Kubernetes 网络方案——炫酷的 Cilium - 管理 Docker 容器和 Kubernetes Pod 的 DNS - 《DevOps 运维-自动化部署、监控等》

DNS简介
Docker DNS
Kubernetes DNS
StatefulSet 和 Service
- Headless Service">Headless Service
- ClusterIP Service">ClusterIP Service
Pod 的 hostname 与 subdomain

KubernetesDocker

DNS简介

DNS服务是域名系统的缩写，英文全称：Domain Name System，将域名和IP地址相互映射。在容器环境中，DNS至关重要，例如在Kubernetes集群中，通常一组Pod由一个Service负载，但是Service的IP地址有可能需要变动，那么就可以让Pod通过域名的方式去访问Service，Pod无需理会IP地址的变化。

Docker DNS

Docker link

Docker link是一个遗留的特性，在新版本的Docker中，一般不推荐使用。简单来说Docker link就是把两个容器连接起来，容器可以使用容器名进行通信，而不需要依赖ip地址（其实就是在容器的/etc/hosts文件添加了host记录，原本容器之间的IP就是通的，只是增加了host记录，可以不用IP去访问）创建容器centos-1：

[root@host1 ~]# docker run -itd --name centos-1  registry.cn-shanghai.aliyuncs.com/public-namespace/cr7-centos7-tool:v2

创建容器centos-2，使用—link name:alias，name就是要访问的目标机器，alias就是自定义的别名。

[root@host1 ~]# docker run -itd --name centos-2  --link centos-1:centos-1-alias  registry.cn-shanghai.aliyuncs.com/public-namespace/cr7-centos7-tool:v2

查看容器centos-2的/etc/hosts文件：

[root@host1 ~]# docker exec centos-2 cat /etc/hosts
127.0.0.1       localhost
::1     localhost ip6-localhost ip6-loopback
fe00::0 ip6-localnet
ff00::0 ip6-mcastprefix
ff02::1 ip6-allnodes
ff02::2 ip6-allrouters
172.18.0.2      centos-1-alias 9dde6339057a centos-1  #容器centos-1的host记录
172.18.0.3      f1a7e5fa3d96  #容器centos-2自身的host记录

意味着centos-2可以用centos-1-alias，9dde6339057a，centos-1来访问原先创建的容器。centos-1是不可以通过hostname访问centos-2的。

[root@host1 ~]# docker exec centos-2 ping centos-1-alias
PING centos-1-alias (172.18.0.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from centos-1-alias (172.18.0.2): icmp_seq=1 ttl=64 time=0.174 ms
^C
[root@host1 ~]# docker exec centos-2 ping centos-1
PING centos-1-alias (172.18.0.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from centos-1-alias (172.18.0.2): icmp_seq=1 ttl=64 time=1.37 ms
64 bytes from centos-1-alias (172.18.0.2): icmp_seq=2 ttl=64 time=0.523 ms
^C
[root@host1 ~]# docker exec centos-2 ping 9dde6339057a
PING centos-1-alias (172.18.0.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from centos-1-alias (172.18.0.2): icmp_seq=1 ttl=64 time=2.59 ms
64 bytes from centos-1-alias (172.18.0.2): icmp_seq=2 ttl=64 time=3.75 ms

Embedded DNS

从Docker 1.10开始，Docker提供了一个内置的DNS服务器，当创建的容器属于自定义网络时，容器的/etc/resolv.conf会使用内置的DNS服务器（地址永远是127.0.0.11）来解析相同自定义网络内的其他容器。

管理 Docker 容器和 Kubernetes Pod 的 DNS - 图1

为了向后兼容，default bridge网络的DNS配置没有改变，默认的docker网络使用的是宿主机的/etc/resolv.conf的配置。创建一个自定义网络：

[root@host1 ~]# docker network create my-network
#bridge,host,none为docker默认创建的网络
[root@host1 ~]# docker network ls
NETWORK ID          NAME                DRIVER              SCOPE
2115f17cd9d0        bridge              bridge              local
19accfa096cf        host                host                local
a23c8b371c7f        my-network          bridge              local
0a33edc20fae        none                null                local

分别创建两个容器属于自定义网络my-network中：

[root@host1 ~]# docker run -itd --name centos-3 --net my-network  registry.cn-shanghai.aliyuncs.com/public-namespace/cr7-centos7-tool:v2 
[root@host1 ~]# docker run -itd --name centos-4 --net my-network  registry.cn-shanghai.aliyuncs.com/public-namespace/cr7-centos7-tool:v2

查看容器centos-4的/etc/hosts和/etc/resolv.conf，可以看到nameserver添加的IP为127.0.0.11的Embedded DNS：

