DNS解析原理和k8s DNS 实践

1. 问题背景

1.1 域名解析异常

近期开发的一个功能，需要在k8s集群容器环境中调用公司内部api，api提供了内网域名，解析内网域名异常导致请求超时，因此梳理了下DNS的知识点。

可以先看到下面👇这段配置，修改了k8s内置插件服务 CoreDNS 的configMap配置后就能正确解析内网域名了：

    xxx.com:53 {
        errors
        cache
        forward .9.xxx.xxx.xxx
}

2. DNS原理回顾

2.1 什么是DNS

DNS （Domain Name System 的缩写），作用非常简单：根据域名查出IP地址。
DNS 中保存了一张域名（domain name）和与之相对应的 IP 地址（IP address）的表，以查询域名IP。

2.2 查询过程

工具软件dig可以显示整个查询过程，如下图：
在这里插入图片描述

Dig的返回可能包含或不包含以下部分：

Header
Question
Answer
Authority
Additional

2.2.1 第一段是查询头(Header)

; <<>> DiG 9.10.6 <<>> yun.tencent.com
;; global options: +cmd
;; Got answer:
;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 61953
;; flags: qr rd ra; QUERY: 1, ANSWER: 5, AUTHORITY: 1, ADDITIONAL: 7

第一行：Dig版本号和对应的查询域名
第二行：表示全局参数：+cmd
第三行：Got answer：告诉我们是获得应答：
第四行：内容分段标识，告诉我们后面是结果：opcode：操作码、状态、id编号：DNS协议中的编号。
第五行：flags标签：
1. qr query，查询标志，代表是查询操作
2. rd recursion desired，代表希望进行递归(recursive)查询操作
3. ra recursive available 在返回中设置，代表查询的服务器支持递归(recursive)查询操作。
4. aa Authoritative Answer 权威回复，如果查询结果由管理域名的域名服务器而不是缓存服务器提供的，则称为权威回复。
5. 后面QUERY、ANSWER，AUTHORITY、ADDITIONAL分别表示每段返回数量。

2.2.2 第二段是查询内容(Question)

;; OPT PSEUDOSECTION:
; EDNS: version: 0, flags:; udp: 4096
;; QUESTION SECTION:
;yun.tencent.com.		IN	A

上面结果表示，查询的域名yun.tencent.com的A记录，A是address的缩写。

注意 OPT PSEUDOSECTION和EDNS: xxxx 是伪片段，可参考文档Extension Mechanisms for DNS），他们是ADDITIONAL 额外信息的一部分，这部分信息是否携带和dig软件版本有关，我在腾讯云cvm是没有这段信息的。
第一张是腾讯云cvm的dig qq.com截图：
在这里插入图片描述
第二张是我的开发机dig qq.com截图：

这里为了弄清楚这段信息为何会携带，我特地在2个地方抓了包：
软件请求没有订阅 addtionnal 信息

软件请求有订阅 addtionnal 信息

2.2.3 第三段是DNS服务器的答复（ANSWER）

;; ANSWER SECTION:
yun.tencent.com.	600	IN	CNAME	yun.tencent.com.dsa.dnsv1.com.
yun.tencent.com.dsa.dnsv1.com. 600 IN	CNAME	ik9nnxq4.sched.d0-dk.tdnsdp1.cn.
ik9nnxq4.sched.d0-dk.tdnsdp1.cn. 600 IN	A	183.61.169.128
ik9nnxq4.sched.d0-dk.tdnsdp1.cn. 600 IN	A	183.60.155.69
ik9nnxq4.sched.d0-dk.tdnsdp1.cn. 600 IN	A	14.152.75.203

上面结果显示，yun.tencent.com. 有一个CNAME记录指向yun.tencent.com.dsa.dnsv1.com., yun.tencent.com.dsa.dnsv1.com. 又指向了ik9nnxq4.sched.d0-dk.tdnsdp1.cn.，它有3个A记录的IP地址, 第二列 600 是TLL值(Time to live),表示缓存时间。

2.2.4 第四段是告诉我们权威回复服务器（AUTHORITY）

;; AUTHORITY SECTION:
d0-dk.tdnsdp1.cn.	1	IN	NS	ns1.dp1.tdnsdp1.cn.

