关于kubernetes:k8s网络解决方案性能PK

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引言

Kubernetes 要求集群中的每个 pod 都具备惟一的，可路由的 IP，Kubernetes 自身不会调配 IP，而是将工作留给第三方解决方案。

本次课题的指标是找到具备最低提早，最高吞吐量和最低装置老本的解决方案。因为我的负载对提早敏感，因而我的目标是在绝对较高的网络利用率下测量较高的百分比提早，特地是最大负载的 30%到 50%之间的性能，因为我认为这是最能代表非过载零碎的最常见用例。

竞争对手们

Docker with –net=host

这是咱们的一个参考设置，所有其余竞争对手都会与此设置进行比拟。–net=host 选项示意容器继承其主机的 IP，即不波及容器网络。

依据先验准则，没有任何容器网络计划比其余的会有更好的体现，这就是为什么应用此设置作为参考的起因。

Flannel

Flannel 是一个虚构网络解决方案，由 CoreOS 保护，它是通过充沛验证可立刻投入生产的解决方案，因而装置老本最低。将带有 Flannel 的 worker 节点增加到 k8s 群集时，Flannel 会做三件事：

  1. 应用 etcd 为新 worker 节点调配一个子网
  2. 在机器上创立虚构网桥接口（称为 docker0 网桥）
  3. 设置数据包转发后端：

aws-vpc
在 Amazon AWS 实例表中注册机器子网，此表的记录数限度为 50，即如果将 Flannel 布与 aws-vpc 一起使 用，则集群的节点数量不能超过 50，此外，尔后端仅实用于 Amazon 的 AWS。
host-gw
通过近程主机 IP 创立到子网的 IP 路由。须要运行 Flannel 的主机之间 2 层直连。
vxlan
创立一个虚构 VXLAN 接口
因为 Flannel 应用网桥接口转发数据包，因而流量从一个容器到另一个容器的过程中，每个数据包都会通过两个网络栈。

IPvlan

IPvlan 是 Linux 内核中的驱动程序，可能创立具备惟一 IP 的虚构接口，而不用应用网桥接口。

要将 IP 调配给具备 IPvlan 的容器，你必须：

  1. 创立一个齐全没有网络接口的容器
  2. 在默认网络名称空间中创立 ipvlan 接口
  3. 将此接口挪动到容器的网络命名空间中

IPvlan 是一个绝对较新的解决方案，因而没有现成的工具能够主动执行此过程。这使得很难在许多服务器和容器中部署 IPvlan，即部署老本很高。
然而，IPvlan 不须要桥接接口，而是间接将数据包从 NIC 转发到虚构接口，因而冀望它的性能优于 Flannel。

负载测试计划

对于每个竞争对手，执行以下步骤：

  1. 在两台物理机上设置网络
  2. 在一台机器上的容器中运行 tcpkali，让其以恒定速率发送申请
  3. 在另一台计算机上的容器中运行 Nginx，让它以固定大小的文件响应
  4. 捕捉零碎指标和 tcpkali 后果

咱们以每秒 50,000 至 450,000 个申请（RPS）的申请速率运行基准。
在每次申请时，Nginx 都会响应一个固定大小的动态文件：350 B（内容为 100 B，题目为 250 B）或 4 KB。

测试后果

  1. 结果显示 IPvlan 有着最低的提早和最高的最大吞吐量，host-gw 和 aws-vpc 的 Flannel 紧随其后，然而 host-gw 在最大负载下显示的后果更好。
  2. 应用 vxlan 的 Flannel 在所有测试中均显示最差的后果，然而，我狐疑 99.999%ile 测试后果的异样是由一个 bug 引起的。
  3. 4 KB 响应的后果相似于 350 B 响应的后果，但有两个显著的区别：最大的 RPS 要低得多，因为在 4 KB 响应下仅需约 270kRPS 即可齐全加载 10 Gbps NIC。
  4. 吞吐量测试中 IPvlan 有限靠近 –net=host。

咱们以后的抉择是应用 host-gw 模式的 Flannel，它没有太多的依赖关系（例如，不须要 AWS 或新的 Linux 版本），与 IPvlan 相比，它易于部署，并且具备足够的性能个性，IPvlan 是备选计划，如果某个时候 Flannel 增加了 IPvlan 反对，咱们将会切换到它。

只管 aws-vpc 的性能比 host-gw 稍好，但其 50 台计算机节点的局限性以及将其硬连线到 Amazon 的 AWS 的事实对咱们来说都是一个阻碍。

50,000 RPS, 350 B


在每秒 50,000 个的申请速度下，所有候选者都体现出令人满意的性能，次要趋势是：IPVlan 体现最佳，host-gw 和 aws-vpc 紧随其后，vxlan 体现最差。

150,000 RPS, 350 B



IPvlan 略优于 host-gw 和 aws-vpc，然而在 99.99 %ile 这个指标上是最差的，host-gw 的性能略优于 aws-vpc。

250,000 RPS, 350 B


这种负载在生产中也很常见，因而这些后果尤为重要。

IPvlan 再次显示出最佳性能，然而在 99.99 和 99.999 %ile 这两个指标上 aws-vpc 更胜一筹，host-gw 在 95 和 99% %ile 上优于 aws-vpc。

