Kubernetes 双栈网络（IPv4/IPv6）详解

Kubernetes 双栈网络（IPv4/IPv6）详解

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概述

随着互联网向 IPv6 的逐步迁移，Kubernetes 从 1.21 版本开始默认支持 IPv4/IPv6 双协议栈网络。这种双栈网络架构允许同时为 Pod 和 Service 分配 IPv4 和 IPv6 地址，为现代云原生应用提供了更灵活的网络解决方案。

核心概念

双栈网络在 Kubernetes 中主要实现以下功能：

1. 双栈 Pod 网络：每个 Pod 同时获得一个 IPv4 和一个 IPv6 地址
2. 双栈 Service：Service 可以同时拥有 IPv4 和 IPv6 的 ClusterIP
3. 集群外通信：Pod 可以通过 IPv4 和 IPv6 接口与集群外资源通信

配置要求

要启用双栈网络，需要满足以下条件：

1. Kubernetes 版本：1.20 或更高版本（1.21+ 默认启用）
2. 基础设施支持：
   • 云提供商或其他网络基础设施必须支持双栈
   • 节点必须具有可路由的 IPv4/IPv6 网络接口
3. 网络插件：必须使用支持双栈的网络插件

配置方法

控制平面组件配置

双栈网络需要在 Kubernetes 控制平面组件中配置相关参数：

# 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=24  # IPv4 默认 /24
--node-cidr-mask-size-ipv6=64  # IPv6 默认 /64

# kube-proxy
--cluster-cidr=<IPv4 CIDR>,<IPv6 CIDR>

# kubelet（裸机节点需要）
--node-ip=<IPv4 IP>,<IPv6 IP>

CIDR 示例

• IPv4 CIDR 示例：10.244.0.0/16
• IPv6 CIDR 示例：fd12:3456:789a:1::/64

Service 配置

Kubernetes 支持创建 IPv4、IPv6 或双栈 Service。Service 的地址族默认与第一个服务集群 IP 范围的地址族相同。

IP 族策略

可以通过 .spec.ipFamilyPolicy 字段配置 Service 的 IP 族策略：

1. SingleStack：单栈 Service，使用第一个配置的服务集群 IP 范围
2. PreferDualStack：优先双栈，如果支持则分配 IPv4 和 IPv6 地址
3. RequireDualStack：必须双栈，不支持则创建失败

IP 族指定

通过 .spec.ipFamilies 可以显式指定地址族顺序：

ipFamilies:
- IPv4
- IPv6  # 双栈

实践示例

双栈 Service 创建

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-service
spec:
  ipFamilyPolicy: PreferDualStack
  selector:
    app: MyApp
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376

现有 Service 处理

当集群启用双栈时，现有 Service 会被自动配置：

• 单栈 Service 保持原样
• 无头 Service 会根据第一个服务集群 IP 范围配置

单双栈切换

Service 可以在单栈和双栈之间灵活切换：

1. 单栈转双栈：修改 ipFamilyPolicy 为 PreferDualStack 或 RequireDualStack
2. 双栈转单栈：修改 ipFamilyPolicy 为 SingleStack，保留第一个 IP 地址

LoadBalancer 类型 Service

要创建双栈负载均衡器：

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:
  name: my-lb-service
spec:
  type: LoadBalancer
  ipFamilyPolicy: PreferDualStack
  selector:
    app: MyApp
  ports:
    - protocol: TCP
      port: 80
      targetPort: 9376

注意：需要云提供商支持双栈负载均衡器。

出站流量处理

对于使用非公开 IPv6 地址的 Pod 访问外部资源时：

1. 需要启用透明代理或 IP 伪装
2. 将 Pod 的非公开 IPv6 地址转换为公开路由地址
3. 可以使用 ip-masq-agent 项目支持双栈集群的 IP 伪装

总结

Kubernetes 双栈网络为现代云原生应用提供了 IPv4 和 IPv6 的无缝集成方案。通过合理配置，可以实现：

• 平滑过渡到 IPv6
• 同时支持传统 IPv4 应用
• 灵活的网络策略控制
• 与现有基础设施兼容

随着 IPv6 的普及，双栈网络将成为 Kubernetes 集群的标准配置，为应用提供更广阔的网络连接能力。

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