如何解决 Kubernetes 的 DNS 延迟问题

由于 Linux 内核中的缺陷，在 Kubernetes 集群中你很可能会碰到恼人的 DNS 间歇性 5 秒延迟问题（社区 issue 为 #56903^[1]）。虽然 issue 已经关闭了，但并不是说这个问题已经完全解决了，所以在管理和维护 Kubernetes 集群时，我们需要注意绕开这个缺陷。

为什么会有 DNS 间歇性延迟问题

为什么在 Kubernetes 集群会碰到这个间歇性 5 延迟的问题呢？Weave works 发布了一篇博客Racy conntrack and DNS lookup timeouts^[2]详细介绍了问题的原因。

简单来说，由于 UDP 是无连接的，内核 netfilter 模块在处理同一个 socket 上的并发 UDP 包时就可能会有三个竞争问题。以下面的 conntrack 和 DNAT 工作流程为例：

1. 两个 UDP 包在第一步 nf_conntrack_in 中都没有找到 conntrack 记录，所以两个不同的包就会去创建相同的 conntrack 记录（注意五元组是相同的）。
2. 一个 UDP 包还没有调用 get_unique_tuple 时 conntrack 记录就已经被另一个 UDP 包确认了。
3. 两个 UDP 包在 ipt_do_table 中选择了两个不同端点的 DNAT 规则。

所有这三种场景都会导致最后一步 __nf_conntrack_confirm 失败，从而一个 UDP 包被丢弃。由于 GNU C 库和 musl libc 库在查询 DNS 时，都会同时发出 A 和 AAAA DNS 查询，由于上述的内核竞争问题，就可能会发生其中一个包被丢掉的问题。丢弃之后客户端会超时重试，超时时间通常是 5 秒。

上述的第三个问题至今还没有修复，而前两个问题则已经修复了，分别包含在 5.0 和 4.19 中：

1. netfilter: nf_nat: skip nat clash resolution for same-origin entries^[3] (包含在内核 v5.0 中)
2. netfilter: nf_conntrack: resolve clash for matching conntracks^[4] (包含在内核 v4.19 中)

在公有云中，这些补丁有可能也会包含在旧的内核版本中。比如在 Azure 上，这两个问题已经包含在 v4.15.0-1030.31 和 v4.18.0-1006.6 中。

如何避免这个问题

要避免 DNS 延迟的问题，就要设法绕开上述三个问题，所以就有下面几种方法：

1. 禁止并发 DNS 查询，比如在 Pod 配置中开启 single-request-reopen 选项强制 A 查询和 AAAA 查询使用相同的 socket：

dnsConfig:
  options:
    - name: single-request-reopen

1. 禁用 IPv6 从而避免 AAAA 查询，比如可以给 Grub 配置 ipv6.disable=1 来禁止 ipv6（需要重启节点才可以生效）。

2. 使用 TCP 协议，比如在 Pod 配置中开启 use-vc 选项强制 DNS 查询使用 TCP 协议：

dnsConfig:
  options:
    - name: single-request-reopen
    - name: ndots
      value: "5"
    - name: use-vc

1. 使用 Nodelocal DNS Cache^[5]，所有 Pod 的 DNS 查询都通过本地的 DNS 缓存查询，避免了 DNAT，从而也绕开了内核中的竞争问题。你可以执行下面的命令来部署它（注意它会修改 Kubelet 配置并重启 Kubelet）：

kubectl apply -f https://github.com/feiskyer/kubernetes-handbook/raw/master/examples/nodelocaldns/nodelocaldns-kubenet.yaml

参考资料