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IPv4/IPv6 双协议栈

特性状态: Kubernetes v1.23 [stable]

IPv4/IPv6 双协议栈网络能够将 IPv4 和 IPv6 地址分配给 PodService

从 1.21 版本开始,Kubernetes 集群默认启用 IPv4/IPv6 双协议栈网络, 以支持同时分配 IPv4 和 IPv6 地址。

支持的功能

Kubernetes 集群的 IPv4/IPv6 双协议栈可提供下面的功能:

  • 双协议栈 pod 网络 (每个 pod 分配一个 IPv4 和 IPv6 地址)
  • IPv4 和 IPv6 启用的服务
  • Pod 的集群外出口通过 IPv4 和 IPv6 路由

先决条件

为了使用 IPv4/IPv6 双栈的 Kubernetes 集群,需要满足以下先决条件:

  • Kubernetes 1.20 版本或更高版本,有关更早 Kubernetes 版本的使用双栈服务的信息, 请参考对应版本的 Kubernetes 文档。
  • 提供商支持双协议栈网络(云提供商或其他提供商必须能够为 Kubernetes 节点提供可路由的 IPv4/IPv6 网络接口)
  • 支持双协议栈的网络插件

配置 IPv4/IPv6 双协议栈

如果配置 IPv4/IPv6 双栈,请分配双栈集群网络:

  • kube-apiserver:
    • --service-cluster-ip-range=<IPv4 CIDR>,<IPv6 CIDR>
  • kube-controller-manager:
    • --cluster-cidr=<IPv4 CIDR>,<IPv6 CIDR>
    • --service-cluster-ip-range=<IPv4 CIDR>,<IPv6 CIDR>
    • --node-cidr-mask-size-ipv4|--node-cidr-mask-size-ipv6 对于 IPv4 默认为 /24, 对于 IPv6 默认为 /64
  • kube-proxy:
    • --cluster-cidr=<IPv4 CIDR>,<IPv6 CIDR>
  • kubelet:
    • 当没有 --cloud-provider 时,管理员可以通过 --node-ip 来传递逗号分隔的 IP 地址, 为该节点手动配置双栈 .status.addresses。 如果 Pod 以 HostNetwork 模式在该节点上运行,则 Pod 会用 .status.podIPs 字段来报告它的 IP 地址。 一个节点中的所有 podIP 都会匹配该节点的由 .status.addresses 字段定义的 IP 组。

服务

你可以使用 IPv4 或 IPv6 地址来创建 Service

服务的地址族默认为第一个服务集群 IP 范围的地址族(通过 kube-apiserver 的 --service-cluster-ip-range 参数配置)。

当你定义服务时,可以选择将其配置为双栈。若要指定所需的行为,你可以设置 .spec.ipFamilyPolicy 字段为以下值之一:

  • SingleStack:单栈服务。控制面使用第一个配置的服务集群 IP 范围为服务分配集群 IP。
  • PreferDualStack
    • 为服务分配 IPv4 和 IPv6 集群 IP 地址。
  • RequireDualStack:从 IPv4 和 IPv6 的地址范围分配服务的 .spec.ClusterIPs
    • 从基于在 .spec.ipFamilies 数组中第一个元素的地址族的 .spec.ClusterIPs 列表中选择 .spec.ClusterIP

如果你想要定义哪个 IP 族用于单栈或定义双栈 IP 族的顺序,可以通过设置 服务上的可选字段 .spec.ipFamilies 来选择地址族。

你可以设置 .spec.ipFamily 为以下任何数组值:

  • ["IPv4"]
  • ["IPv6"]
  • ["IPv4","IPv6"] (双栈)
  • ["IPv6","IPv4"] (双栈)

你所列出的第一个地址族用于原来的 .spec.ClusterIP 字段。

双栈服务配置场景

以下示例演示多种双栈服务配置场景下的行为。

新服务的双栈选项

  1. 此服务规约中没有显式设定 .spec.ipFamilyPolicy。当你创建此服务时,Kubernetes 从所配置的第一个 service-cluster-ip-range 种为服务分配一个集群IP,并设置 .spec.ipFamilyPolicySingleStack。 (无选择算符的服务无头服务的行为方式 与此相同。)

    apiVersion: v1
       kind: Service
       metadata:
         name: my-service
         labels:
           app.kubernetes.io/name: MyApp
       spec:
         selector:
           app.kubernetes.io/name: MyApp
         ports:
           - protocol: TCP
             port: 80
       
  1. 此服务规约显式地将 .spec.ipFamilyPolicy 设置为 PreferDualStack。 当你在双栈集群上创建此服务时,Kubernetes 会为该服务分配 IPv4 和 IPv6 地址。 控制平面更新服务的 .spec 以记录 IP 地址分配。 字段 .spec.ClusterIPs 是主要字段,包含两个分配的 IP 地址;.spec.ClusterIP 是次要字段, 其取值从 .spec.ClusterIPs 计算而来。

    • 对于 .spec.ClusterIP 字段,控制面记录来自第一个服务集群 IP 范围 对应的地址族的 IP 地址。
    • 对于单协议栈的集群,.spec.ClusterIPs.spec.ClusterIP 字段都 仅仅列出一个地址。
    • 对于启用了双协议栈的集群,将 .spec.ipFamilyPolicy 设置为 RequireDualStack 时,其行为与 PreferDualStack 相同。
    apiVersion: v1
       kind: Service
       metadata:
         name: my-service
         labels:
           app.kubernetes.io/name: MyApp
       spec:
         ipFamilyPolicy: PreferDualStack
         selector:
           app.kubernetes.io/name: MyApp
         ports:
           - protocol: TCP
             port: 80
       
