k8s域名解析超时问题记录
近期线上 k8s 时不时就会出现一些内部服务间的调用超时问题，通过日志可以得知超时的原因都是出现在 域名解析 上，并且都是 k8s 内部的域名解析超时，于是直接先将内部域名替换成 k8s service 的 IP，观察一段时间发现没有超时的情况发生了，但是由于使用 service IP 不是长久之计，所以还要去找解决办法。
复现
一开始运维同事在调用方 pod 中使用 ab 工具对目标服务进行了多次压测，并没有发现有超时的请求，我介入之后分析 ab 这类 http 压测工具应该都会有 dns 缓存，而我们主要是要测试 dns 服务的性能，于是直接动手撸了一个压测工具只做域名解析，代码如下：
package main
import (
"context"
"flag"
"fmt"
"net"
"sync/atomic"
"time"
)
var host string
var connections int
var duration int64
var limit int64
var timeoutCount int64
func main() {
// os.Args = append(os.Args, "-host", "www.baidu.com", "-c", "200", "-d", "30", "-l", "5000")
flag.StringVar(&host, "host", "", "Resolve host")
flag.IntVar(&connections, "c", 100, "Connections")
flag.Int64Var(&duration, "d", 0, "Duration(s)")
flag.Int64Var(&limit, "l", 0, "Limit(ms)")
flag.Parse()
var count int64 = 0
var errCount int64 = 0
pool := make(chan interface{}, connections)
exit := make(chan bool)
var (
min int64 = 0
max int64 = 0
sum int64 = 0
)
go func() {
time.Sleep(time.Second * time.Duration(duration))
exit <- true
}()
endD:
for {
select {
case pool <- nil:
go func() {
defer func() {
<-pool
}()
resolver := &net.Resolver{}
now := time.Now()
_, err := resolver.LookupIPAddr(context.Background(), host)
use := time.Since(now).Nanoseconds() / int64(time.Millisecond)
if min == 0 || use max {
max = use
}
sum += use
if limit > 0 && use >= limit {
timeoutCount++
}
atomic.AddInt64(&count, 1)
if err != nil {
fmt.Println(err.Error())
atomic.AddInt64(&errCount, 1)
}
}()
case <-exit:
break endD
}
}
fmt.Printf("request count：%d\nerror count：%d\n", count, errCount)
fmt.Printf("request time：min(%dms) max(%dms) avg(%dms) timeout(%dn)\n", min, max, sum/count, timeoutCount)
}
编译好二进制程序直接丢到对应的 pod 容器中进行压测：
# 200个并发,持续30秒
./dns -host {service}.{namespace} -c 200 -d 30
这次可以发现最大耗时有 5s 多，多次测试结果都是类似：
而我们内部服务间 HTTP 调用的超时一般都是设置在 3s 左右，以此推断出与线上的超时情况应该是同一种情况，在并发高的情况下会出现部分域名解析超时而导致 HTTP 请求失败。
原因
起初一直以为是 coredns 的问题，于是找运维升级了下 coredns 版本再进行压测，发现问题还是存在，说明不是版本的问题，难道是 coredns 本身的性能就差导致的？想想也不太可能啊，才 200 的并发就顶不住了那性能也未免太弱了吧，结合之前的压测数据，平均响应都挺正常的(82ms)，但是就有个别请求会延迟，而且都是 5 秒左右，所以就又带着 k8s dns 5s 的关键字去 google 搜了一下，这不搜不知道一搜吓一跳啊，原来是 k8s 里的一个大坑啊(其实和 k8s 没有太大的关系，只是 k8s 层面没有提供解决方案)。
5s 超时原因
linux 中 glibc 的 resolver 的缺省超时时间是 5s，而导致超时的原因是内核 conntrack 模块的 bug。
Weave works 的工程师 Martynas Pumputis 对这个问题做了很详细的分析： https://www.weave.works/blog/racy-conntrack-and-dns-lookup-timeouts
这里再引用下 https://imroc.io/posts/kubernetes/troubleshooting-with-kubernetes-network/ 文章中的解释：
