IPv4/IPv6 双协议栈

FEATURE STATE: Kubernetes v1.21 [beta]

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（如 Kubenet 或 Calico）

配置 IPv4/IPv6 双协议栈

要使用 IPv4/IPv6 双协议栈，确保为集群的相关组件启用 IPv6DualStack 特性门控， （从 1.21 版本开始，IPv4/IPv6 双协议栈默认是被启用的）。

  • 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>

说明：

IPv4 CIDR 的一个例子：10.244.0.0/16（尽管你会提供你自己的地址范围）。

IPv6 CIDR 的一个例子：fdXY:IJKL:MNOP:15::/64 （这里演示的是格式而非有效地址 - 请看 RFC 4193）。

从 1.21 开始 IPv4/IPv6 双协议栈默认为启用状态。 你可以在必要的时候通过为 kube-apiserver、kube-controller-manager、kubelet 和 kube-proxy 命令行设置 --feature-gates="IPv6DualStack=false" 来禁用 此特性。

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。 （如果集群设置了 --feature-gates="IPv6DualStack=false"，则此设置的行为与 SingleStack 设置相同。）
  • 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。

说明：

.spec.ipFamilies 字段是不可变的，因为系统无法为已经存在的服务重新分配 .spec.ClusterIP。如果你想改变 .spec.ipFamilies，则需要删除并重新创建服务。

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.ipFamilyPolicy 为 SingleStack。 （无选择算符的服务 和无头服务的行为方式 与此相同。）

    service/networking/dual-stack-default-svc.yaml IPv4/IPv6 双协议栈 - 图1

    1. apiVersion: v1
    2. kind: Service
    3. metadata:
    4.   name: my-service
    5.   labels:
    6.     app: MyApp
    7. spec:
    8.   selector:
    9.     app: MyApp
    10.   ports:
    11.     - protocol: TCP
    12.       port: 80

  2. 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 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 IPv4/IPv6 双协议栈 - 图2

    1. apiVersion: v1
    2. kind: Service
    3. metadata:
    4.   name: my-service
    5.   labels:
    6.     app: MyApp
    7. spec:
    8.   ipFamilyPolicy: PreferDualStack
    9.   selector:
    10.     app: MyApp
    11.   ports:
    12.     - protocol: TCP
    13.       port: 80

  3. 下面的服务规约显式地在 .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 IPv4/IPv6 双协议栈 - 图3

    1. apiVersion: v1
    2. kind: Service
    3. metadata:
    4.   name: my-service
    5.   labels:
    6.     app: MyApp
    7. spec:
    8.   ipFamilyPolicy: PreferDualStack
    9.   ipFamilies:
    10.   - IPv6
    11.   - IPv4
    12.   selector:
    13.     app: MyApp
    14.   ports:
    15.     - protocol: TCP
    16.       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 会启用双协议栈支持，除非设置了 --feature-gates="IPv6DualStack=false"）

  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.ipFamilyPolicy 为 SingleStack 并设置 .spec.ipFamilies 为服务的当前地址族。

    service/networking/dual-stack-default-svc.yaml IPv4/IPv6 双协议栈 - 图4

    1. apiVersion: v1
    2. kind: Service
    3. metadata:
    4.   name: my-service
    5.   labels:
    6.     app: MyApp
    7. spec:
    8.   selector:
    9.     app: MyApp
    10.   ports:
    11.     - protocol: TCP
    12.       port: 80

    你可以通过使用 kubectl 检查现有服务来验证此行为。

    1. kubectl get svc my-service -o yaml
    1. apiVersion: v1
    2. kind: Service
    3. metadata:
    4.   labels:
    5.     app: MyApp
    6.   name: my-service
    7. spec:
    8.   clusterIP: 10.0.197.123
    9.   clusterIPs:
    10.   - 10.0.197.123
    11.   ipFamilies:
    12.   - IPv4
    13.   ipFamilyPolicy: SingleStack
    14.   ports:
    15.   - port: 80
    16.     protocol: TCP
    17.     targetPort: 80
    18.   selector:
    19.     app: MyApp
    20.   type: ClusterIP
    21. status:
    22.   loadBalancer: {}

  2. 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.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 IPv4/IPv6 双协议栈 - 图5

    1. apiVersion: v1
    2. kind: Service
    3. metadata:
    4.   name: my-service
    5.   labels:
    6.     app: MyApp
    7. spec:
    8.   selector:
    9.     app: MyApp
    10.   ports:
    11.     - protocol: TCP
    12.       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。

    1. kubectl get svc my-service -o yaml
    1. apiVersion: v1
    2. kind: Service
    3. metadata:
    4.   labels:
    5.     app: MyApp
    6.   name: my-service
    7. spec:
    8.   clusterIP: None
    9.   clusterIPs:
    10.   - None
    11.   ipFamilies:
    12.   - IPv4
    13.   ipFamilyPolicy: SingleStack
    14.   ports:
    15.   - port: 80
    16.     protocol: TCP
    17.     targetPort: 80
    18.   selector:
    19.     app: 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.ipFamilyPolicy 从 SingleStack 改为 PreferDualStack 或 RequireDualStack。 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.ipFamilyPolicy 从 SingleStack 改为 PreferDualStack。

    之前：

    1. spec:
    2.   ipFamilyPolicy: SingleStack

    之后：

    1. spec:
    2.   ipFamilyPolicy: PreferDualStack

  2. 要将服务从双栈更改为单栈，请将 .spec.ipFamilyPolicy 从 PreferDualStack 或 RequireDualStack 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 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 类型服务

要为你的服务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

说明：

为了使用双栈的负载均衡器类型服务，你的云驱动必须支持 IPv4 和 IPv6 的负载均衡器。

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。

说明：

确认你的 CNI 驱动支持 IPv6。

接下来