K8s DNS 服务详解：集群内服务发现的核心机制

K8s DNS 服务详解：集群内服务发现的核心机制（一场风趣幽默的技术漫谈）

各位观众，各位朋友，晚上好！欢迎来到今天的“K8s魔法课堂”，我是你们的老朋友，江湖人称“码农老王”😎。今天咱们要聊点硬核的，但保证不枯燥，因为我们要聊的是 Kubernetes 里一个至关重要，却又经常被我们忽略的家伙——K8s DNS 服务。

想象一下，如果没有 K8s DNS，你的微服务们就像一群迷路的小鸡，在偌大的集群里乱窜，互相找不到对方，只能发出绝望的“叽叽叽”声。有了它，你的微服务们就像有了导航地图，可以精准定位，高效协作，奏响一曲和谐的交响乐！ 🎺

所以，K8s DNS 不仅仅是一个服务，它更是 K8s 集群内服务发现的核心灵魂，是连接微服务世界的桥梁！

1. 什么是服务发现？为什么要用 DNS？

在传统的单体应用时代，服务之间的调用就像邻居串门，大家住在同一栋楼里，互相知道门牌号，敲门即可。但是，在 Kubernetes 这种分布式系统中，情况就复杂多了。服务实例数量动态变化，IP 地址也可能随时改变，就像搬家一样频繁，你总不能每次都挨家挨户地去问“请问 xx 服务搬到哪儿去了？”吧？

这就是服务发现要解决的问题： 让服务 A 能够动态地找到服务 B，而不需要知道服务 B 的具体 IP 地址和端口号。

那么，为什么 K8s 选择了 DNS 呢？原因很简单：

DNS 历史悠久，经验丰富： DNS 已经存在了几十年，是互联网的基础设施之一，拥有成熟的技术和广泛的应用。
DNS 简单易用，深入人心： 程序员们对 DNS 协议非常熟悉，使用域名来访问服务符合直觉。
DNS 可靠稳定，性能优越： DNS 服务器经过了无数次考验，具有高可用性和高性能，可以满足大规模集群的需求。

换句话说，与其自己造轮子，不如站在巨人的肩膀上，利用现成的 DNS 技术来解决服务发现的问题，这才是明智之举！👍

2. K8s DNS 的实现：CoreDNS 登场

在 K8s 的早期版本中，使用的是 kube-dns 作为 DNS 服务。但现在，大部分 K8s 集群都采用了 CoreDNS 作为默认的 DNS 提供者。

CoreDNS 是一个用 Go 语言编写的，灵活、可扩展的 DNS 服务器。它具有以下优点：

轻量级： CoreDNS 占用资源少，启动速度快，非常适合在 K8s 环境中使用。
可扩展： CoreDNS 采用了插件化的架构，可以根据需要添加各种插件，满足不同的需求。
易于配置： CoreDNS 的配置文件简洁明了，易于理解和维护。

可以把 CoreDNS 看作是一个乐高积木，你可以根据自己的需求，选择不同的积木（插件）来搭建出不同的 DNS 服务。

3. K8s DNS 的工作原理：一次域名解析的旅程

现在，让我们来模拟一次域名解析的旅程，看看 K8s DNS 是如何工作的。

假设我们有一个名为 my-app 的服务，它运行在一个名为 default 的 Namespace 中。现在，另一个服务想要访问 my-app，它只需要使用域名 my-app.default.svc.cluster.local 即可。

整个过程大致如下：

应用发起 DNS 查询： 客户端应用调用 DNS 解析函数，查询 my-app.default.svc.cluster.local 对应的 IP 地址。
kubelet 拦截 DNS 请求： kubelet 会拦截所有 Pod 的 DNS 请求，并将其转发到集群内的 CoreDNS 服务。
CoreDNS 查询 K8s API Server： CoreDNS 收到请求后，会向 K8s API Server 查询 my-app 对应的 Service 对象的信息。
API Server 返回 Service 信息： API Server 返回 my-app Service 对象的 Cluster IP 地址和端口号。
CoreDNS 返回解析结果： CoreDNS 将 Cluster IP 地址和端口号作为 DNS 查询结果返回给客户端应用。
应用访问 Service： 客户端应用使用 Cluster IP 地址和端口号访问 my-app 服务。

