1 IPv4/IPv6 双协议栈特性 

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。

1.1 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

1.2 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

1.3 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=,
• kube-controller-manager:
  • --cluster-cidr=,
  • --service-cluster-ip-range=,
  • --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=,
• 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。

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）。

1.4 Service配置双栈IP

        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。

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。

1.4.1 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。

1.4.1.1 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 中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 

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 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

1. 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 

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

1.4.1.2 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.ipFamilyPolicy 为 SingleStack 并设置 .spec.ipFamilies 为服务的当前地址族。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 检查现有服务来验证此行为。

kubectl get svc my-service -o yamlapiVersion: 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.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 yamlapiVersion: 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

1.4.1.3 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：

spec: ipFamilyPolicy: SingleStack

之后：

spec: 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。

1.4.2 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。

1.4.3 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。

1.5 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。

1.6 Windows 支持情况

        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。

说明：Windows 上的 Overlay (VXLAN) 网络不支持双栈网络。

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

参考资料

k8s支持IPv4/ipv6双栈_六六哒的博客-CSDN博客_k8s ipv6

Kubernetes（k8s）实现IPv4/IPv6网络双栈_小陈运维的博客-CSDN博客

Kubernetes（k8s）实现IPv4/IPv6网络双栈 - 知乎

实战直击：Kubernetes启用网络双栈，实现IPv4到IPv6平滑过渡 - 知乎

k8s网络模型-IPv4/IPv6 双协议栈 - OomSpot

二进制安装Kubernetes（k8s）v1.24.0 IPv4/IPv6双栈（三主俩从）_腾讯新闻

二进制安装Kubernetes（k8s） v1.24.3 IPv4/IPv6双栈 -- - （下） - 腾讯云开发者社区-腾讯云

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