Kubernetes中的IPv4/IPv6双协议栈-Kubernetes中文教程(二)

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

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 
* 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]

## 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:
  * 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
。

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

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。）

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。

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。

#### 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。

你可以通过使用 kubectl 检查现有服务来验证此行为。

```shell
   kubectl get svc my-service -o yaml
   ```

```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
   [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。

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。

```shell
   kubectl get svc my-service -o yaml
   ```

```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：

```yaml
   spec:
     ipFamilyPolicy: SingleStack
   ```

之后：

```yaml
   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。

### 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  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。

Windows 上的 Overlay  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]。

* [验证 IPv4/IPv6 双协议栈]网络
* [使用 kubeadm 启用双协议栈网络]

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