DNS client (glibc 或 musl libc) 会并发请求 A 和 AAAA 记录，跟 DNS Server 通信自然会先 connect (建立 fd)，后面请求报文使用这个 fd 来发送，由于 UDP 是无状态协议， connect 时并不会发包，也就不会创建 conntrack 表项, 而并发请求的 A 和 AAAA 记录默认使用同一个 fd 发包，send 时各自发的包它们源 Port 相同(因为用的同一个 socket 发送)，当并发发包时，两个包都还没有被插入 conntrack 表项，所以 netfilter 会为它们分别创建 conntrack 表项，而集群内请求 kube-dns 或 coredns 都是访问的 CLUSTER-IP，报文最终会被 DNAT 成一个 endpoint 的 POD IP，当两个包恰好又被 DNAT 成同一个 POD IP 时，它们的五元组就相同了，在最终插入的时候后面那个包就会被丢掉，如果 dns 的 pod 副本只有一个实例的情况就很容易发生(始终被 DNAT 成同一个 POD IP)，现象就是 dns 请求超时，client 默认策略是等待 5s 自动重试，如果重试成功，我们看到的现象就是 dns 请求有 5s 的延时。
解决方案
方案（一）：使用 TCP 协议发送 DNS 请求
通过 resolv.conf 的 use-vc 选项来开启 TCP 协议
测试
-
修改
/etc/resolv.conf文件，在最后加入一行文本：options use-vc
-
进行压测：
# 200个并发,持续30秒,记录超过5s的请求个数 ./dns -host {service}.{namespace} -c 200 -d 30 -l 5000结果如下：
结论
确实没有出现 5s 的超时问题了，但是部分请求耗时还是比较高，在 4s 左右，而且平均耗时比 UPD 协议的还高，效果并不好。
方案（一）：避免相同五元组 DNS 请求的并发
通过 resolv.conf 的 single-request-reopen 和 single-request 选项来避免：
- single-request-reopen (glibc>=2.9)
发送 A 类型请求和 AAAA 类型请求使用不同的源端口。这样两个请求在 conntrack 表中不占用同一个表项，从而避免冲突。 - single-request (glibc>=2.10)
避免并发，改为串行发送 A 类型和 AAAA 类型请求，没有了并发，从而也避免了冲突。
测试 single-request-reopen
-
修改
/etc/resolv.conf文件，在最后加入一行文本：options single-request-reopen
-
进行压测：
# 200个并发,持续30秒,记录超过5s的请求个数 ./dns -host {service}.{namespace} -c 200 -d 30 -l 5000结果如下：
测试 single-request
-
修改
/etc/resolv.conf文件，在最后加入一行文本：options single-request
-
进行压测：
# 200个并发,持续30秒,记录超过5s的请求个数 ./dns -host {service}.{namespace} -c 200 -d 30 -l 5000结果如下：
结论
通过压测结果可以看到 single-request-reopen 和 single-request 选项确实可以显著的降低域名解析耗时。
关于方案（一）和方案（二）的实施步骤和缺点
实施步骤
其实就是要给容器的 /etc/resolv.conf 文件添加选项，目前有两个方案比较合适：
- 通过修改 pod 的 postStart hook 来设置
lifecycle:
postStart:
exec:
command:
- /bin/sh
- -c
- "/bin/echo 'options single-request-reopen' >> /etc/resolv.conf"
- 通过修改 pod 的 template.spec.dnsConfig 来设置
template:
spec:
dnsConfig:
options:
- name: single-request-reopen
注 : 需要 k8s 版本>=1.9
缺点
不支持 alpine 基础镜像的容器，因为 apline 底层使用的 musl libc 库并不支持这些 resolv.conf 选项，所以如果使用 alpine 基础镜像构建的应用，还是无法规避超时的问题。
方案（三）：本地 DNS 缓存
其实 k8s 官方也意识到了这个问题比较常见，给出了 coredns 以 cache 模式作为 daemonset 部署的解决方案: https://github.com/kubernetes/kubernetes/tree/master/cluster/addons/dns/nodelocaldns
大概原理就是：
本地 DNS 缓存以 DaemonSet 方式在每个节点部署一个使用 hostNetwork 的 Pod，创建一个网卡绑上本地 DNS 的 IP，本机的 Pod 的 DNS 请求路由到本地 DNS，然后取缓存或者继续使用 TCP 请求上游集群 DNS 解析 (由于使用 TCP，同一个 socket 只会做一遍三次握手，不存在并发创建 conntrack 表项，也就不会有 conntrack 冲突)
部署
- 获取当前
kube-dns service的 clusterIP
# kubectl -n kube-system get svc kube-dns -o jsonpath="{.spec.clusterIP}"
10.96.0.10
- 下载官方提供的 yaml 模板进行关键字替换
wget -O nodelocaldns.yaml "https://github.com/kubernetes/kubernetes/raw/master/cluster/addons/dns/nodelocaldns/nodelocaldns.yaml" && \ sed -i 's/__PILLAR__DNS__SERVER__/10.96.0.10/g' nodelocaldns.yaml && \ sed -i 's/__PILLAR__LOCAL__DNS__/169.254.20.10/g' nodelocaldns.yaml && \ sed -i 's/__PILLAR__DNS__DOMAIN__/cluster.local/g' nodelocaldns.yaml && \ sed -i 's/__PILLAR__CLUSTER__DNS__/10.96.0.10/g' nodelocaldns.yaml && \ sed -i 's/__PILLAR__UPSTREAM__SERVERS__/\/etc\/resolv.conf/g' nodelocaldns.yaml
