隨著越來越多的公司擁抱云原生，從原先的單體應用演變為微服務，應用的部署方式也從虛機變為容器化，容器編排組件k8s也成為大多數公司的標配。然而在容器化以后，我們發現應用的性能比原先在虛擬機上表現更差，這是為什么呢？

壓測結果

容器化之前的表現

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

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

「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繼續分析下熱點函數。

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進一步統計軟中斷的次數。

軟中斷的次數

?

「我們發現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。」

?

軟中斷原因

由于容器化后，容器和宿主機在不同的網絡namespace,數據需要在容器的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命令創建，對應上面架構圖中紅色框內的兩個設備，也就是calico創建的calixxx和容器內的eth0。我們再來看下veth設備發送數據的過程

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);
??//發起軟中斷
?__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
}

通過虛擬的 veth 發送數據和真實的物理接口沒有區別，都需要完整的走一遍內核協議棧，從代碼分析調用鏈路為 veth_xmit -> veth_forward_skb -> netif_rx -> __raise_softirq_irqoff，「veth的數據發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。」

優化策略

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Linux網橋隔離的技術方案有些區別，它直接使用linux以太網的接口或子接口相關聯，這樣使得整個發送路徑變短，并且沒有軟中斷的影響，從而性能更優。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發送數據，可以有效減小發送路徑，提升發送性能。

ipvlan L3 模式

ipvlan L3模式，宿主機充當路由器的角色，實現容器跨網段的訪問，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，高性能的原因是優化了數據發送的路徑，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的數據，我們只取其中一部分來分析，如下圖:

benchmark數據

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、環境的一致性等等優點的同時，也使得整體的系統復雜度提升一個等級，特別是網絡問題，容器化使得整個數據發送路徑變長，排查難度增大。不過現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務場景出發，針對容器化后性能、安全、問題排查難度增大等問題，通過優化架構，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