vxlan网络性能测试

缘起

Docker集群中需要给每个容器分配一个独立的IP，同时在不同宿主机环境上的容器IP又要能够互相联通，所以需要一个overlay的网络（vlan也可以解决这个问题）

overlay网络就是把容器之间的网络包重新打包在宿主机的IP包里面，传到目的容器所在的宿主机后，再把这个overlay的网络包还原成容器包交给容器

这里多了一次封包解包的过程，所以性能上必然有些损耗

封包解包可以在应用层（比如Flannel的UDP封装），但是需要将每个网络包从内核态复制到应用态进行封包，所以性能非常差

比较新的Linux内核带了vxlan功能，也就是将网络包直接在内核态完成封包，所以性能要好很多，本文vxlan指的就是这种方式

本文主要是比较通过vxlan实现的overlay网络之间的性能（相对宿主机之间而言）

iperf3 下载和安装

wget http://downloads.es.net/pub/iperf/iperf-3.9.tar.gz （https://downloads.es.net/pub/iperf/）
tar zxvf iperf-3.0.6.tar.gz
cd iperf-3.0.6
./configure
make install

测试环境宿主机的基本配置情况

conf:
loc_node   =  e12174.bja
loc_cpu=  2 Cores: Intel Xeon E5-2430 0 @ 2.20GHz
loc_os =  Linux 3.10.0-327.ali2010.alios7.x86_64
loc_qperf  =  0.4.9
rem_node   =  e26108.bja
rem_cpu=  2 Cores: Intel Xeon E5-2430 0 @ 2.20GHz
rem_os =  Linux 3.10.0-327.ali2010.alios7.x86_64
rem_qperf  =  0.4.9

容器到自身宿主机之间, 跟两容器在同一宿主机，速度差不多

$iperf3 -c 192.168.6.6 
Connecting to host 192.168.6.6, port 5201
[  4] local 192.168.6.1 port 21112 connected to 192.168.6.6 port 5201
[ ID] Interval   Transfer Bandwidth   Retr
[  4]   0.00-10.00  sec  13.9 GBytes  11.9 Gbits/sec1 sender
[  4]   0.00-10.00  sec  13.9 GBytes  11.9 Gbits/sec  receiver

[ ID] Interval   Transfer Bandwidth   Retr
[  4]   0.00-10.00  sec  14.2 GBytes  12.2 Gbits/sec  139 sender
[  4]   0.00-10.00  sec  14.2 GBytes  12.2 Gbits/sec  receiver

[ ID] Interval   Transfer Bandwidth   Retr
[  4]   0.00-10.00  sec  13.9 GBytes  11.9 Gbits/sec   96 sender
[  4]   0.00-10.00  sec  13.9 GBytes  11.9 Gbits/sec  receiver

从宿主机A到宿主机B上的容器

$iperf3 -c 192.168.6.6
Connecting to host 192.168.6.6, port 5201
[  4] local 192.168.6.1 port 47940 connected to 192.168.6.6 port 5201
[ ID] Interval   Transfer Bandwidth   Retr
[  4]   0.00-10.00  sec   409 MBytes   343 Mbits/sec0 sender
[  4]   0.00-10.00  sec   405 MBytes   340 Mbits/sec  receiver

[ ID] Interval   Transfer Bandwidth   Retr
[  4]   0.00-10.00  sec   389 MBytes   326 Mbits/sec   14 sender
[  4]   0.00-10.00  sec   386 MBytes   324 Mbits/sec  receiver

[ ID] Interval   Transfer Bandwidth   Retr
[  4]   0.00-10.00  sec   460 MBytes   386 Mbits/sec7 sender
[  4]   0.00-10.00  sec   458 MBytes   384 Mbits/sec  receiver

两宿主机之间测试

$iperf3 -c 10.125.26.108
Connecting to host 10.125.26.108, port 5201
[  4] local 10.125.12.174 port 24309 connected to 10.125.26.108 port 5201
[ ID] Interval   Transfer Bandwidth   Retr
[  4]   0.00-10.00  sec   471 MBytes   395 Mbits/sec0 sender
[  4]   0.00-10.00  sec   469 MBytes   393 Mbits/sec  receiver