  1. 下面的服务规约显式地在 .spec.ipFamilies 中指定 IPv6IPv4,并 将 .spec.ipFamilyPolicy 设定为 PreferDualStack。 当 Kubernetes 为 .spec.ClusterIPs 分配一个 IPv6 和一个 IPv4 地址时, .spec.ClusterIP 被设置成 IPv6 地址,因为它是 .spec.ClusterIPs 数组中的第一个元素, 覆盖其默认值。

    apiVersion: v1
       kind: Service
       metadata:
         name: my-service
         labels:
           app.kubernetes.io/name: MyApp
       spec:
         ipFamilyPolicy: PreferDualStack
         ipFamilies:
         - IPv6
         - IPv4
         selector:
           app.kubernetes.io/name: MyApp
         ports:
           - protocol: TCP
             port: 80
       

现有服务的双栈默认值

下面示例演示了在服务已经存在的集群上新启用双栈时的默认行为。 (将现有集群升级到 1.21 或者更高版本会启用双协议栈支持。)

  1. 在集群上启用双栈时,控制面会将现有服务(无论是 IPv4 还是 IPv6)配置 .spec.ipFamilyPolicySingleStack 并设置 .spec.ipFamilies 为服务的当前地址族。

    apiVersion: v1
       kind: Service
       metadata:
         name: my-service
         labels:
           app.kubernetes.io/name: MyApp
       spec:
         selector:
           app.kubernetes.io/name: MyApp
         ports:
           - protocol: TCP
             port: 80
       

    你可以通过使用 kubectl 检查现有服务来验证此行为。

    kubectl get svc my-service -o yaml
    
    apiVersion: v1
    kind: Service
    metadata:
      labels:
        app.kubernetes.io/name: MyApp
      name: my-service
    spec:
      clusterIP: 10.0.197.123
      clusterIPs:
      - 10.0.197.123
      ipFamilies:
      - IPv4
      ipFamilyPolicy: SingleStack
      ports:
      - port: 80
        protocol: TCP
        targetPort: 80
      selector:
        app.kubernetes.io/name: MyApp
      type: ClusterIP
    status:
      loadBalancer: {}
    
  1. 在集群上启用双栈时,带有选择算符的现有 无头服务 由控制面设置 .spec.ipFamilyPolicySingleStack 并设置 .spec.ipFamilies 为第一个服务集群 IP 范围的地址族(通过配置 kube-apiserver 的 --service-cluster-ip-range 参数),即使 .spec.ClusterIP 的设置值为 None 也如此。

    apiVersion: v1
       kind: Service
       metadata:
         name: my-service
         labels:
           app.kubernetes.io/name: MyApp
       spec:
         selector:
           app.kubernetes.io/name: MyApp
         ports:
           - protocol: TCP
             port: 80
       

    你可以通过使用 kubectl 检查带有选择算符的现有无头服务来验证此行为。

    kubectl get svc my-service -o yaml
    
    apiVersion: v1
    kind: Service
    metadata:
      labels:
        app.kubernetes.io/name: MyApp
      name: my-service
    spec:
      clusterIP: None
      clusterIPs:
      - None
      ipFamilies:
      - IPv4
      ipFamilyPolicy: SingleStack
      ports:
      - port: 80
        protocol: TCP
        targetPort: 80
      selector:
        app.kubernetes.io/name: MyApp
    

在单栈和双栈之间切换服务

服务可以从单栈更改为双栈,也可以从双栈更改为单栈。

  1. 要将服务从单栈更改为双栈,根据需要将 .spec.ipFamilyPolicySingleStack 改为 PreferDualStackRequireDualStack。 当你将此服务从单栈更改为双栈时,Kubernetes 将分配缺失的地址族, 以便现在该服务具有 IPv4 和 IPv6 地址。 编辑服务规约将 .spec.ipFamilyPolicySingleStack 改为 PreferDualStack

    之前:

    spec:
      ipFamilyPolicy: SingleStack
    

    之后:

    spec:
      ipFamilyPolicy: PreferDualStack
    
  1. 要将服务从双栈更改为单栈,请将 .spec.ipFamilyPolicyPreferDualStackRequireDualStack 改为 SingleStack。 当你将此服务从双栈更改为单栈时,Kubernetes 只保留 .spec.ClusterIPs 数组中的第一个元素,并设置 .spec.ClusterIP 为那个 IP 地址, 并设置 .spec.ipFamilies.spec.ClusterIPs 地址族。

无选择算符的无头服务

对于不带选择算符的无头服务, 若没有显式设置 .spec.ipFamilyPolicy,则 .spec.ipFamilyPolicy 字段默认设置为 RequireDualStack

LoadBalancer 类型服务

要为你的服务提供双栈负载均衡器:

  • .spec.type 字段设置为 LoadBalancer
  • .spec.ipFamilyPolicy 字段设置为 PreferDualStack 或者 RequireDualStack

出站流量

如果你要启用出站流量,以便使用非公开路由 IPv6 地址的 Pod 到达集群外地址 (例如公网),则需要通过透明代理或 IP 伪装等机制使 Pod 使用公共路由的 IPv6 地址。 ip-masq-agent项目 支持在双栈集群上进行 IP 伪装。

Windows 支持

Windows 上的 Kubernetes 不支持单栈“仅 IPv6” 网络。 然而, 对于 Pod 和节点而言,仅支持单栈形式服务的双栈 IPv4/IPv6 网络是被支持的。

你可以使用 l2bridge 网络来实现 IPv4/IPv6 双栈联网。

关于 Windows 的不同网络模式,你可以进一步阅读 Windows 上的网络

接下来