#/etc/hosts中没有配置对方的host记录
[root@host1 ~]# docker exec centos-4 cat /etc/hosts
127.0.0.1       localhost
::1     localhost ip6-localhost ip6-loopback
fe00::0 ip6-localnet
ff00::0 ip6-mcastprefix
ff02::1 ip6-allnodes
ff02::2 ip6-allrouters
172.19.0.3      555281f37ea3
#/etc/resolv.conf配置了dns服务器127.0.0.11
[root@host1 ~]# docker exec centos-4 cat /etc/resolv.conf
nameserver 127.0.0.11
options ndots:0

此时centos-3和centos-4可以互相解析：

[root@host1 ~]# docker exec centos-4 ping centos-3
PING centos-3 (172.19.0.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from centos-3.my-network (172.19.0.2): icmp_seq=1 ttl=64 time=0.128 ms
64 bytes from centos-3.my-network (172.19.0.2): icmp_seq=2 ttl=64 time=0.078 ms
64 bytes from centos-3.my-network (172.19.0.2): icmp_seq=3 ttl=64 time=0.103 ms
^C
[root@host1 ~]# docker exec centos-3 ping centos-4
PING centos-4 (172.19.0.3) 56(84) bytes of data.
64 bytes from centos-4.my-network (172.19.0.3): icmp_seq=1 ttl=64 time=0.087 ms
64 bytes from centos-4.my-network (172.19.0.3): icmp_seq=2 ttl=64 time=0.101 ms
64 bytes from centos-4.my-network (172.19.0.3): icmp_seq=3 ttl=64 time=0.076 ms
^C

Docker DNS配置

方式一：docker run （针对单个容器）

Flag	Description
—dns	指定DNS服务器地址，如果容器不能访问指定的所有ip地址，则会使用8.8.8.8作为DNS服务器地址（Docker默认定义的）
—dns-search	当容器访问一个不包括完全域名的主机名时，在该主机名后面添加dns-search指定的域名后缀，例如容器访问centos-1，dns-search配置的是example.com，则会解析成centos-1.example.com
—dns-opt	options ndots:5的含义是当查询的域名字符串内的点字符数量大于等于ndots值（5）时，则认为是完整域名，直接解析，不会走 search 域
—hostname	指定容器hostname

方式二：daemon.json

nameserver只针对docker默认网络所有容器，dns-search和dns-opts针对所有网络容器。

{
  "dns": ["114.114.114.114","223.5.5.5"],
  "dns-opts":["ndots:5"],
  "dns-search":["example.com"]
}

Kubernetes DNS

管理 Docker 容器和 Kubernetes Pod 的 DNS - 图2

在kubernetes中，有以下4中DNS策略，可以通过dnsPolicy指定：

**Default**：Pod从运行所在的节点继承名称解析配置，就是该 Pod 的 DNS 配置会跟宿主机完全一致。。Default 不是默认的 DNS 策略。如果未明确指定dnsPolicy，则使用 ClusterFirst。
**ClusterFirst**：它会预先把 kube-dns（或 CoreDNS）的信息当作预设参数写入到该 Pod 内的 DNS 配置。不过ClusterFirst 还有一个冲突，如果你的 Pod 设置了 HostNetwork=true，则 ClusterFirst 就会被强制转换成 Default。
**ClusterFirstWithHostNet**：对于与 hostNetwork（网络接口使用的是宿主机的）一起运行的 Pod，应显式设置其DNS策略 ClusterFirstWithHostNet，他将同时解决default和ClusterFirst的DNS解析。如果不加上dnsPolicy: ClusterFirstWithHostNet ，Pod默认使用所在宿主主机使用的DNS，这样也会导致容器内不能通过service name 访问k8s集群中其他Pod。
None：表示会清除 Pod 预设的 DNS 配置，当 dnsPolicy 设置成这个值之后，Kubernetes 不会为 Pod 预先载入任何自身逻辑判断得到的 DNS 配置。因此若要将 dnsPolicy 的值设为 None，为了避免 Pod 里面没有配置任何 DNS参数，至少需要在dnsConfig中设置nameservers的参数。

在 Kubernetes 1.11 及其以后版本中，推荐使用 CoreDNS， kubeadm 默认会安装 CoreDNS。当Pod向CoreDNS发起DNS解析请求时，CoreDNS先会自己尝试解析，如果无法解析该域名，会将DNS请求交给CoreDNS的Pod所在的宿主机，让宿主机尝试解析。本次实验kubernetes集群中coredns service的地址是10.247.3.10。

