，没有了 etcd 。在这种模式下，kubeDNS 是原来 kube2sky + skyDNS + etcd，只不过它把数据都保存到自己的内存，而不是 kv store 中；dnsmasq 的引进是为了提高解析的速度，因为它可以配置 DNS 缓存。

这种部署方式的完整配置文件这里就不贴出来了，我放到了 github gist 上面，有兴趣可以查看。创建方法也是一样 kubectl create -f ./skydns-rc.yml

测试 DNS 可用性

不管那种部署很是，kubernetes 对外提供的 DNS 服务是一致的。每个 service 都会有对应的 DNS 记录，kubernetes 保存 DNS 记录的格式如下：

<service_name>.<namespace>.svc.<domain>

每个部分的字段意思：

  • service_name: 服务名称，就是定义 service 的时候取的名字
  • namespace：service 所在 namespace 的名字
  • domain：提供的域名后缀，比如默认的 cluster.local

在 pod 中可以通过 service_name.namespace.svc.domain 来访问任何的服务，也可以使用缩写 service_name.namespace，如果 pod 和 service 在同一个 namespace，甚至可以直接使用 service_name。

NOTE：正常的 service 域名会被解析成 service vip，而 headless service 域名会被直接解析成背后的 pods ip。

虽然不会经常用到，但是 pod 也会有对应的 DNS 记录，格式是 pod-ip-address.<namespace>.pod.<domain>，其中 pod-ip-address 为 pod ip 地址的用 - 符号隔开的格式，比如 pod ip 地址是 1.2.3.4 ，那么对应的域名就是 1-2-3-4.default.pod.cluster.local。

我们运行一个 busybox 来验证 DNS 服务能够正常工作：

/ # nslookup whoami
Server:    10.10.10.10
Address 1: 10.10.10.10

Name:      whoami
Address 1: 10.10.10.175

/ # nslookup kubernetes
Server:    10.10.10.10
Address 1: 10.10.10.10

Name:      kubernetes
Address 1: 10.10.10.1

/ # nslookup whoami.default.svc
Server:    10.10.10.10
Address 1: 10.10.10.10

Name:      whoami.default.svc
Address 1: 10.10.10.175

/ # nslookup whoami.default.svc.transwarp.local
Server:    10.10.10.10
Address 1: 10.10.10.10

Name:      whoami.default.svc.transwarp.local
Address 1: 10.10.10.175

可以看出，如果我们在默认的 namespace default 创建了名为 whoami 的服务，以下所有域名都能被正确解析：

whoami
whoami.default.svc
whoami.default.svc.cluster.local

每个 pod 的 DNS 配置文件如下，可以看到 DNS vip 地址以及搜索的 domain 列表：

/ # cat /etc/resolv.conf
search default.pod.cluster.local default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local
nameserver 10.10.10.10
options ndots:5
options ndots:5

kubernetes DNS 原理解析

我们前面介绍了两种不同 DNS 部署方式，这部分讲讲它们内部的原理。

kube2sky 模式

这种模式下主要有三个容器在运行：

[root@localhost ~]# docker ps
CONTAINER ID        IMAGE                                              COMMAND                  CREATED             STATUS              PORTS                                          NAMES
919cbc006da2        172.16.1.41:5000/google_containers/kube2sky:1.12   "/kube2sky /kube2sky "   About an hour ago   Up About an hour                                                   k8s_kube2sky.80a41edc_kube-dns-twl0q_kube-system_ea1f5f4d-15cf-11e7-bece-080027c09e5b_1bd3fdb4
73dd11cac057        172.16.1.41:5000/jenkins/etcd:live                 "etcd -data-dir=/var/"   About an hour ago   Up About an hour                                                   k8s_etcd.4040370_kube-dns-twl0q_kube-system_ea1f5f4d-15cf-11e7-bece-080027c09e5b_b0e5a99f
0b10ae639989        172.16.1.41:5000/jenkins/skydns:20150703-113305    "bootstrap.sh"           About an hour ago   Up About an hour                                                   k8s_skydns.73baf3b1_kube-dns-twl0q_kube-system_ea1f5f4d-15cf-11e7-bece-080027c09e5b_2860aa6d

这三个容器的作用分别是：

  • etcd：保存所有的 DNS 数据
  • kube2sky： 通过 kubernetes API 监听 Service 的变化，然后同步到 etcd
  • skyDNS：根据 etcd 中的数据，对外提供 DNS 查询服务

kubeDNS 模式

这种模式下，kubeDNS 容器替代了原来的三个容器的功能，它会监听 apiserver 并把所有 service 和 endpoints 的结果在内存中用合适的数据结构保存起来，并对外提供 DNS 查询服务。

  • kubeDNS：提供了原来 kube2sky + etcd + skyDNS 的功能，可以单独对外提供 DNS 查询服务
  • dnsmasq： 一个轻量级的 DNS 服务软件，可以提供 DNS 缓存功能。kubeDNS 模式下，dnsmasq 在内存中预留一块大小（默认是 1G）的地方，保存当前最常用的 DNS 查询记录，如果缓存中没有要查找的记录，它会到 kubeDNS 中查询，并把结果缓存起来

每种模式都可以运行额外的 exec-healthz 容器对外提供 health check 功能，证明当前 DNS 服务是正常的。

  • exec-healthz：运行某个命令，根据结果来对外提供 /healthz 结果

总结

推荐使用 kubeDNS 的模式来部署，因为它有着以下的好处：

  • 不需要额外的存储，省去了额外的维护和数据保存的工作
  • 更好的性能。通过 dnsmasq 缓存和直接把 DNS 记录保存在内存中，来提高 DNS 解析的速度

参考资料

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