容器技術在未來互聯網中的應用研究

摘要：針對基于IPv4協議的傳統互聯網必然向基于IPv6協議的未來互聯網演進的現實，該研究以如何實現傳統互聯網上已部署的應用服務向未來互聯網平穩、不間斷地過渡或移植，以及如何高效、快速部署未來互聯網應用服務為研究目標，分析了未來互聯網應用服務的特征，研究了容器技術獨特的微服務部署能力及其與IPv6協議的融合能力和關鍵配置，提出容器技術將是未來互聯網中應用服務部署的不可或缺的重要方式。

關鍵詞：未來互聯網；IPv6；微服務；容器

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）04-0107-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

互聯網協會總裁兼首席執行官安德魯·沙利文（Andrew Sullivan） 認為，互聯網這一有史以來人類最有創造力的發明，現已顯然成為全球社會的重要資源。它已成為推動社會發展和進步的重要基礎設施之一。而當前業務數字化、管理信息化、服務智能化的需求不斷推進，對IPv4傳統互聯網構成了嚴峻挑戰。互聯網數據傳送格式由IPv4向IPv6的演進奠定了IPv6作為未來互聯網基礎的地位，IPv6為未來互聯網體系結構解決重大技術挑戰提供了新的創新平臺[1]。容器技術主要以分布式服務、集群化管理模式為主，憑借其輕量級虛擬化、可共享宿主機內核、獨立運行、快速啟動和可擴展性強等優勢，在傳統的IPv4 網絡應用服務部署中發揮了重要作用。未來互聯網的應用服務將更加規模化、普及化、深度化，更需要高效、快捷的部署模式。可以預見，容器技術、虛擬化技術將成為未來互聯網的重要技術支撐[2]。

1 未來互聯網

國際和國內學術界及產業界對“未來互聯網”沒有統一和明確的定義，但人們對其已有了基本共識。未來互聯網將采用新的技術體系[3]，通過各種新型技術和服務，實現人與人之間、人與物之間以及物與物之間的無縫連接和信息交流，為人類社會的發展和進步提供更加強大的支持和服務。

1.1 未來互聯網應用服務的特征

未來互聯網致力于形成更加開放、更加公正的網絡生態環境，并將通過新的技術手段為用戶提供更加便捷、個性化的服務和體驗。它圍繞數據、內容和用戶構建多樣化范例，通過在現有環境中部署測試平臺，開展測試、驗證和改進新型互聯網體系結構。未來互聯網應用服務將呈現數據關聯、業務獨立的特點，業務主要以微服務的方式面向用戶。

1.2 IPv6協議是未來互聯網的基礎

IPv6協議因其獨特的優勢，能夠實現未來互聯網開放、安全可靠、智能化和可持續發展的目標，是未來互聯網的基礎協議。

1.2.1 地址量優勢

在128bit尋址能力下，IPv6能提供2128 的地址空間，能滿足地球上每一粒沙子的聯網需求。足量的地址優勢能滿足未來互聯網萬物互聯、端到端的直接通信和不良網絡行為溯源的需求。

1.2.2 數據轉發優勢

IPv6對報文頭部進行了優化，分為基本頭部和擴展頭部，如圖1所示。基本頭部僅含8個必要信息字段，固定長度為40個字節。相較IPv4報頭中多達12 個選項，IPv6基本報頭更為精簡。網絡數據在轉發時只需讀取基本報頭，因此IPv6數據轉發時減少了路由器的轉發和處理數據包的負擔，從而實現了更快的數據傳輸和更低的時延。

IPv6路由采用了層次化的設計方法[4]。全球單播IPv6地址的前3位固定為001，第4至48位（共45位） 由地址分配機構分配，其中第4至16位是頂級聚合。理論上，互聯網骨干設備上的IPv6路由表只有213條路由信息，聚類功能減少了網絡路由條目數并提高了數據轉發效率。IPv6高效的數據轉發優勢能滿足未來互聯網萬物互聯、即時通信和實時控制的需求。

1.2.3 安全性優勢

IPv6報頭中預留了擴展頭部（Extension Headers） ，如圖1所示。基于擴展頭部的選項機制，使得IPv6協議具有可擴展性和靈活性。例如，引入IPSec（InternetProtocol Security） [5]作為IPv6默認的網絡層次安全協議。IPSec提供了網絡通信的數據完整性、機密性和真實性等方面的保障，有效防范了惡意攻擊、數據竊取等網絡安全威脅[6-7]。

此外，IPv6還具備其他優勢。例如，IPv6地址自動配置功能簡化了網絡設備的部署和安裝，提高了網絡的易用性和部署效率；IPv6的流量類別和優先級管理機制[8]能夠支持更智能化的流量調度和負載均衡。這些優勢使得IPv6必然成為未來互聯網的基礎協議。

2 容器技術微服務部署能力

Docker和Kubernetes是典型的容器技術。Docker 用于創建和操作容器映像，將應用程序及其所有依賴項打包到一個獨立、可移植的運行時環境中。Kuber?netes是一種容器編排工具，提供了一種容器編排框架，簡化了容器部署和管理，非常適合快速部署和彈性擴展容器系統，能夠大規模地管理、協調與調度容器，在多個服務器之間協調多個容器，大規模地定義與運行復雜的容器應用程序[9]。Docker和Kubernetes 相輔相成，Docker為Kubernetes提供了強大的容器運行時環境，而Kubernetes則為Docker容器提供了自動化管理和編排的能力。容器天然支持微服務架構，Kubernetes是一個典型的集群架構[10]，如圖2所示。

