KubernetesでCoreDNSを使うメリット・デメリットと具体的な設定例

KubernetesにおけるCoreDNSの活用：メリット・デメリット、詳細な設定例

Kubernetes環境において、コンテナ化されたアプリケーション間のサービスディスカバリとDNS解決は不可欠な要素です。CoreDNSは、Kubernetesクラスタ内で標準的なDNSサーバーとして広く採用されており、柔軟性と拡張性を提供します。本記事では、CoreDNSをKubernetesで使用するメリットとデメリットを詳細に解説し、具体的な設定例を通して、その活用方法を深く掘り下げていきます。

1. はじめに：KubernetesにおけるDNSの重要性

Kubernetesクラスタは、複雑なマイクロサービスアーキテクチャを効率的に管理するために設計されています。マイクロサービスは、それぞれが独立したコンテナとしてデプロイされ、互いに連携してアプリケーション全体を構成します。これらのサービスが連携するためには、互いの場所（IPアドレスやポート）を知る必要があります。従来の静的なIPアドレスによる管理では、コンテナの動的な生成・削除やスケールアウトに対応できません。

そこで登場するのがDNSです。KubernetesにおけるDNSは、以下の重要な役割を果たします。

• サービスディスカバリ: Kubernetesサービスの名前（例：my-service.my-namespace.svc.cluster.local）を、対応するPodのIPアドレスに解決します。これにより、アプリケーションはサービス名を使用して他のサービスにアクセスでき、PodのIPアドレスの変更を意識する必要がありません。
• 内部通信の簡素化: コンテナ間の通信を、サービス名を通じて行うことで、設定の複雑さを軽減し、保守性を向上させます。
• 外部DNSとの統合: クラスタ内のDNSサーバーを外部のDNSサーバーと連携させることで、クラスタ内のサービスを外部からアクセス可能にしたり、外部のドメイン名をクラスタ内のサービスに解決したりできます。

これらの役割を担うDNSサーバーとして、CoreDNSはKubernetesの標準的な選択肢となっています。

2. CoreDNSとは？

CoreDNSは、柔軟性と拡張性を重視して設計された、Go言語で記述されたDNSサーバーです。従来のBINDなどのDNSサーバーと比較して、軽量でコンテナ化に適しており、プラグインアーキテクチャによって機能を拡張できます。Kubernetesクラスタにおいては、CoreDNSは通常、kube-system名前空間にPodとしてデプロイされ、クラスタ内のDNSリクエストを処理します。

3. CoreDNSをKubernetesで使用するメリット

CoreDNSをKubernetesで使用することには、多くのメリットがあります。

• 軽量で高速: Go言語で記述されており、メモリ使用量とCPU使用量が少ないため、リソース制約のある環境でも効率的に動作します。起動も速く、Kubernetes環境の変化に迅速に対応できます。
• プラグインアーキテクチャ: CoreDNSの機能は、プラグインと呼ばれるモジュールによって拡張できます。これにより、必要な機能だけを有効にすることで、不要なオーバーヘッドを削減し、パフォーマンスを向上させることができます。
• Kubernetesとの統合: CoreDNSは、Kubernetesのサービスディスカバリと密接に統合されています。Kubernetesのサービス、Pod、エンドポイントなどの情報を自動的に取得し、DNSレコードを生成・更新します。
• カスタム設定の容易さ: Corefileと呼ばれる設定ファイルを使用して、CoreDNSの動作を柔軟にカスタマイズできます。プラグインの有効化、ゾーンの定義、リゾルバの設定など、様々な設定をGUI無しで行うことができます。
• 豊富なプラグイン: CoreDNSには、様々な用途に合わせたプラグインが用意されています。例えば、kubernetesプラグインはKubernetesのサービスディスカバリを、forwardプラグインは外部DNSサーバーへのリクエスト転送を、cacheプラグインはDNSレコードのキャッシュをそれぞれ担当します。
• オープンソース: CoreDNSはオープンソースソフトウェアであり、コミュニティによって開発・サポートされています。そのため、自由に利用・カスタマイズでき、問題が発生した場合にもコミュニティのサポートを受けることができます。
• CNIとの統合: CoreDNSは、Container Network Interface (CNI) プラグインと連携して、PodのIPアドレスを自動的に検出します。これにより、PodのIPアドレスが変わった場合でも、DNSレコードが自動的に更新され、アプリケーションは常に最新のIPアドレスを使用できます。
• 動的な設定更新: CoreDNSは、ConfigMapを介して設定を動的に更新できます。ConfigMapを更新すると、CoreDNSは自動的に再起動し、新しい設定を適用します。これにより、設定変更のためにPodを再起動する必要がなくなり、アプリケーションの可用性を向上させることができます。
• Service Discoveryの標準: Kubernetesのサービスディスカバリの事実上の標準となっており、広く採用されているため、関連情報やドキュメントが豊富です。
• 容易なデバッグ: CoreDNSは、ロギングとメトリクスの機能を備えており、問題が発生した場合に容易にデバッグできます。Prometheusなどのモニタリングツールと連携することで、CoreDNSのパフォーマンスを監視し、潜在的な問題を早期に発見できます。