350,000 RPS, 350 B


在大多数状况下，提早靠近 250,000 RPS（350 B 状况），但在 99.5 %ile 之后迅速增长，这意味着咱们曾经靠近最大 RPS。

450,000 RPS, 350 B

这是实践上能产生正当后果的最大 RPS，IPvlan 再次当先，提早比 –net-host 差 30%左右：


乏味的是，host-gw 的性能比 aws-vpc 更好：

500,000 RPS, 350 B

在 500,000 RPS 下，只有 IPvlan 依然无效，体现甚至优于 –net=host，然而提早是如此之高，以至于咱们认为这对提早敏感的程序毫无用处。

50k RPS, 4 KB


较大的响应会造成较高的网络使用率，但测试后果看起来与较小的响应简直雷同：

150k RPS, 4 KB


Host-gw 具备令人诧异的 99.999%ile，对于较低的百分位数也显示出良好的后果。

250k RPS, 4 KB


这是在大的申请响应下的最大 RPS，与小的申请响应测试用例不同，aws-vpc 的性能比 host-gw 好得多，Vxlan 再次从图中排除。

测试环境

背景

为了了解本文并重现咱们的测试环境，你应该相熟无关高性能的基础知识。
这些文章提供了无关该主题的有用见解：

  • 如何每秒接管一百万个数据包 by CloudFlare
  • 10Gbps 以太网如何实现低提早 by CloudFlare

  • 扩大 Linux 网络堆栈 from the Linux kernel documentation

    服务器规格清单

  • 须要 2 台 Amazon AWS EC2 实例，零碎版本为 CentOS 7，实例规格为 c4.8xlarge，两个实例均开启了加强联网性能。
  • 每个实例都有 2 个处理器的 NUMA，每个处理器有 9 个外围，每个外围有 2 个超线程，这实际上容许在每个实例上运行 36 个线程。
  • 每个实例都有一个 10Gbps 网络接口卡（NIC）和 60 GB 内存。

  • 为了反对加强联网性能和 IPvlan，曾经装置了带有 Intel ixgbevf 驱动程序的 Linux 内核 4.3.0 版本。

    装置部署

    古代 NIC 通过多个中断请求（IRQ）线提供接管方扩大（RSS），EC2 在虚拟化环境中仅提供两条中断线，因而咱们测试了几种 RSS 和接管数据包导向（RPS）接管数据包导向（RPS）配置，最终失去以下配置，局部由 Linux 内核文档提供：

    IRQ

    两个 NUMA 节点中的每个节点上的第一个核都配置为接管来自 NIC 的中断。
    应用 lscpu 将 CPU 与 NUMA 节点匹配：

    $ lscpu | grep NUMA
NUMA node(s):          2
NUMA node0 CPU(s):     0-8,18-26
NUMA node1 CPU(s):     9-17,27-35

    这是通过将 0 和 9 写入 /proc/irq/<num>/smp_affinity_list 来实现的，其中 IRQ 编号是通过 grep eth0 /proc/interrupts 取得的：

    $ echo 0 > /proc/irq/265/smp_affinity_list
$ echo 9 > /proc/irq/266/smp_affinity_list

    RPS

    已测试了 RPS 的几种组合，为了进步提早，咱们仅应用 CPU 1–8 和 10–17 加重了 IRQ 解决处理器的累赘。与 IRQ 的 smp_affinity 不同，rps_cpus sysfs 文件条目没有_list 对应项，因而咱们应用位掩码列出 RPS 能够将流量转发到的 CPU：

    $ echo "00000000,0003fdfe" > /sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_cpus
$ echo "00000000,0003fdfe" > /sys/class/net/eth0/queues/rx-1/rps_cpus

    Transmit Packet Steering (XPS)

    将所有 NUMA 0 处理器（包含 HyperThreading，即 CPU 0-8、18-26）设置为 tx-0，将 NUMA 1（CPU 9-17、27-37）设置为 tx-12：

    $ echo "00000000,07fc01ff" > /sys/class/net/eth0/queues/tx-0/xps_cpus
$ echo "0000000f,f803fe00" > /sys/class/net/eth0/queues/tx-1/xps_cpus

    Receive Flow Steering (RFS)

    咱们打算应用 60k 常驻连贯，官网文档倡议将其四舍五入为最靠近的 2 的幂：

    $ echo 65536 > /proc/sys/net/core/rps_sock_flow_entries
$ echo 32768 > /sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_flow_cnt
$ echo 32768 > /sys/class/net/eth0/queues/rx-1/rps_flow_cnt

    Nginx

    Nginx 应用 18 个 worker，每个 worker 都有本人的 CPU（0-17），通过 worker_cpu_affinity 选项设置：

    **workers** 18;
**worker_cpu_affinity** 1 10 100 1000 10000 ...;

    Tcpkali

    Tcpkali 没有内置的 CPU 亲和性反对，为了利用 RFS，咱们在工作集中运行 tcpkali 并调整调度程序，避免线程迁徙的产生：

    $ echo 10000000 > /proc/sys/kernel/sched_migration_cost_ns
$ taskset -ac 0-17 tcpkali --threads 18 ...

    与咱们尝试过的其余设置相比，此设置可能更平均地在 CPU 内核之间调配中断负载，并以雷同的提早实现更好的吞吐量。
    CPU 0 和 9 专门解决 NIC 中断，不解决数据包，但它们仍是最忙碌的：

    RedHat 的调整也与网络提早配置文件一起应用，为了最大水平地缩小 nf_conntrack 的影响，增加了 NOTRACK 规定，内核参数已调整为反对大量 tcp 连贯：

    fs.file-max = 1024000
net.ipv4.ip_local_port_range = "2000 65535"
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 2000000
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 10
net.ipv4.tcp_slow_start_after_idle = 0
net.ipv4.tcp_low_latency = 1

    脚注

  • Linux kernel documentation: RPS Configuration)
  • Linux kernel documentation: XPS Configuration)

正文完
kubernetes
发表至： kubernetes
2021-05-11
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