2.2.5 第五段是额外信息（ADDITIONAL）

这段提供了ns1.dp1.tdnsdp1.cn服务器的IP列表

;; ADDITIONAL SECTION:
ns1.dp1.tdnsdp1.cn.	247	IN	A	157.148.54.78
ns1.dp1.tdnsdp1.cn.	247	IN	A	175.27.41.131
ns1.dp1.tdnsdp1.cn.	247	IN	A	36.155.208.102
ns1.dp1.tdnsdp1.cn.	247	IN	A	60.29.254.64
ns1.dp1.tdnsdp1.cn.	247	IN	A	112.53.42.223
ns1.dp1.tdnsdp1.cn.	247	IN	A	123.150.77.68

2.2.6 最后是DNS服务器的其他信息

;; Query time: 215 msec
;; SERVER: 127.0.0.1#53(127.0.0.1)
;; WHEN: Tue Jan 09 15:38:06 CST 2024
;; MSG SIZE  rcvd: 295

最后是DNS服务器的传输信息
DNS的服务器是127.0.0.1，查询端口是53（DNS的默认端口），回应长度是295字节。(注意我的wifi DNS 是127.0.0.1 应该是被内部软件劫持修改了）。

2.3 DNS 服务器

域名对应的 IP 地址，都保存在 DNS 服务器。

以浏览器为例：我们输入域名，浏览器就会在后台，自动向 DNS 服务器发出请求，获取对应的 IP 地址。这就是 DNS 查询。
在这里插入图片描述

2.4 DNS服务器配置

域名对应的IP保存在DNS服务器，我们要查询到域名对应的IP，首先本机要知道DNS服务器的IP地址

可以查看/etc/resolv.conf
修改该文件nameserver就可以指定DNS服务器

2.5 域名层级

难道一台DNS服务器保存了世界上所有的域名？当然不是，这就需要了解下域名的分层结构。域名是一个树状结构，最顶层的域名是根域名（root）用点”.”表示。
这种树状结构的意义在于，只有上级域名，才知道下一级域名的 IP 地址，需要逐级查询。

根 > 顶级(top-level domain TLD) > 一级域名 > 二级域名 > …

2.5.1 域名层级列表

层级	说明
根域名	所有域名的起点都是根域名，它写作一个点.，放在域名的结尾。因为这部分对于所有域名都是相同的，所以就省略不写了，比如zhuermu.com等同于zhuermu.com.（结尾多一个点）。
顶级域名	根域名的下一级是顶级域名。它分成两种：通用顶级域名（gTLD，比如 .com 和 .net）和国别顶级域名（ccTLD，比如 .cn 和 .us）。
一级域名	一级域名就是你在某个顶级域名下面，自己注册的域名。比如，zhuermu.com就是我在顶级域名.com下面注册的。
二级域名	二级域名是一级域名的子域名 blog.zhuermu.com,是域名拥有者自行设置的，不用得到许可。

使用 dig +trace yun.tencent.com 可以显示DNS的分级查询过程：

根域名服务器列表
本地的DNS服务器返回列举出所有的根服务器列表，后面的顶级服务器列表会使用这些列表中的一个进行查询。

  (base) ➜  d2l-zh dig +trace yun.tencent.com   
  
; <<>> DiG 9.10.6 <<>> +trace yun.tencent.com
;; global options: +cmd
.			148204	IN	NS	e.root-servers.net.
.			148204	IN	NS	f.root-servers.net.
.			148204	IN	NS	g.root-servers.net.
.			148204	IN	NS	h.root-servers.net.
.			148204	IN	NS	i.root-servers.net.
.			148204	IN	NS	j.root-servers.net.
.			148204	IN	NS	k.root-servers.net.
.			148204	IN	NS	l.root-servers.net.
.			148204	IN	NS	m.root-servers.net.
.			148204	IN	NS	a.root-servers.net.
.			148204	IN	NS	b.root-servers.net.
.			148204	IN	NS	c.root-servers.net.
.			148204	IN	NS	d.root-servers.net.
;; Received 239 bytes from 127.0.0.1#53(127.0.0.1) in 2040 ms

