IPv4/IPv6 双协议栈

Kubernetes 允许你配置单协议栈 IPv4 网络、单协议栈 IPv6 网络或同时激活这两种网络的双协议栈网络。本页说明具体配置方法。

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 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。)

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)。

特性状态: Kubernetes v1.27 [alpha]

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
    • 为 Service 分配 IPv4 和 IPv6 集群 IP 地址。
  • RequireDualStack:从 IPv4 和 IPv6 的地址范围分配 Service 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 Service 上的可选字段 .spec.ipFamilies 来选择地址族。

说明:

.spec.ipFamilies 字段修改是有条件的:你可以添加或删除第二个 IP 地址族, 但你不能更改现有 Service 的主要 IP 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.ipFamilyPolicySingleStack。 (无选择算符的 Service无头服务(Headless Service)的行为方式与此相同。)

    service/networking/dual-stack-default-svc.yamlIPv4/IPv6 双协议栈 - 图1

    1. apiVersion: v1
    2. kind: Service
    3. metadata:
    4. name: my-service
    5. labels:
    6. app.kubernetes.io/name: MyApp
    7. spec:
    8. selector:
    9. app.kubernetes.io/name: MyApp
    10. ports:
    11. - protocol: TCP
    12. 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.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.yamlIPv4/IPv6 双协议栈 - 图2

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

    service/networking/dual-stack-preferred-ipfamilies-svc.yamlIPv4/IPv6 双协议栈 - 图3

    1. apiVersion: v1
    2. kind: Service
    3. metadata:
    4. name: my-service
    5. labels:
    6. app.kubernetes.io/name: MyApp
    7. spec:
    8. ipFamilyPolicy: PreferDualStack
    9. ipFamilies:
    10. - IPv6
    11. - IPv4
    12. selector:
    13. app.kubernetes.io/name: MyApp
    14. ports:
    15. - protocol: TCP
    16. 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.ipFamilyPolicySingleStack 并设置 .spec.ipFamilies 为 Service 的当前地址族。

    service/networking/dual-stack-default-svc.yamlIPv4/IPv6 双协议栈 - 图4

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

    你可以通过使用 kubectl 检查现有 Service 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.kubernetes.io/name: 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.kubernetes.io/name: 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.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。

    service/networking/dual-stack-default-svc.yamlIPv4/IPv6 双协议栈 - 图5

    1. apiVersion: v1
    2. kind: Service
    3. metadata:
    4. name: my-service
    5. labels:
    6. app.kubernetes.io/name: MyApp
    7. spec:
    8. selector:
    9. app.kubernetes.io/name: 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.kubernetes.io/name: 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.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.ipFamilyPolicySingleStack 改为 PreferDualStackRequireDualStack。 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.ipFamilyPolicySingleStack 改为 PreferDualStack

    之前:

    1. spec:
    2. ipFamilyPolicy: SingleStack

    之后:

    1. spec:
    2. ipFamilyPolicy: PreferDualStack
  2. 要将 Service 从双栈更改为单栈,请将 .spec.ipFamilyPolicyPreferDualStackRequireDualStack 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.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:

  • .spec.type 字段设置为 LoadBalancer
  • .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 Service,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。

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。

说明:

Windows 上的 Overlay(VXLAN)网络支持双栈网络。

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