4. CoreDNSをKubernetesで使用するデメリット

CoreDNSは多くのメリットを提供しますが、いくつかのデメリットも考慮する必要があります。

• 設定の複雑さ: Corefileによる設定は、柔軟性を提供する一方で、複雑になりがちです。特に、高度な設定を行う場合は、CoreDNSのプラグインや設定オプションについて深く理解する必要があります。
• 学習コスト: CoreDNSのアーキテクチャや設定方法を理解するには、ある程度の学習コストが必要です。特に、従来のBINDなどのDNSサーバーに慣れている場合は、CoreDNSのプラグインアーキテクチャやCorefileの構文に慣れる必要があります。
• トラブルシューティングの難易度: 問題が発生した場合、Corefileの設定ミスやプラグインの不具合など、原因の特定が難しい場合があります。ロギングやメトリクスの機能を活用して、問題を特定する必要があります。
• 依存関係: CoreDNSは、KubernetesのAPIサーバーに依存しています。APIサーバーがダウンした場合、CoreDNSも正常に動作しなくなる可能性があります。
• デフォルト設定の変更: Kubernetesが提供するデフォルト設定は、一般的なユースケースに合わせて最適化されていますが、特定の要件を満たさない場合があります。必要に応じて、Corefileをカスタマイズする必要があります。
• プラグインの選択: 必要な機能を実装するために、適切なプラグインを選択する必要があります。プラグインの選択を誤ると、パフォーマンスの低下やセキュリティ上の問題を引き起こす可能性があります。
• バージョンアップ時の注意: CoreDNSのバージョンアップを行う際には、互換性の問題が発生する可能性があります。特に、カスタムプラグインを使用している場合は、バージョンアップ後に動作確認を行う必要があります。

5. CoreDNSの設定：Corefileの詳細

CoreDNSの設定は、Corefileと呼ばれる設定ファイルで行います。Corefileは、ゾーンとプラグインのリストを記述したテキストファイルです。Corefileの構文は、比較的シンプルですが、高度な設定を行う場合は、各プラグインの設定オプションについて深く理解する必要があります。

以下は、Corefileの基本的な構成要素です。

• ゾーン: ゾーンは、DNSレコードを管理するドメイン名です。例えば、cluster.localは、Kubernetesクラスタ内のDNSレコードを管理するゾーンです。
• プラグイン: プラグインは、CoreDNSの機能を拡張するモジュールです。例えば、kubernetesプラグインはKubernetesのサービスディスカバリを、forwardプラグインは外部DNSサーバーへのリクエスト転送をそれぞれ担当します。
• 設定オプション: 各プラグインには、様々な設定オプションがあります。例えば、kubernetesプラグインには、pods、namespaces、endpoint_controllerなどのオプションがあります。

以下は、KubernetesクラスタにおけるCoreDNSのデフォルトのCorefileの例です。

.:53 {
errors
health {
lameduck 5
}
ready
kubernetes cluster.local in-addr.arpa ip6.arpa {
pods verified
namespaces ignore my-namespace
endpoint_controller
fallthrough in-addr.arpa ip6.arpa
}
prometheus :9153
forward . /etc/resolv.conf {
prefer_udp
}
cache 30
loop
reload
loadbalance
}