顶级域名服务器列表.com
从上面👆的其中一台根服务器查询到.com的DNS服务器列表如下：

com.			172800	IN	NS	a.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	b.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	c.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	d.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	e.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	f.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	g.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	h.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	i.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	j.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	k.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	l.gtld-servers.net.
com.			172800	IN	NS	m.gtld-servers.net.
com.			86400	IN	DS	19718 13 2 8ACBB0CD28F41250A80A491389424D341522D946B0DA0C0291F2D3D7 71D7805A
com.			86400	IN	RRSIG	DS 8 1 86400 20240122050000 20240109040000 30903 . QikZcFwi549WTNwMZUMZ69E30Ld08zjFRsP7Z3QGbMOGiw+FldkvrXAy 6/w2g3qhbEwy9WSk4dSC0CkRDh0GRG/Tfv9gNTuVm9d4MP5/ok3BwQ/8 F6gYzKZT2O+Nre7mAQv5vXpSSdiONuGWuwdXtS0M1fWsxxQ9nprF04eg CNUeN41lYo7ksL2AVfcnqPO3i496g6R4az4eq07fxJv8/ptd469d542o mjqxFZd3NHrYLf/tx1SqK1nwGEQ+jWoP8W50OjyfetswFBsX+Tgrs9L5 rd5OQo28Ur6sPSjlu0ijZaCp/Oz9vdCjAEAIUZChKMBCfV8zcUiM5Ays 7PRUrQ==
;; Received 1175 bytes from 170.247.170.2#53(b.root-servers.net) in 144 ms

二级域名服务器列表 tencent.com
从上面👆的其中一台.com服务器查询到.tencent.com的DNS服务器列表如下：

tencent.com.		172800	IN	NS	ns1.qq.com.
tencent.com.		172800	IN	NS	ns2.qq.com.
tencent.com.		172800	IN	NS	ns3.qq.com.
tencent.com.		172800	IN	NS	ns4.qq.com.
CK0POJMG874LJREF7EFN8430QVIT8BSM.com. 86400 IN NSEC3 1 1 0 - CK0Q2D6NI4I7EQH8NA30NS61O48UL8G5  NS SOA RRSIG DNSKEY NSEC3PARAM
CK0POJMG874LJREF7EFN8430QVIT8BSM.com. 86400 IN RRSIG NSEC3 13 2 86400 20240113052604 20240106041604 46171 com. Y7hvVJcR41A29NyS3rywRjJJtjlYznc1cRPs/t797eolfWOO4nEQnMNu VKC3xr1PPkDt1qsmXkxvg5UNhWbPiA==
VF2UQI8TAH3IC5FJMVG2G1M0N8J7404P.com. 86400 IN NSEC3 1 1 0 - VF2UTHOP0RH8T5MV2F5D6VIBH626EP7Q  NS DS RRSIG
VF2UQI8TAH3IC5FJMVG2G1M0N8J7404P.com. 86400 IN RRSIG NSEC3 13 2 86400 20240116065112 20240109054112 46171 com. w6aJYVt7pUF9vKa+v4Vo6IYqDnbqwLcSOwRNQ6xVJ7RDOSzePA4C5cg9 SpIxGcDnAAYiy9olLi5xV0Dq8N/I8A==
;; Received 772 bytes from 192.12.94.30#53(e.gtld-servers.net) in 216 ms

三级域名服务器列表 yun.tencent.com

yun.tencent.com.	86400	IN	NS	ns-cmn1.qq.com.
yun.tencent.com.	86400	IN	NS	ns-tel1.qq.com.
yun.tencent.com.	86400	IN	NS	ns-cnc1.qq.com.
yun.tencent.com.	86400	IN	NS	ns-os1.qq.com.
;; Received 454 bytes from 101.227.218.144#53(ns1.qq.com) in 35 ms

上面显示yun.tencent.com 有4条NS记录，用于描述目标域名到负责解析该域名的 DNS 的映射关系。

最终查询DNS服务器 ns-os1.qq.com 得到结果

yun.tencent.com.	600	IN	CNAME	yun.tencent.com.dsa.dnsv1.com.
;; Received 84 bytes from 203.205.236.198#53(ns-os1.qq.com) in 255 ms

