如何优化Amazon EKS集群DNS性能

背景介绍

CoreDNS是一个灵活的、可扩展的DNS服务器，可以用作Kubernetes集群DNS。当您启动至少有一个节点的Amazon EKS集群时，默认情况下会部署CoreDNS image的两个副本，而不管集群中部署了多少节点。CoreDNS pod为EKS集群中的所有pod提供名称解析。EKS集群中默认部署的CoreDNS在DNS QPS较高场景下可能会出现DNS解析时延高、解析超时、解析失败等问题。本文介绍如何优化EKS集群中DNS性能。

前提条件

在具有 Kubernetes 1.16 或更高版本的Amazon EKS 集群上支持 CoreDNS

有关如何在Amazon EKS上安装和升级CoreDNS，请参考https://docs.aws.amazon.com/zh_cn/eks/latest/userguide/coredns.html

优化方案

增加CoreDNS副本数

默认部署的Amazon EKS集群，CoreDNS的副本数是2，当集群规模较大和DNS查询并发较高时，可能会出现2个Pods的CoreDNS不足以及时处理DNS查询请求从而影响DNS查询效率，我们可以通过直接增加CoreDNS副本数量的方式提升DNS查询性能。

执行以下命令调整CoreDNS的副本数到合理值，N时目标副本数

kubectl scale --replicas=N deployment/coredns -n kube-system

增加CoreDNS的Cache时间

在有大量外部域名解析请求的场景中，适当增加CoreDNS对条目的缓存时间可以有效的提高CoreDNS的性能，CoreDNS默认配置的缓存时间是30s，增大cache时间对域名解析TTL敏感型的应用会有一定的影响，会延缓应用感知域名解析配置变更的时间。

kubectl edit configmap coredns -n kube-system

apiVersion: v1

data:

Corefile: |

.:53 {

errors

log

health

kubernetes cluster.local in-addr.arpa ip6.arpa {

pods insecure

fallthrough in-addr.arpa ip6.arpa

}

prometheus :9153

forward . /etc/resolv.conf

cache 60

loop

reload

loadbalance

}

例如配置文件中cache 30调整为60。

调整ndots数值

Pod在使用DNS的时候有四种策略，默认是ClusterFirst策略，在ClusterFirst模式下，Pod内/etc/resolv.conf配置的DNS服务地址是集群DNS服务的地址kube-dns

nameserver 10.100.0.10

search default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local ap-southeast-1.compute.internal

options ndots:5

在Amazon EKS中CoreDNS的service对应的cluster ip地址默认是10.100.0.10，在ClusterFirst模式下存在一个问题，当集群内部查询外部域名的时候，2次（1次IPv4，1次IPv6）集群外部域名DNS查询会产生10次（5次IPv4，5次IPv6）查询请求。例如解析www.amazon.com域名，会先分别携带四个/etc/resolv.conf 中search对应的搜索域后缀，产生八次无效查询请求，这样会导致集群DNS QPS放大四倍（例如如下日志中显示为NXDOMAIN的请求全部为无效请求）

[INFO] 192.168.91.232:38354 - 53881 "AAAA IN www.amazon.com.default.svc.cluster.local. udp 58 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 151 0.000166861s

[INFO] 192.168.91.232:38354 - 44145 "A IN www.amazon.com.default.svc.cluster.local. udp 58 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 151 0.000228392s

[INFO] 192.168.91.232:41643 - 16970 "AAAA IN www.amazon.com.svc.cluster.local. udp 50 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 143 0.000084297s

[INFO] 192.168.91.232:41643 - 65092 "A IN www.amazon.com.svc.cluster.local. udp 50 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 143 0.000074557s

[INFO] 192.168.91.232:36820 - 54794 "AAAA IN www.amazon.com.cluster.local. udp 46 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 139 0.000100624s

[INFO] 192.168.91.232:36820 - 11271 "A IN www.amazon.com.cluster.local. udp 46 false 512" NXDOMAIN qr,aa,rd 139 0.000098021s

[INFO] 192.168.91.232:33623 - 47179 "AAAA IN www.amazon.com.ap-southeast-1.compute.internal. udp 64 false 512" NXDOMAIN qr,rd,ra 187 0.009907116s