このCorefileの内容を詳細に解説します。

• .:53: CoreDNSがリッスンするポートを指定します。この例では、ポート53で全てのアドレスからのリクエストを受け付けます。
• errors: エラーログを有効にします。
• health: CoreDNSのヘルスチェックエンドポイントを設定します。lameduck 5は、シャットダウン時に5秒間だけヘルスチェックに失敗するように設定します。
• ready: CoreDNSのレディネスプローブエンドポイントを設定します。
• kubernetes cluster.local in-addr.arpa ip6.arpa: kubernetesプラグインを有効にし、Kubernetesのサービスディスカバリを設定します。cluster.local、in-addr.arpa、ip6.arpaは、それぞれKubernetesのクラスタドメイン、IPv4逆引きDNS、IPv6逆引きDNSのゾーンを表します。
  • pods verified: PodのIPアドレスが有効であることを確認します。
  • namespaces ignore my-namespace: my-namespace名前空間のサービスを無視します。
  • endpoint_controller: エンドポイントコントローラを有効にします。
  • fallthrough in-addr.arpa ip6.arpa: in-addr.arpaとip6.arpaゾーンへのリクエストを、次のプラグインにフォールスルーします。
• prometheus :9153: Prometheusメトリクスを有効にします。ポート9153でメトリクスを公開します。
• forward . /etc/resolv.conf: 外部DNSサーバーへのリクエストを転送します。/etc/resolv.confに記述されたDNSサーバーを使用します。
  • prefer_udp: UDPプロトコルを優先します。
• cache 30: DNSレコードを30秒間キャッシュします。
• loop: ループ検出を有効にします。
• reload: Corefileの変更を検出し、自動的に再ロードします。
• loadbalance: 複数のバックエンドサーバーがある場合に、リクエストをロードバランスします。

6. CoreDNSの設定例

ここでは、いくつかの具体的な設定例を通して、CoreDNSの活用方法を説明します。

6.1 特定の名前空間を無視する

kubernetesプラグインのnamespacesオプションを使用すると、特定の名前空間のサービスを無視できます。

kubernetes cluster.local {
namespaces ignore my-namespace
fallthrough
}

この設定では、my-namespace名前空間のサービスはDNSに登録されません。

6.2 特定のドメイン名を外部DNSサーバーに転送する

forwardプラグインを使用すると、特定のドメイン名へのリクエストを外部DNSサーバーに転送できます。

forward example.com 8.8.8.8 8.8.4.4

この設定では、example.comドメインへのリクエストは、Google Public DNS (8.8.8.8と8.8.4.4) に転送されます。

6.3 スタブゾーンの設定

スタブゾーンは、特定のドメイン名に対する権威サーバーの情報を保持するゾーンです。stubzonesプラグインを使用すると、スタブゾーンを設定できます。

stubzones {
example.com 192.168.1.10
}

この設定では、example.comドメインの権威サーバーは、192.168.1.10であると設定されます。

6.4 ホストファイルを読み込む

hostsプラグインを使用すると、ホストファイルを読み込むことができます。

hosts {
192.168.1.10 my-service.local
fallthrough
}

この設定では、my-service.localという名前で192.168.1.10にアクセスできます。

6.5 DNSレコードの追加

fileプラグインを使用すると、DNSレコードをファイルから読み込むことができます。

まず、DNSレコードを記述したファイルを作成します (例: db.example.com)。

“`
$ORIGIN example.com.
$TTL 3600

@ IN SOA ns1.example.com. admin.example.com. (
2023102701 ; serial
3600 ; refresh
1800 ; retry
604800 ; expire
86400 ; minimum
)