如圖2所示，每個Kubernetes集群一般包含一個Master節點和多個Node節點。Master是Kubernetes的集群控制節點，負責整個集群的管理和控制。Node節點是Kubernetes集群中的工作負載節點，當某個Node 宕機時，其上的工作負載會被Master自動轉移到其他節點上。Kubernetes與Docker相互協作，能夠實現應用的快速部署。kubelet是Master在Node節點上的代理，與Master密切協作，管理本機運行容器的生命周期，負責Pod對應容器的創建、啟停等任務，實現集群管理的基本功能。Docker和Kubernetes相互配合，可以實現生產級應用程序的大規模快速部署和啟動運行[11]。這種高效、快捷、規模化的應用服務部署和管理能力能滿足未來互聯網更加智能化、更加安全可靠、更加綠色環保的需求。

3 容器技術與IPv6的融合性

3.1 Docker 和Kubernetes 網絡通信機制

在Kubernetes集群中，容器是應用程序及運行環境的最小單元，也是數據交換、數據傳輸的基本載體。以Docker為例，它默認采用bridge網絡模式。在這種模式下，Docker 服務默認會創建Docker 的虛擬網橋docker0，它在內核層連接了其他的物理或虛擬網卡，將所有容器和宿主主機都放到同一物理網絡中[12]。宿主機和容器可以通過網橋相互通信。如圖3所示，網橋docker0 創建一對對等虛擬設備接口，一個叫veth，另一個叫eth0，它們成對匹配。

Kubernetes作為一個集群架構，其網絡模型從外往內分別為Internet與Kubernetes Service之間通信的網絡[13]、Pod與Service之間的通信網絡（容器網絡，即Pod內容器之間通信） 、Pod網絡（同一Node的Pod之間通信和不同Node的Pod之間通信） ，如圖4、圖5所示。

3.2 Docker 和Kubernetes 支持IPv6 的核心參數和配置

Docker對IPv6有良好的支持性，在Docker守護進程的配置文件daemon.json 中啟用IPv6 并為“fixedcidr-v6”指定IPv6地址段，創建容器時，只須指定容器的IPv6地址即可。

Kubernetes 從1.21 版本起就默認啟用IPv4/IPv6 雙棧協議，支持同時分配IPv4 和IPv6 地址給Pod 和Service[14-15]。以1.21版本為例，簡述Kubernetes集群支持IPv6的相關配置項：

1） kube-apiserver組件的IPv6配置

負責整個集群的控制平面和集群操作入口，kube-apiserver啟動參數中添加IPv6內容：

--advertise-address=2001：123：：456（舉例：API 服務器地址為2001：123：：456）

若集群配置了DNS，則還需要確保DNS服務器能夠正確解析IPv6地址。

2） kube-controller-manager組件的IPv6配置

負責維護集群狀態，編輯kube-controllermanager.conf，修改kube-apiserver-host 項為kubeapiserver-host=\"https：//[fd00：123：：456]：6443\"，并根據實際情況安裝網絡插件以支持IPv6，并重啟 kubecontroller-manager以應用新的配置。

3） kube-proxy組件的IPv6配置

負責為Service 提供代理，在kube-proxy-config.yaml中設置kube-proxy運行在IPVS模式，指定集群的IPv6網絡CIDR，并且在健康檢查和指標監聽端口上使用IPv6地址，以確保kube-proxy能夠正確處理IPv6 流量。

mode： \"ipvs\"

ipvs：

excludeCIDRs： []

clusterCIDR： \"2001：db8：：/64\" # 假設Kubernetes集群使用的是IPv6的CIDR

healthzBindAddress： \"[：：]：10256\" # 監聽IPv6地址

metricsBindAddress： \"[：：]：10249\" # 監聽IPv6地址

4） kubelet組件的IPv6配置

kubelet是每個節點上的主要“節點代理”，負責節點上的容器和Pods的管理，配置IPv6的網絡設置以及配置IPv6的cgroup和server地址以支持在Kubernetes 集群中使用IPv6網絡。

clusterDNS：

- \"fd00：：1\"

clusterDomain： cluster.local

healthzBindAddress： \"[fd00：：2]：10248\"

ipv6Mode： ipv6-pods

podCIDR： \"fd00：：/64\"

serverTLSBindAddress： \"[fd00：：3]：10250\"

4 結束語

容器技術因具有標準化、輕量級、易移植、易管理和部署且擁有活躍的社區和完善的生態系統而備受廣泛應用。再加上Kubernetes提供了強大的編排能力，可以幫助用戶輕松管理和運行容器應用程序，使得應用程序的部署、擴展、管理和監控變得更加簡單和高效。隨著互聯網的發展，人們所需的應用服務將越來越多，應用服務之間的關聯性也將越來越強。因此，容器技術在未來互聯網將會得到更深入的發展、更廣泛的應用。目前，容器技術已全面支持IPv6協議，能滿足當下IPv4/IPv6雙棧模式的需求，將來也能順利過渡到純IPv6的未來互聯網。在未來互聯網中，容器技術的價值將得到更大的利用。

參考文獻：

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[3] 劉韻潔，黃韜，汪碩.關于未來網絡技術體系創新的思考[J].中國科學院院刊，2022，37（1）：38-45.

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[15] 劉明，李俊峰.容器化部署Kubernetes及容器內IPv6通信[J].電子技術與軟件工程，2019（16）：32-33.

【通聯編輯：代影】

基金項目：江西省教育廳科學技術研究項目：融合docker 和nginx 建立應用云容器平臺（項目編號：209926）