Kubernetes(k8s)手册 Kubernetes IPv4/IPv6 双协议栈

2024-02-25 开发教程 Kubernetes(k8s)手册匿名 0℃

IPv4/IPv6 双协议栈

FEATURE STATE: Kubernetes v1.23 [stable]

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

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。

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）。

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。

.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

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。）

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

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。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
  labels:
    app: MyApp
spec:
  ipFamilyPolicy: PreferDualStack
  selector:
    app: MyApp
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80

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。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
  labels:
    app: MyApp
spec:
  ipFamilyPolicy: PreferDualStack
  ipFamilies:
  - IPv6
  - IPv4
  selector:
    app: 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。）

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。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
  labels:
    app: MyApp
spec:
  selector:
    app: 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: 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: MyApp
  type: ClusterIP
status:
  loadBalancer: {}

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。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
  labels:
    app: MyApp
spec:
  selector:
    app: 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: MyApp
  name: my-service
spec:
  clusterIP: None
  clusterIPs:
  - None
  ipFamilies:
  - IPv4
  ipFamilyPolicy: SingleStack
  ports:
  - port: 80
    protocol: TCP
    targetPort: 80
  selector:
    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。

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：

spec:
  ipFamilyPolicy: SingleStack

之后：

spec:
  ipFamilyPolicy: PreferDualStack

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

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。

确认你的 CNI 驱动支持 IPv6。

上一节： Kubernetes 网络策略

下一节： Kubernetes 卷

"Kubernetes(k8s)手册"的目录