[INFO] 192.168.91.232:33623 - 58950 "A IN www.amazon.com.ap-southeast-1.compute.internal. udp 64 false 512" NXDOMAIN qr,rd,ra 187 0.010631084s

[INFO] 192.168.91.232:48515 - 56834 "A IN www.amazon.com. udp 32 false 512" NOERROR qr,rd,ra 212 0.001209964s

[INFO] 192.168.91.232:48515 - 16391 "AAAA IN www.amazon.com. udp 32 false 512" NOERROR qr,rd,ra 318 0.001528659s

在进行域名解析时，操作系统先判断其是否是一个 FQDN（Fully qualified domain name，即完整域名，指以.结尾的），如果是则会直接查询 DNS 服务器；如果不是则就要根据 search 和 ndots 的设置进行 FQDN 的拼接再将其发到 DNS 服务器进行解析。

ndots 表示的是完整域名中必须出现的.的个数，如果域名中的.的个数不小于 ndots，则该域名会被认为是一个 FQDN，操作系统会直接将其发给 DNS 服务器进行查询；否则，操作系统会在 search 搜索域中依次查询。

默认情况下ndots 为 5，查询的域名 www.amazon.com 不以.结尾，且.的个数少于 5，因此操作系统会依次在 default.svc.cluster.local svc.cluster.local cluster.local ap-southeast-1.compute.internal四个域中进行搜索。如果集群内只会用到同 namespace 下的 Service和跨 namespace 下 Service的访问，将ndots 的默认值设为 2 便可满足业务需求并避免大量无效的解析请求。

修改pod的ndots值的方法如下

apiVersion: apps/v1

kind: Deployment

metadata:

name: "centos"

spec:

selector:

matchLabels:

app: "centos"

replicas: 1

template:

metadata:

labels:

app: "centos"

spec:

containers:

- image: centos

imagePullPolicy: Always

name: "centos"

args:

- /bin/sh

- -c

- sleep 10; touch /tmp/healthy; sleep 30000

readinessProbe:

exec:

command:

- cat

- /tmp/healthy

initialDelaySeconds: 10

periodSeconds: 5

dnsConfig:

options:

- name: ndots

value: "2"

修改后测试解析DNS域名，CoreDNS日志如下：

[INFO] 192.168.67.216:39187 - 41028 "A IN www.amazon.com. udp 32 false 512" NOERROR qr,rd,ra 212 0.001406832s

[INFO] 192.168.67.216:39187 - 22603 "AAAA IN www.amazon.com. udp 32 false 512" NOERROR qr,rd,ra 280 0.002514496s

可以看到只有两次解析，无效解析已经消失。

使用autopath插件

autopath是一个可选的优化插件，可以提高集群外部名称查询的性能（例如amazon.com）。启用autopath插件需要CoreDNS使用更多的内存来存储有关Pod的信息。Autopath的原理是在第一次域名查询失败尝试找到正确的域名，这样共需要2次（1次IPv4，1次IPv6）查询就可以获取到正确的结果, 减少客户端在查找外部名称时进行的DNS查询次数。

启用autopath的方式如下

kubectl edit configmap coredns -n kube-system

apiVersion: v1

data:

Corefile: |

.:53 {

errors

log

health

kubernetes cluster.local in-addr.arpa ip6.arpa {

pods verified

fallthrough in-addr.arpa ip6.arpa

}

autopath @kubernetes

prometheus :9153

forward . /etc/resolv.conf

cache 30

loop

reload

loadbalance

}

使用NodeLocal DNSCache

NodeLocal DNSCache 通过在集群节点上作为 DaemonSet 运行 DNS 缓存代理来提高集群 DNS 性能,通过这种架构，可以让pod直接查询运行在同一节点上的DNS缓存代理，避免DNS查询请求报文经过iptables NAT和conntrack从而可能触发瓶颈。