- 最终 yaml 文件如下：
# Copyright 2018 The Kubernetes Authors.
#
# Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
# you may not use this file except in compliance with the License.
# You may obtain a copy of the License at
#
# http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
#
# Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
# distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
# WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
# See the License for the specific language governing permissions and
# limitations under the License.
#
apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:
name: node-local-dns
namespace: kube-system
labels:
kubernetes.io/cluster-service: "true"
addonmanager.kubernetes.io/mode: Reconcile
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
name: kube-dns-upstream
namespace: kube-system
labels:
k8s-app: kube-dns
kubernetes.io/cluster-service: "true"
addonmanager.kubernetes.io/mode: Reconcile
kubernetes.io/name: "KubeDNSUpstream"
spec:
ports:
- name: dns
port: 53
protocol: UDP
targetPort: 53
- name: dns-tcp
port: 53
protocol: TCP
targetPort: 53
selector:
k8s-app: kube-dns
---
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
name: node-local-dns
namespace: kube-system
labels:
addonmanager.kubernetes.io/mode: Reconcile
data:
Corefile: |
cluster.local:53 {
errors
cache {
success 9984 30
denial 9984 5
}
reload
loop
bind 169.254.20.10 10.96.0.10
forward . 10.96.0.10 {
force_tcp
}
prometheus :9253
health 169.254.20.10:8080
}
in-addr.arpa:53 {
errors
cache 30
reload
loop
bind 169.254.20.10 10.96.0.10
forward . 10.96.0.10 {
force_tcp
}
prometheus :9253
}
ip6.arpa:53 {
errors
cache 30
reload
loop
bind 169.254.20.10 10.96.0.10
forward . 10.96.0.10 {
force_tcp
}
prometheus :9253
}
.:53 {
errors
cache 30
reload
loop
bind 169.254.20.10 10.96.0.10
forward . /etc/resolv.conf {
force_tcp
}
prometheus :9253
}
---
apiVersion: apps/v1
kind: DaemonSet
metadata:
name: node-local-dns
namespace: kube-system
labels:
k8s-app: node-local-dns
kubernetes.io/cluster-service: "true"
addonmanager.kubernetes.io/mode: Reconcile
spec:
updateStrategy:
rollingUpdate:
maxUnavailable: 10%
selector:
matchLabels:
k8s-app: node-local-dns
template:
metadata:
labels:
k8s-app: node-local-dns
spec:
priorityClassName: system-node-critical
serviceAccountName: node-local-dns
hostNetwork: true
dnsPolicy: Default # Don't use cluster DNS.
