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隨著越來越多的公司擁抱云原生，從原先的單體應用演變?yōu)槲⒎眨瑧玫牟渴鸱绞揭矎奶摍C變?yōu)槿萜骰?，容器編排組件k8s也成為大多數(shù)公司的標配。然而在容器化以后，我們發(fā)現(xiàn)應用的性能比原先在虛擬機上表現(xiàn)更差，這是為什么呢？
壓測結果
容器化之前的表現(xiàn)
應用部署在虛擬機下，我們使用wrk工具進行壓測，壓測結果如下：
壓測結果
從壓測結果看，平均RT為1.68ms，qps為716/s，我們再來看下機器的資源使用情況，cpu 基本已經被打滿。
cpu 基本已經被打滿
容器化后的表現(xiàn)
使用wrk工具進行壓測，結果如下：
壓測結果
從壓測結果看，平均RT為2.11ms，qps為554/s，我們再來看下機器的資源使用情況，cpu基本已經被打滿。
cpu基本已經被打滿
性能對比結果
| 性能對比 | 虛擬機 | 容器 |
|---|---|---|
| RT | 1.68ms | 2.11ms |
| QPS | 716/s | 554/s |
「總體性能下降：RT（25%）、QPS（29%）」
原因分析
架構差異
由于應用在容器化后整體架構的不同、訪問路徑的不同，將可能導致應用容器化后性能的下降，于是我們先來分析下兩者架構的區(qū)別。我們使用k8s作為容器編排基礎設施，網絡插件使用calico的ipip模式，整體架構如下所示。
架構差異
這里需要說明，雖然使用calico的ipip模式，由于pod的訪問為service的nodePort模式，所以不會走tunl0網卡，而是從eth0經過iptables后，通過路由到calico的calixxx接口，最后到pod。
性能分析
在上面壓測結果的圖中，我們容器化后，cpu的軟中斷si使用率明顯高于原先虛擬機的si使用率，所以我們使用perf繼續(xù)分析下熱點函數(shù)。
性能分析
為了進一步驗證是否是軟中斷的影響，我們使用perf進一步統(tǒng)計軟中斷的次數(shù)。
軟中斷的次數(shù)
?
「我們發(fā)現(xiàn)容器化后比原先軟中斷多了14%，到這里，我們能基本得出結論，應用容器化以后，需要更多的軟中斷的網絡通信導致了性能的下降?！?/strong>
?
軟中斷原因
由于容器化后，容器和宿主機在不同的網絡namespace,數(shù)據(jù)需要在容器的namespace和host namespace之間相互通信,使得不同namespace的兩個虛擬設備相互通信的一對設備為veth pair,可以使用ip link命令創(chuàng)建，對應上面架構圖中紅色框內的兩個設備，也就是calico創(chuàng)建的calixxx和容器內的eth0。我們再來看下veth設備發(fā)送數(shù)據(jù)的過程
static?netdev_tx_t?veth_xmit(struct?sk_buff?*skb,?struct?net_device?*dev) { ... ????if?(likely(veth_forward_skb(rcv,?skb,?rq,?rcv_xdp) ... } static?int?veth_forward_skb(struct?net_device?*dev,?struct?sk_buff?*skb, ???????struct?veth_rq?*rq,?bool?xdp) { ?return?__dev_forward_skb(dev,?skb)??:?xdp?? ??veth_xdp_rx(rq,?skb)?: ??netif_rx(skb);//中斷處理 } /*?Called?with?irq?disabled?*/ static?inline?void?____napi_schedule(struct?softnet_data?*sd, ?????????struct?napi_struct?*napi) { ?list_add_tail(&napi->poll_list,?&sd->poll_list); ??//發(fā)起軟中斷 ?__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ); }
通過虛擬的 veth 發(fā)送數(shù)據(jù)和真實的物理接口沒有區(qū)別，都需要完整的走一遍內核協(xié)議棧，從代碼分析調用鏈路為 veth_xmit -> veth_forward_skb -> netif_rx -> __raise_softirq_irqoff，「veth的數(shù)據(jù)發(fā)送接收最后會使用軟中斷的方式，這也剛好解釋了容器化以后為什么會有更多的軟中斷，也找到了性能下降的原因?！?/strong>
優(yōu)化策略
原來我們使用calico的ipip模式，它是一種overlay的網絡方案，容器和宿主機之間通過veth pair進行通信存在性能損耗，雖然calico可以通過BGP，在三層通過路由的方式實現(xiàn)underlay的網絡通信，但還是不能避免veth pari帶來的性能損耗，針對性能敏感的應用，那么有沒有其他underly的網絡方案來保障網絡性能呢？那就是macvlan/ipvlan模式，我們以ipvlan為例稍微展開講講。
ipvlan L2 模式
IPvlan和傳統(tǒng)Linux網橋隔離的技術方案有些區(qū)別，它直接使用linux以太網的接口或子接口相關聯(lián)，這樣使得整個發(fā)送路徑變短，并且沒有軟中斷的影響，從而性能更優(yōu)。如下圖所示：
ipvlan L2 模式
上圖是ipvlan L2模式的通信模型，可以看出container直接使用host eth0發(fā)送數(shù)據(jù)，可以有效減小發(fā)送路徑，提升發(fā)送性能。
ipvlan L3 模式
ipvlan L3模式，宿主機充當路由器的角色，實現(xiàn)容器跨網段的訪問，如下圖所示：
ipvlan L3 模式
Cilium
除了使用macvlan/ipvlan提升網絡性能外，我們還可以使用Cilium來提升性能，Cilium為云原生提供了網絡、可觀測性、網絡安全等解決方案，同時它是一個高性能的網絡CNI插件，高性能的原因是優(yōu)化了數(shù)據(jù)發(fā)送的路徑，減少了iptables開銷，如下圖所示：
Cilium
雖然calico也支持ebpf，但是通過benchmark的對比，Cilium性能更好，高性能名副其實，接下來我們來看看官網公布的一些benchmark的數(shù)據(jù)，我們只取其中一部分來分析，如下圖:
benchmark數(shù)據(jù)
benchmark
無論從 QPS 和 CPU 使用率上 Cilium 都擁有更強的性能。
總結
容器化帶來了敏捷、效率、資源利用率的提升、環(huán)境的一致性等等優(yōu)點的同時，也使得整體的系統(tǒng)復雜度提升一個等級，特別是網絡問題，容器化使得整個數(shù)據(jù)發(fā)送路徑變長，排查難度增大。不過現(xiàn)在很多網絡插件也提供了很多可觀測性的能力，幫助我們定位問題。
我們還是需要從實際業(yè)務場景出發(fā)，針對容器化后性能、安全、問題排查難度增大等問題，通過優(yōu)化架構，增強基礎設施建設才能讓我們在云原生的路上越走越遠。
最后，感謝大家觀看，也希望和我討論云原生過程中遇到的問題。
編輯：黃飛
工商網監(jiān)
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