关于在集群上部署NodeLocal DNSCache，可以参考

https://kubernetes.io/docs/tasks/administer-cluster/nodelocaldns/

使用Amazon Route53 resolver作为外部DNS服务器

默认情况下，Amazon EKS的CoreDNS部署后使用节点中/etc/resolv.conf中配置的nameserver作为外部DNS解析服务器。在VPC中单个EC2的网卡的域名解析并发为1024个数据包，并且无法提高此限制，这样就导致单个CoreDNS的pod最大的外部DNS解析能力是1024 QPS，除了前文提到的增加更多的CoreDNS pod的方法外，我们还可以利用Amazon Route53 resolver提供的Inbound endpoints作为CoreDNS外部解析地址，突破1024 QPS的限制（每个Amazon Route53 resolver终端节点中单个 IP 地址的每秒查询数为10000，可以增加更多的IP提高QPS）

apiVersion: v1

data:

Corefile: |

.:53 {

errors

log

health

kubernetes cluster.local in-addr.arpa ip6.arpa {

pods insecure

fallthrough in-addr.arpa ip6.arpa

}

prometheus :9153

forward . 192.168.56.21 192.168.1.68

cache 30

loop

reload

loadbalance

}

其中192.168.56.21和192.168.1.68是Amazon Route53 resolver的入栈终端节点

（备注：此方案会额外产生Amazon Route53 resolver费用）

性能测试

我们可以使用dnsperf工具对CoreDNS进行测试，我们先创建一个Pod，在Pod中安装dnsperf，模拟DNS查询客户端。安装命令如下

（备注：根据操作系统下载对应的版本）：

rpm -ivh https://download-ib01.fedoraproject.org/pub/epel/8/Everything/x86_64/Packages/e/epel-release-8-11.el8.noarch.rpm

yum install dnsperf

准备好压测的DNS列表，dns.txt格式如下：

www.test.com A

执行压测命令：

dnsperf -l 30 -s 10.100.0.10 -d dns.txt

（备注：其中-l代表压测时长，-s代表域名服务器地址，-d 指向压测域名的配置文件）

压测环境：

使用3台c5.xlarge，压测的dnsperf Pod和CoreDNS Pod分布在不同的Node上,CoreDNS使用默认资源配置

压测结果：

Dnsperf Pod个数	CoreDNS pod个数	QPS	平均延迟	CoreDNS Cache设置	测试域名	丢包率	备注
1	1	26706	3ms	30s	外部域名	0%
1	1	38571	2ms	30s	内部域名	0%
2	1	33991	4ms	30s	外部域名	0.03%
2	1	41830	3ms	30s	内部域名	0.03%
1	1	534	187ms	0s	外部域名	0%
1	1	30620	3ms	0s	内部域名	0%
1	1	8515	11ms	0s	外部域名	0%	使用route53 resolver
2	1	811	216ms	0s	外部域名	0.03%
2	1	30886	4ms	0s	内部域名	0.03%
2	2	1060	188ms	0s	外部域名	0%
2	2	50152	3ms	0s	内部域名	0%

（备注：因为测试域名只有一个，未必能反应实际业务场景，实际数据会随着节点性能、CoreDNS的资源分配而有差异，其中Cache设置为0是为了测试缓存未命中的情况下CoreDNS的实际性能）

结果分析：

CoreDNS cache对外部域名查询性能影响很大

增加CoreDNS pod个数基本可以线性增加QPS

使用Route53 resolver可以提升单个CoreDNS Pod对外查询的QPS

总结

通过以上方法，在大规模EKS集群中在遇到DNS查询性能问题的时候，我们根据不同的场景可以采取不同的解决办法，能够有效的提升EKS集群处理大并发域名解析的能力。对应的场景和方案选取如下(几种优化措施可以同时启用)。

增加CoreDNS pod个数和使用Route 53 resolver的方式可以突破EC2单网卡查询请求DNS最大1024 QPS的限制，在单个CoreDNS达到QPS上限的时候可以使用。
使用NodeLocal DNSCache和增加CoreDNS cache的方式对可以命中缓存的查询可以有效的提升DNS查询QPS和性能。需要注意的是增加cache都会增加DNS的缓存时间，如果对DNS TTL敏感的应用需要平衡考量。
修改Ndots和启用autopath都是为了降低外部域名查询的时候的无效请求，Ndots的方式操作简单但可能会影响跨集群的应用调用，autopath会增加CoreDNS的内存占用，一般情况下选择一种配置即可。