上面显示一条CNAME记录yun.tencent.com.dsa.dnsv1.com,对应该域名的IP。

2.6 查询方式

细心的你可能发现了，dig 加上参数+trace后查询的完成时间变长了很多，没有+trace 的时候总共才200+ms，而加上后光查询根服务器列表就花费了2000+ms，这是为什么呢？
这就要理解了解下DNS查询的2种方式：递归查询和迭代查询。

2.6.1 递归查询&迭代查询

递归查询：如蓝色的1和8线，本地服务器向NDS服务器要解析的IP结果，至于DNS服务器是怎么查询的不用关心。
迭代查询：如黑线的：3～7步骤，查询的服务器不直接给出域名的IP，而是告诉不同层级域名的DNS服务器，自己再去查对应的DNS服务器。

当使用了+trace 参数后，为了追踪域名的分层信息，因此递归查询变成了迭代查询，我们本地要去和域名个层级的DNS服务器通信，这样整个查询都是本地和个层级DNS去交互迭代查询，而递归查询的时候，大概率DNS服务器已经缓存域名或者DNS服务器网络延迟比你直接通信短，因此会快很多。
在这里插入图片描述

3.Docker DNS配置

了解DNS的基本原理之后，我们再来看看docker容器的DNS怎么配置。

3.1 配置方式两种

配置默认读取宿主机的/etc/resolv.conf，可以修改宿主机的配置，或者在容器构建时自定义resolv.conf；
通过启动参数例如： --dns <DNS 服务 IP> 指定DNS服务器

容器启动时，默认情况下时复制一份宿主机的/etc/resolv.conf ，在宿主机修改之后不会马上生效，需要重启容器服务。

4. k8s集群Pod DNS 配置

我们首先回顾一下kubernetes的架构，集群由两大部分组成：

控制面板（详情请查阅资料kubernetes的架构）
节点，一个节点表示一台物理机或虚拟机，其中pod运行在节点上。
Pods 就是k8s可以管理部署的最小计算单元，pod是一组（一个或多个）容器，这些容器共享存储、网络、以及容器的运行声明。
其中容器的DNS配置声明，就在pod的配置文件中。

4.1 Pod的DNS策略

DNS 策略可以逐个 Pod 来设定。

目前 Kubernetes 支持以下特定 Pod 的 DNS 策略。这些策略可以在 Pod 规约中的 dnsPolicy 字段设置：

Default: Pod 从运行所在的节点继承名称解析配置。
ClusterFirst: 与配置的集群域后缀不匹配的任何 DNS 查询（例如 “www.kubernetes.io”）都会由 DNS 服务器转发到上游名称服务器。
ClusterFirstWithHostNet: 对于以 hostNetwork 方式运行的 Pod，应将其 DNS 策略显式设置为 ClusterFirstWithHostNet。否则，以 hostNetwork 方式和 ClusterFirst 策略运行的 Pod 将会做出回退至 Default 策略的行为。
“None”: 此设置允许 Pod 忽略 Kubernetes 环境中的 DNS 设置。Pod 会使用其 dnsConfig 字段所提供的 DNS 设置。

注意：hostNetwork 是指暴露 pod 所在节点 IP 给终端用户，详情可查阅资料Networking using the host network

4.2 Pod DNS的配置

当 Pod 的 dnsPolicy 设置为 “None” 时，必须指定 dnsConfig 字段。

dnsConfig 字段中属性：

nameservers：将用作于 Pod 的 DNS 服务器的 IP 地址列表。最多可以指定 3 个 IP 地址。例如 coredns的Cluster IP。
searches：用于在 Pod 中查找主机名的 DNS 搜索域的列表。此属性是可选的。
options：可选的对象列表，其中每个对象可能具有 name 属性（必需）和 value 属性（可选）。

4.2.1 pod配置示例

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  namespace: default
  name: dns-example
spec:
  containers:
    - name: test
      image: nginx
  dnsPolicy: "None"
  dnsConfig:
    nameservers:
      - 1.2.3.4
    searches:
      - ns1.svc.cluster-domain.example
      - my.dns.search.suffix
    options:
      - name: ndots
        value: "2"
      - name: edns0