可以用下图来概括这个过程：

sequenceDiagram
    participant App
    participant Kubelet
    participant CoreDNS
    participant API Server

    App->>Kubelet: DNS Query: my-app.default.svc.cluster.local
    Kubelet->>CoreDNS: Forward DNS Query
    CoreDNS->>API Server: Query Service: my-app.default
    API Server->>CoreDNS: Return Service Info (Cluster IP, Port)
    CoreDNS->>Kubelet: Return IP Address and Port
    Kubelet->>App: Return IP Address and Port
    App->>Service: Access my-app Service

关键点：

Cluster IP： 这是 K8s 为每个 Service 分配的虚拟 IP 地址，只能在集群内部访问。
kubelet 的作用： kubelet 负责拦截和转发 DNS 请求，确保所有 DNS 查询都经过 CoreDNS。
API Server 的重要性： API Server 是 K8s 的大脑，存储了所有 Service 对象的信息，CoreDNS 需要从 API Server 获取这些信息。

4. K8s DNS 的域名格式：一套完整的命名体系

K8s DNS 使用一套规范的域名格式，来标识不同的资源。这套格式看起来有点复杂，但只要掌握了规律，就能轻松理解。

最常见的域名格式是：

<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local

<service-name>： Service 的名称。
<namespace>： Service 所在的 Namespace。
svc： 表示这是一个 Service 资源。
cluster.local： 这是集群的默认域名后缀，可以在 Kubelet 的配置中修改。

例如，my-app.default.svc.cluster.local 表示 default Namespace 下名为 my-app 的 Service。

除了这种格式，还有一些其他的域名格式：

Headless Service： 对于 Headless Service，K8s 会为每个 Pod 创建一个 DNS 记录。域名格式为：
```
<pod-name>.<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local
```
ExternalName Service： ExternalName Service 可以将集群内部的服务映射到外部域名。域名格式为：
```
<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local
```
但是，解析结果是 ExternalName Service 指向的外部域名，而不是 IP 地址。

为了方便大家理解，我们用表格来总结一下：

Service 类型	域名格式	解释
普通 Service	`<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local`	解析到 Service 的 Cluster IP 地址。
Headless Service	`<pod-name>.<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local`	解析到 Headless Service 对应的 Pod 的 IP 地址。
ExternalName Service	`<service-name>.<namespace>.svc.cluster.local`	解析到 ExternalName Service 指向的外部域名。
Namespace	`<namespace>.svc.cluster.local`	用于查询 Namespace 的信息，例如 Namespace 的状态。
集群	`cluster.local`	用于查询集群的信息，例如集群的版本。

记住这些域名格式，就像掌握了微服务世界的“暗号”，以后在 K8s 里游刃有余！ 🕵️‍♂️

5. CoreDNS 的配置：灵活的插件机制

CoreDNS 的配置文件是一个名为 Corefile 的文件，通常位于 /etc/coredns/Corefile 目录下。Corefile 使用了一种简单的语法，可以定义 DNS 服务的行为。

Corefile 的核心思想是插件化，每个插件负责处理一种特定的 DNS 查询。CoreDNS 提供了大量的插件，可以满足不同的需求。

一些常用的插件包括：

kubernetes： 这是最重要的插件，负责从 K8s API Server 获取 Service 和 Pod 的信息，实现服务发现。
prometheus： 用于暴露 CoreDNS 的监控指标，方便进行性能分析和故障排查。
cache： 用于缓存 DNS 查询结果，提高解析速度。
forward： 用于将 DNS 查询转发到上游 DNS 服务器，例如公共 DNS 服务器。
loop： 用于检测 DNS 循环依赖问题。

一个简单的 Corefile 示例：

.:53 {
    errors
    health {
        lameduck 5s
    }
    kubernetes cluster.local in-addr.arpa ip6.arpa {
        pods verified
        upstream
        fallthrough in-addr.arpa ip6.arpa
    }
    prometheus :9153
    forward . /etc/resolv.conf {
        max_concurrent 1000
    }
    cache 30
    loop
    reload
    loadbalance
}