tolerations:
- key: "CriticalAddonsOnly"
operator: "Exists"
containers:
- name: node-cache
image: k8s.gcr.io/k8s-dns-node-cache:1.15.7
resources:
requests:
cpu: 25m
memory: 5Mi
args:
[
"-localip",
"169.254.20.10,10.96.0.10",
"-conf",
"/etc/Corefile",
"-upstreamsvc",
"kube-dns-upstream",
]
securityContext:
privileged: true
ports:
- containerPort: 53
name: dns
protocol: UDP
- containerPort: 53
name: dns-tcp
protocol: TCP
- containerPort: 9253
name: metrics
protocol: TCP
livenessProbe:
httpGet:
host: 169.254.20.10
path: /health
port: 8080
initialDelaySeconds: 60
timeoutSeconds: 5
volumeMounts:
- mountPath: /run/xtables.lock
name: xtables-lock
readOnly: false
- name: config-volume
mountPath: /etc/coredns
- name: kube-dns-config
mountPath: /etc/kube-dns
volumes:
- name: xtables-lock
hostPath:
path: /run/xtables.lock
type: FileOrCreate
- name: kube-dns-config
configMap:
name: kube-dns
optional: true
- name: config-volume
configMap:
name: node-local-dns
items:
- key: Corefile
path: Corefile.base
通过 yaml 可以看到几个细节：
- 部署类型是使用的
DaemonSet，即在每个 k8s node 节点上运行一个 dns 服务 -
hostNetwork属性为true，即直接使用 node 物理机的网卡进行端口绑定，这样在此 node 节点中的 pod 可以直接访问 dns 服务，不通过 service 进行转发，也就不会有 DNAT -
dnsPolicy属性为Default，不使用 cluster DNS，在解析外网域名时直接使用本地的 DNS 设置 - 绑定在 node 节点
169.254.20.10和10.96.0.10IP 上，这样节点下面的 pod 只需要将 dns 设置为169.254.20.10即可直接访问宿主机上的 dns 服务。
测试
-
修改
/etc/resolv.conf文件中的 nameserver：nameserver 169.254.20.10
-
进行压测：
# 200个并发,持续30秒,记录超过5s的请求个数 ./dns -host {service}.{namespace} -c 200 -d 30 -l 5000结果如下：
结论
通过压测发现并没有解决超时的问题，按理说没有 conntrack 冲突应该表现出的情况与方案(二)类似才对，也可能是我使用的姿势不对，不过虽然这个问题还存在，但是通过 DaemonSet 将 dns 请求压力分散到各个 node 节点，也可以有效的缓解域名解析超时问题。
实施
- 通过修改 pod 的 template.spec.dnsConfig 来设置，并将
dnsPolicy设置为None
template:
spec:
dnsConfig:
nameservers:
- 169.254.20.10
searches:
- public.svc.cluster.local
- svc.cluster.local
- cluster.local
options:
- name: ndots
value: "5"
dnsPolicy: None
- 修改默认的
cluster-dns，在 node 节点上将/etc/systemd/system/kubelet.service.d/10-kubeadm.conf文件中的--cluster-dns参数值修改为169.254.20.10，然后重启kubelet。
systemctl restart kubelet
注 ：配置文件路径也可能是 /etc/kubernetes/kubelet
最终解决方案
最后还是决定使用 方案(二)+方案(三) 配合使用，来最大程度的优化此问题，并且将线上所有的基础镜像都替换为非 apline 的镜像版本，至此问题基本解决，也希望 K8S 官方能早日将此功能直接集成进去。
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