❯ kubectl get svc -n kube-system
NAME      TYPE        CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP   PORT(S)                  AGE
coredns   ClusterIP   10.247.3.10   <none>        53/UDP,53/TCP,8080/TCP   13d

宿主机的/etc/resolv.conf文件如下：

[root@cr7-k8s-85091-ydy99 ~]# cat /etc/resolv.conf
# Generated by NetworkManager
search openstacklocal
nameserver 100.125.1.250
nameserver 100.125.64.250
options single-request-reopen

CluterFirst

CluterFirst是kubernetes集群中默认的DNS策略，这里是一个普通的Pod yaml文件，没有指定dnsPolicy。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: busybox
  namespace: default
spec:
  containers:
  - image: busybox:1.28
    command:
      - sleep
      - "3600"
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    name: busybox
  restartPolicy: Always

创建Pod后，进入该Pod查看/etc/resolv.conf配置，可以看到nameserver为CoreDNS的service的地址。

/ # cat /etc/resolv.conf
nameserver 10.247.3.10
search default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local openstacklocal
options single-request-reopen timeout:2 ndots:5

如果在Pod的yaml文件中指定了DNS参数，会和默认的ClusterFirst的配置叠加：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: busybox
  namespace: default
spec:
  containers:
  - image: busybox:1.28
    command:
      - sleep
      - "3600"
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    name: busybox
  restartPolicy: Always
  dnsConfig:
    nameservers:
      - 1.2.3.4
    searches:
      - ns1.svc.cluster-domain.example
      - my.dns.search.suffix
    options:
      - name: ndots
        value: "2"
      - name: edns0

/ # cat /etc/resolv.conf
nameserver 10.247.3.10
nameserver 1.2.3.4
search default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local openstacklocal ns1.svc.cluster-domain.example my.dns.search.suffix
options timeout:2 ndots:2 edns0 single-request-reopen

Default

dnsPolicy为Default模式时，Pod使用的是宿主机的DNS配置：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: busybox
  namespace: default
spec:
  containers:
  - image: busybox:1.28
    command:
      - sleep
      - "3600"
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    name: busybox
  restartPolicy: Always
  dnsPolicy: Default

/ # cat /etc/resolv.conf
nameserver 100.125.1.250
nameserver 100.125.64.250
search openstacklocal
options single-request-reopen timeout:2

`ClusterFirstWithHostNet`

当Pod使用了hostNetwork模式时，Pod使用的是宿主机的网卡：

#进入pod后查看
/ # ifconfig
......
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr FA:16:3E:6D:14:9B
          inet addr:192.168.0.8  Bcast:192.168.0.255  Mask:255.255.255.0
          inet6 addr: fe80::f816:3eff:fe6d:149b/64 Scope:Link
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:44239432 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:47841007 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000
          RX bytes:19884749467 (18.5 GiB)  TX bytes:34713001649 (32.3 GiB)
......

当Pod使用hostNetwork模式，并且未指定dnsPolicy为ClusterFirstWithHostNet时，Pod会使用的宿主机的DNS：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: busybox
  namespace: default
spec:
  containers:
  - image: busybox:1.28
    command:
      - sleep
      - "3600"
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    name: busybox
  restartPolicy: Always
  hostNetwork: true

此时Pod无法通过域名访问Kubernetes集群内部：

#hostNetwork模式如果不指定dnsPolicy则使用default模式，使用的宿主机的DNS
/ # cat /etc/resolv.conf
nameserver 100.125.1.250
nameserver 100.125.64.250
search openstacklocal
options single-request-reopen timeout:2
#pod可以通过域名访问外网，但是无法通过域名访问kubernetes集群内部
/ # ping baidu.com
PING baidu.com (39.156.69.79): 56 data bytes
64 bytes from 39.156.69.79: seq=0 ttl=49 time=29.193 ms
64 bytes from 39.156.69.79: seq=1 ttl=49 time=29.104 ms
^C
--- baidu.com ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 29.104/29.148/29.193 ms
/ # ping nginx
ping: bad address 'nginx'

如果Pod在hostNetwork模式下要通过域名的方式访问kubernetes集群内的服务，需要指定dnsPolicy为ClusterFirstWithHostNet：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: busybox
  namespace: default
spec:
  containers:
  - image: busybox:1.28
    command:
      - sleep
      - "3600"
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    name: busybox
  restartPolicy: Always
  hostNetwork: true
  dnsPolicy: ClusterFirstWithHostNet

此时查看Pod的DNS配置，可以看到nameserver使用的是CoreDNS:

#ClusterFirstWithHostNet模式DNS使用的是coredns的地址，
/ # cat /etc/resolv.conf
nameserver 10.247.3.10
search default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local openstacklocal
options single-request-reopen timeout:2 ndots:5
#可以通过域名访问外网，也通过域名访问集群内部
/ # nslookup baidu.com
Server:    10.247.3.10
Address 1: 10.247.3.10 coredns.kube-system.svc.cluster.local
Name:      baidu.com
Address 1: 39.156.69.79
Address 2: 220.181.38.148
/ #
/ # nslookup nginx
Server:    10.247.3.10
Address 1: 10.247.3.10 coredns.kube-system.svc.cluster.local
Name:      nginx
Address 1: 10.247.60.222 nginx.default.svc.cluster.local
/ #

None

当设置dnsPolicy为None时，不会使用Kubernetes集群和宿主机的 DNS 策略，但是必须自己配置dnsConfig。

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: busybox
  namespace: default
spec:
  containers:
  - image: busybox:1.28
    command:
      - sleep
      - "3600"
    imagePullPolicy: IfNotPresent
    name: busybox
  restartPolicy: Always
  dnsPolicy: None
  dnsConfig:
    nameservers:
      - 1.2.3.4

/ # cat /etc/resolv.conf
nameserver 1.2.3.4
options single-request-reopen timeout:2

StatefulSet 和 Service

StatefulSet Pod 具有唯一的标识，该标识包括顺序标识、稳定的网络标识和稳定的存储。该标识和 Pod 是绑定的，不管它被调度在哪个节点上。
StatefulSet 中的每个 Pod 根据 StatefulSet 的名称和 Pod 的序号派生出它的主机名。组合主机名的格式为$(StatefulSet 名称)-$(序号)。下例将会创建三个名称分别为 web-0、web-1、web-2 的 Pod。StatefulSet 可以使用 Headless Service（无头服务）控制它的 Pod 的网络域。管理域的这个服务的格式为： $(服务名称).$(命名空间).svc.cluster.local，其中 cluster.local 是集群域。一旦每个 Pod 创建成功，就会得到一个匹配的 DNS 子域，格式为：$(pod 名称).$(所属服务的 DNS 域名)，其中所属服务由 StatefulSet 的 serviceName 域来设定。

管理 Docker 容器和 Kubernetes Pod 的 DNS - 图3

通过域名去访问Headless Service负载的Pod是不走iptables的，通过域名去访问ClusterIP负载的Pod要走Iptables。
下面给出一些选择集群域、服务名、StatefulSet 名、及其怎样影响 StatefulSet 的 Pod 上的 DNS 名称的示例：

Cluster Domain	Service (ns/name)	StatefulSet (ns/name)	StatefulSet Domain	Pod DNS	Pod Hostname
cluster.local	default/nginx	default/web	nginx.default.svc.cluster.local	web-{0..N-1}.nginx.default.svc.cluster.local	web-{0..N-1}
cluster.local	foo/nginx	foo/web	nginx.foo.svc.cluster.local	web-{0..N-1}.nginx.foo.svc.cluster.local	web-{0..N-1}
kube.local	foo/nginx	foo/web	nginx.foo.svc.kube.local	web-{0..N-1}.nginx.foo.svc.kube.local	web-{0..N-1}

Headless Service

首先我们将StatefulSet和Headless Service结合使用，(通常情况下是这么做的）：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: headless-nginx
  labels:
    app: nginx
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  clusterIP: None
  selector:
    app: nginx
---
apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:
  name: web
spec:
  selector:
    matchLabels:
      app: nginx 
  serviceName: headless-nginx
  replicas: 3 
  template:
    metadata:
      labels:
        app: nginx 
    spec:
      containers:
      - name: nginx
        image: nginx:1.7.9
        ports:
        - containerPort: 80
          name: web

查看创建的StatefulSet的Pod，命名是有规律的按照0,1,2的顺序递增。

root@master01:~/yaml/service# kubectl get pod -o wide
NAME                     READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP               NODE       NOMINATED NODE   READINESS GATES
web-0                    1/1     Running   0          6s      192.168.5.59     worker01   <none>           <none>
web-1                    1/1     Running   0          5s      192.168.30.117   worker02   <none>           <none>
web-2                    1/1     Running   0          3s      192.168.5.58     worker01   <none>           <none>

查看创建的Headless Service，可以看到ClusterIP为None：

root@master01:~/yaml/service# kubectl get svc
NAME              TYPE           CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP     PORT(S)   AGE
headless-nginx    ClusterIP      None             <none>          80/TCP    15m