4.2.2 通过以上配置，查看容器内的/etc/resolv.conf文件内容为：

> kubectl exec -it dns-example -- cat /etc/resolv.conf

nameserver 1.2.3.4
search ns1.svc.cluster-domain.example my.dns.search.suffix
options ndots:2 edns0

如果Pod的dnsPolicy策略配置的是ClusterFirst或ClusterFirstWithHostNet，那么pod的dns解析就会查询k8s集群的DNS服务器，而k8s内置插件提供了该服务—CoreDNS，我们一起来看看。

4.3 集群的DNS服务—CoreDNS

CoreDNS 是使用插件管理器集群插件自动启动的 kubernetes内置服务。使用deployment的方式来运行CoreDNS，会创建一个名为kube-dns的service，并用ClusterIP（默认为10.96.0.10）来作为集群内的pod的nameserver。

kubelet 使用 --cluster-dns=<DNS 服务 IP> 传递DNS服务器传递给容器。

4.4 配置CoreDNS

我们再来看下k8s的CoreDNS 配置文件：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: coredns
  namespace: kube-system
data:
  Corefile: |
    .:53 {
        errors
        health {
            lameduck 5s
        }
        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
        cache 30
        loop
        reload
        loadbalance
    }

4.4.1 coreDNS配置说明

.:53 是其他DNS域名解析

kubernetes：CoreDNS 将基于服务和 Pod 的 IP 来应答 DNS 查询 (集群内部的域名查询）
prometheus：CoreDNS 的度量指标值以 Prometheus 格式（也称为 OpenMetrics）在 http://localhost:9153/metrics 上提供。
forward: 不在 Kubernetes 集群域内的任何查询都将转发到预定义的解析器 (/etc/resolv.conf)
cache：启用前端缓存。
loop：检测简单的转发环，如果发现死循环，则中止 CoreDNS 进程。

5.容器DNS配置的实践总结

如果需要根据域名自定义DNS，可以修改CoreDNS的ConfigMap配置项：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: coredns
  namespace: kube-system
data:
  Corefile: |
    xxx.com:53 {
	        errors
	        cache
	        forward 9.xxx.xxx.xxx
	}
    .:53 {
        errors
        health {
            lameduck 5s
        }
        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
        cache 30
        loop
        reload
        loadbalance
    }

其中xxx.com 表示遇到该域名解析时需要forward 到9.xxx.xxx.xxx 这台DNS服务器进行解析。

在docker容器中

配置默认读取宿主机的/etc/resolv.conf，可以修改宿主机的配置，或者在容器构建时自定义；
通过启动参数例如： --dns 8.8.8.8 指定DNS服务器

k8s集群主要看Pod 的dnsPolicy 参数配置

Default 和第1种方式一样
ClusterFirst 和ClusterFirstWithHostNet 都是集群优先，这个时候就要确认集群的DNS服务器（一般考CoreDNS的ConfigMap配置，在这里修改DNS服务器）
None 此设置允许 Pod 忽略 Kubernetes 环境中的 DNS 设置。Pod 会使用其 dnsConfig 字段所提供的 DNS 设置，这个时候在各自的Pod config.yaml 中修改dnsConfig 对应的DNS服务器。

下次再遇到类似的问题，我该如何排查问题？

根据服务运行环境确认问题是DNS解析问题，可以通过ping域名查看IP，通过nslookup 看下域名解析的IP和对应的DNS服务器
根据服务运行环境虚拟机、容器、k8s集群，一步步确认DNS的解析策略，确认最终在何处修改DNS服务器，使其生效。

参考文献

Service 与 Pod 的 DNS： https://kubernetes.io/zh-cn/docs/tasks/administer-cluster/dns-custom-nameservers/
DNS原理入门： https://www.ruanyifeng.com/blog/2016/06/dns.html
DNS 查询原理详解： https://www.ruanyifeng.com/blog/2022/08/dns-query.html
Docker Networking overview https://docs.docker.com/network/
https://serverfault.com/questions/1018425/what-does-opt-pseudosection-mean-in-dig-response
Extension Mechanisms for DNS (EDNS(0)): https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc6891
DNS rfc: https://www.ietf.org/rfc/rfc1035.txt
dig.c 源码： https://opensource.apple.com/source/bind9/bind9-42.3/bind9/bin/dig/dig.c.auto.html