@ IN NS ns1.example.com.
ns1 IN A 192.168.1.10
www IN A 192.168.1.20
“`

次に、Corefileでfileプラグインを設定します。

file /etc/coredns/db.example.com {
transfer to *
}

この設定では、/etc/coredns/db.example.comファイルからDNSレコードを読み込みます。

7. CoreDNSのトラブルシューティング

CoreDNSに問題が発生した場合、以下の手順でトラブルシューティングを行います。

• CoreDNSのログを確認する: CoreDNSのログには、エラーメッセージや警告メッセージが出力されます。これらのメッセージを分析することで、問題の原因を特定できます。
• DNSクエリを実行する: nslookupやdigなどのコマンドを使用して、DNSクエリを実行し、CoreDNSが正しく応答しているか確認します。
• Corefileの設定を確認する: Corefileの設定に誤りがないか確認します。特に、プラグインの設定オプションやゾーンの定義に誤りがないか注意します。
• CoreDNSのPodの状態を確認する: CoreDNSのPodが正常に実行されているか確認します。Podがクラッシュしている場合は、Podのログを確認し、原因を特定します。
• KubernetesのAPIサーバーの状態を確認する: CoreDNSはKubernetesのAPIサーバーに依存しています。APIサーバーがダウンしている場合は、CoreDNSも正常に動作しなくなる可能性があります。

8. CoreDNSのモニタリング

CoreDNSのパフォーマンスを監視するために、Prometheusなどのモニタリングツールと連携することができます。CoreDNSは、Prometheus形式のメトリクスを公開しており、これらのメトリクスをPrometheusで収集し、Grafanaで可視化することで、CoreDNSのパフォーマンスを詳細に分析できます。

監視するべき主なメトリクスは以下の通りです。

• coredns_dns_request_count_total: DNSリクエストの総数
• coredns_dns_request_duration_seconds: DNSリクエストの処理時間
• coredns_cache_entries: DNSキャッシュのエントリ数
• coredns_forward_health_check_failures_total: 外部DNSサーバーへのヘルスチェックの失敗回数

9. CoreDNSのセキュリティ

CoreDNSをセキュアに運用するために、以下の対策を講じることが重要です。

• アクセス制御: CoreDNSへのアクセスを制限し、許可されたクライアントのみがDNSクエリを実行できるようにします。KubernetesのNetworkPolicyを使用して、CoreDNSへのアクセスを制御できます。
• DNSSEC: DNSSEC (DNS Security Extensions) を使用して、DNSレスポンスの整合性を検証します。DNSSECを使用すると、DNSキャッシュポイズニングなどの攻撃を防ぐことができます。
• 最新バージョンへのアップデート: CoreDNSを常に最新バージョンにアップデートし、セキュリティ脆弱性を修正します。
• 不必要なプラグインの無効化: 不要なプラグインは無効化し、攻撃対象領域を最小限に抑えます。
• ロギングの有効化: ロギングを有効にし、セキュリティインシデントが発生した場合に、ログを分析して原因を特定できるようにします。
• 認証と認可: CoreDNSへのアクセスに認証と認可を導入し、不正なアクセスを防止します。

10. まとめ

CoreDNSは、Kubernetesクラスタにおいて、柔軟性と拡張性を提供する標準的なDNSサーバーです。CoreDNSをKubernetesで使用することで、サービスディスカバリ、内部通信の簡素化、外部DNSとの統合など、多くのメリットを享受できます。一方、設定の複雑さや学習コストなどのデメリットも考慮する必要があります。本記事で解説した設定例やトラブルシューティングの手順を参考に、CoreDNSを効果的に活用し、Kubernetesクラスタの安定性とパフォーマンスを向上させてください。

CoreDNSの設定は、Corefileと呼ばれる設定ファイルで行います。Corefileは、ゾーンとプラグインのリストを記述したテキストファイルです。Corefileの構文は、比較的シンプルですが、高度な設定を行う場合は、各プラグインの設定オプションについて深く理解する必要があります。

本記事が、Kubernetes環境におけるCoreDNSの理解と活用の一助となれば幸いです。今後もCoreDNSは進化を続け、より高度な機能やセキュリティ対策が導入されることが期待されます。最新の情報にアンテナを張り、CoreDNSを最大限に活用することで、Kubernetesクラスタの運用をさらに効率化できるでしょう。