找一个相同namespace的Pod来解析该Headless Service：

root@master01:~/yaml/service# kubectl exec busybox1 -- nslookup headless-nginx
Server:    10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
#解析出来的ip地址为3个StatefulSet的pod的ip
Name:      headless-nginx
Address 1: 192.168.30.117 web-1.headless-nginx.default.svc.cluster.local
Address 2: 192.168.5.59 web-0.headless-nginx.default.svc.cluster.local
Address 3: 192.168.5.58 web-2.headless-nginx.default.svc.cluster.local

查看default命名空间下的Pod的/etc/resolv.conf配置：

root@master01:~/yaml/service# kubectl exec busybox1 -- cat /etc/resolv.conf           
nameserver 10.96.0.10
search default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local
options ndots:5

在不同的 namespace 下的 Pod 通过 Service 访问的时候，需要在 Service name 后面加上 .<namespace名字>。

root@master01:~/yaml/service# kubectl exec busybox2 -n kube-system  -- nslookup  headless-nginx.default  
Server:    10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name:      headless-nginx.default.svc.cluster.local
Address 1: 192.168.5.58 web-2.headless-nginx.default.svc.cluster.local
Address 2: 192.168.5.59 web-0.headless-nginx.default.svc.cluster.local
Address 3: 192.168.30.117 web-1.headless-nginx.default.svc.cluster.local

查看kube-system命名空间下的Pod的/etc/resolv.conf配置：

root@master01:~/yaml/service# kubectl exec busybox2 -n kube-system  -- cat /etc/resolv.conf             nameserver 10.96.0.10
search kube-system.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local 
options ndots:5

ClusterIP Service

现在我们将StatefulSet和ClusterIP Service结合使用：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: clusterip-nginx
  labels:
    app: nginx
#ClusterIP不为None则表示该Service有ClusterIP    
spec:
  ports:
  - port: 80
    name: web
  selector:
    app: nginx

查看创建的Service：

root@master01:~/yaml/service# kubectl get svc
NAME              TYPE           CLUSTER-IP       EXTERNAL-IP     PORT(S)   AGE
clusterip-nginx   ClusterIP      10.110.176.201   <none>          80/TCP    13s

此时用Pod解析域名只能得到ClusterIP地址，无法得到Pod的IP地址：

root@master01:~/yaml/service# kubectl exec busybox1 -- nslookup clusterip-nginx
Server:    10.96.0.10
Address 1: 10.96.0.10 kube-dns.kube-system.svc.cluster.local
Name:      clusterip-nginx
Address 1: 10.110.176.201 clusterip-nginx.default.svc.cluster.local

Pod 的 hostname 与 subdomain

在 Kubernetes 中，如果不指定 Pod 的 hostname，其默认为 pod.metadata.name，通过 spec.hostname 字段可以自定义；另外还可以给 Pod 设置 subdomain，通过 spec.subdomain 字段。比如下面这个例子：创建一个Nginx Pod，指定Pod的hostname和subdomain：

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: nginx
  labels:
    name: nginx
spec:
  hostname: domain-test
  subdomain: subdomain-test
  containers:
  - image: nginx
    name: nginx
---
apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: subdomain-test
spec:
  selector:
    name: nginx
  ports:
  - port: 80
    targetPort: 80
    protocol: TCP

可以查看这个 Pod 的 hostname 和 hosts 文件：

[root@localhost ~]# kubectl get po -o wide
NAME                           READY   STATUS    RESTARTS   AGE     IP             NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
busybox-5bbb5d7ff7-dh68j       1/1     Running   0          112m    10.244.1.246   172-16-105-2   <none>           <none>
nginx                          1/1     Running   0          2m      10.244.1.253   172-16-105-2   <none>           <none>
[root@localhost ~]# kubectl exec -it nginx bash
root@domain-test:/# cat /etc/hosts
# Kubernetes-managed hosts file.
127.0.0.1    localhost
::1    localhost ip6-localhost ip6-loopback
fe00::0    ip6-localnet
fe00::0    ip6-mcastprefix
fe00::1    ip6-allnodes
fe00::2    ip6-allrouters
10.244.1.253    domain-test.subdomain-test.default.svc.cluster.local    domain-test
root@domain-test:/#

在 busybox 容器中通过域名访问这个Pod：

[root@localhost ~]# kubectl exec -it busybox-5bbb5d7ff7-dh68j sh
/ # wget domain-test.subdomain-test
Connecting to domain-test.subdomain-test (10.244.1.253:80)
saving to 'index.html'
index.html           100% |*****************************************************|   612  0:00:00 ETA
'index.html' saved

管理 Docker 容器和 Kubernetes Pod 的 DNS