解释：

.:53： 表示 CoreDNS 监听所有接口的 53 端口。
errors： 启用错误日志。
health： 启用健康检查，每 5 秒检查一次。
kubernetes cluster.local ...： 配置 Kubernetes 插件，指定集群域名为 cluster.local，并启用 Pod 验证。
prometheus :9153： 启用 Prometheus 插件，监听 9153 端口。
forward . /etc/resolv.conf： 配置 Forward 插件，将所有 DNS 查询转发到 /etc/resolv.conf 中指定的 DNS 服务器。
cache 30： 启用 Cache 插件，缓存 DNS 查询结果 30 秒。
loop： 启用 Loop 插件，检测 DNS 循环依赖问题。
reload： 允许动态加载配置，无需重启 CoreDNS。
loadbalance： 启用负载均衡，将请求分发到多个上游服务器。

通过修改 Corefile，你可以定制 CoreDNS 的行为，满足各种复杂的场景需求。 🛠️

6. K8s DNS 的常见问题和解决方案

在使用 K8s DNS 的过程中，可能会遇到一些问题。下面是一些常见问题和解决方案：

DNS 解析失败：
- 原因： 可能是 CoreDNS 服务未启动，或者 Corefile 配置错误。
- 解决方案： 检查 CoreDNS 服务是否正常运行，并检查 Corefile 配置是否正确。
- 排查方法： 使用 kubectl get pods -n kube-system 命令查看 CoreDNS Pod 的状态。使用 kubectl logs -n kube-system <coredns-pod-name> 命令查看 CoreDNS 的日志。
DNS 解析速度慢：
- 原因： 可能是 DNS 缓存失效，或者网络延迟较高。
- 解决方案： 增加 DNS 缓存时间，优化网络配置。
- 排查方法： 使用 dig 命令测试 DNS 解析速度。
无法解析 Headless Service：
- 原因： 可能是 Headless Service 的 Pod 未就绪。
- 解决方案： 确保 Headless Service 的 Pod 处于 Running 状态。
- 排查方法： 使用 kubectl get pods -l service=<service-name> -n <namespace> 命令查看 Headless Service 的 Pod 状态。
DNS 循环依赖：
- 原因： 可能是 Corefile 配置错误，导致 DNS 查询形成循环。
- 解决方案： 检查 Corefile 配置，避免 DNS 循环依赖。
- 排查方法： 使用 dig 命令跟踪 DNS 查询过程，查看是否存在循环依赖。

遇到问题不要慌，冷静分析，一步一步排查，总能找到解决方案的！ 🔍

7. K8s DNS 的未来：拥抱 Service Mesh

随着 Service Mesh 技术的兴起，K8s DNS 的作用也在发生变化。Service Mesh 可以提供更高级的服务发现和流量管理功能，例如负载均衡、流量控制、安全认证等。

Service Mesh 通常会接管 K8s DNS 的流量，并根据配置的策略进行转发。这意味着，应用程序不再需要直接使用 K8s DNS 来发现服务，而是通过 Service Mesh 来进行服务发现。

Service Mesh 可以看作是 K8s DNS 的增强版，它提供了更丰富的功能和更高的性能。未来，K8s DNS 将会与 Service Mesh 更加紧密地结合，共同构建更加强大和灵活的微服务架构。 🤝

8. 总结：K8s DNS，微服务世界的导航灯

今天，我们一起深入探讨了 K8s DNS 的工作原理、域名格式、配置方法和常见问题。希望通过今天的学习，大家能够更加深入地理解 K8s DNS，并能够灵活地运用它来构建可靠、高效的微服务应用。

K8s DNS 就像微服务世界的导航灯，指引着服务们找到彼此，高效协作。掌握了 K8s DNS，你就掌握了微服务世界的“密码”，可以在 K8s 的海洋里自由翱翔！ 🚀

感谢大家的观看，我们下期再见！ 👋