IPv4/IPv6 双协议栈

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

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 Service
• 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 Service 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：
  • --node-ip=<IPv4 IP>,<IPv6 IP>
    • 裸机双栈节点（未使用 --cloud-provider 标志定义云平台的节点）需要此选项。 如果你使用了某个云平台并选择覆盖云平台所选择的节点 IP，请设置 --node-ip 选项。
    • （传统的内置云平台实现不支持双栈 --node-ip 。）

Service

你可以使用 IPv4 或 IPv6 地址来创建 Service 。

Service 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 Service 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 Service。控制面使用第一个配置的服务集群 IP 范围为 Service 分配集群 IP。
• PreferDualStack ：启用双栈时，为 Service 同时分配 IPv4 和 IPv6 集群 IP 地址。 如果双栈未被启用或不被支持，则会返回到单栈行为。
• RequireDualStack ：启用双栈时，同时从 IPv4 和 IPv6 的地址范围中分配 Service 的 .spec.ClusterIPs 。 如果双栈未被启用或不被支持，则 Service API 对象创建失败。
  • 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 Service 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 Service 配置场景

以下示例演示多种双栈 Service 配置场景下的行为。

新 Service 的双栈选项

1. 此 Service 规约中没有显式设定 .spec.ipFamilyPolicy 。当你创建此 Service 时，Kubernetes 从所配置的第一个 service-cluster-ip-range 中为 Service 分配一个集群 IP，并设置 .spec.ipFamilyPolicy 为 SingleStack 。 （ 无选择算符的 Service 和 无头服务（Headless Service） 的行为方式与此相同。）

   service/networking/dual-stack-default-svc.yaml

   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
   

2. 此 Service 规约显式地将 .spec.ipFamilyPolicy 设置为 PreferDualStack 。 当你在双栈集群上创建此 Service 时，Kubernetes 会为此 Service 分配 IPv4 和 IPv6 地址。 控制平面更新 Service 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 和 .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。
   service/networking/dual-stack-preferred-svc.yaml

   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
   

3. 下面的 Service 规约显式地在 .spec.ipFamilies 中指定 IPv6 和 IPv4 ，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。

   service/networking/dual-stack-preferred-ipfamilies-svc.yaml

   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 Service 的双栈默认值

下面示例演示了在 Service 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 Service（无论是 IPv4 还是 IPv6 ）配置 .spec.ipFamilyPolicy 为 SingleStack 并设置 .spec.ipFamilies 为 Service 的当前地址族。

   service/networking/dual-stack-default-svc.yaml

   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 Service 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: {}
   

2. 在集群上启用双栈时，带有选择算符的现有 由控制面设置 .spec.ipFamilyPolicy 为 SingleStack 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。

   service/networking/dual-stack-default-svc.yaml

   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 Service

Service 可以从单栈更改为双栈，也可以从双栈更改为单栈。

1. 要将 Service 从单栈更改为双栈，根据需要将 .spec.ipFamilyPolicy 从 SingleStack 改为 PreferDualStack 或 RequireDualStack 。 当你将此 Service 从单栈更改为双栈时，Kubernetes 将分配缺失的地址族， 以便现在此 Service具有 IPv4 和 IPv6 地址。 编辑 Service 规约将 .spec.ipFamilyPolicy 从 SingleStack 改为 PreferDualStack 。

   之前：

   spec:
     ipFamilyPolicy: SingleStack
   

   之后：

   spec:
     ipFamilyPolicy: PreferDualStack
   

2. 要将 Service 从双栈更改为单栈，请将 .spec.ipFamilyPolicy 从 PreferDualStack 或 RequireDualStack 改为 SingleStack 。 当你将此 Service 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 为 .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 Service

要为你的 Service 提供双栈负载均衡器：

• 将 .spec.type 字段设置为 LoadBalancer
• 将 .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 Service 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

• 验证 IPv4/IPv6 双协议栈 网络
• 使用 kubeadm 启用双协议栈网络