[ ID] Interval   Transfer Bandwidth   Retr
[  4]   0.00-10.00  sec   428 MBytes   359 Mbits/sec0 sender
[  4]   0.00-10.00  sec   426 MBytes   357 Mbits/sec  receiver

[ ID] Interval   Transfer Bandwidth   Retr
[  4]   0.00-10.00  sec   430 MBytes   360 Mbits/sec0 sender
[  4]   0.00-10.00  sec   427 MBytes   358 Mbits/sec  receiver

两容器之间（跨宿主机）

$iperf3 -c 192.168.6.6
Connecting to host 192.168.6.6, port 5201
[  4] local 192.168.6.5 port 37719 connected to 192.168.6.6 port 5201
[ ID] Interval   Transfer Bandwidth   Retr
[  4]   0.00-10.00  sec   403 MBytes   338 Mbits/sec   18 sender
[  4]   0.00-10.00  sec   401 MBytes   336 Mbits/sec  receiver

[ ID] Interval   Transfer Bandwidth   Retr
[  4]   0.00-10.00  sec   428 MBytes   359 Mbits/sec   15 sender
[  4]   0.00-10.00  sec   425 MBytes   356 Mbits/sec  receiver

[ ID] Interval   Transfer Bandwidth   Retr
[  4]   0.00-10.00  sec   508 MBytes   426 Mbits/sec   11 sender
[  4]   0.00-10.00  sec   506 MBytes   424 Mbits/sec  receiver

netperf 安装依赖 automake-1.14, 环境无法升级，放弃

qperf 测试工具

sudo yum install qperf -y

两台宿主机之间

$qperf -t 10  10.125.26.108 tcp_bw tcp_lat
tcp_bw:
bw  =  50.5 MB/sec
tcp_lat:
latency  =  332 us

包的大小分别为1和128

$qperf  -oo msg_size:1   10.125.26.108 tcp_bw tcp_lat
tcp_bw:
bw  =  1.75 MB/sec
tcp_lat:
latency  =  428 us

$qperf  -oo msg_size:128   10.125.26.108 tcp_bw tcp_lat
tcp_bw:
bw  =  57.8 MB/sec
tcp_lat:
latency  =  504 us

两台宿主机之间，包的大小从一个字节每次翻倍测试

$qperf  -oo msg_size:1:4K:*2 -vu  10.125.26.108 tcp_bw tcp_lat 
tcp_bw:
bw=  1.86 MB/sec
msg_size  = 1 bytes
tcp_bw:
bw=  3.54 MB/sec
msg_size  = 2 bytes
tcp_bw:
bw=  6.43 MB/sec
msg_size  = 4 bytes
tcp_bw:
bw=  14.3 MB/sec
msg_size  = 8 bytes
tcp_bw:
bw=  27.1 MB/sec
msg_size  =16 bytes
tcp_bw:
bw=  42.3 MB/sec
msg_size  =32 bytes
tcp_bw:
bw=  51.8 MB/sec
msg_size  =64 bytes
tcp_bw:
bw=  49.7 MB/sec
msg_size  =   128 bytes
tcp_bw:
bw=  48.2 MB/sec
msg_size  =   256 bytes
tcp_bw:
bw=   58 MB/sec
msg_size  =  512 bytes
tcp_bw:
bw=  54.6 MB/sec
msg_size  = 1 KiB (1,024)
tcp_bw:
bw=  48.7 MB/sec
msg_size  = 2 KiB (2,048)
tcp_bw:
bw=  53.6 MB/sec
msg_size  = 4 KiB (4,096)
tcp_lat:
latency   =  432 us
msg_size  =1 bytes
tcp_lat:
latency   =  480 us
msg_size  =2 bytes
tcp_lat:
latency   =  441 us
msg_size  =4 bytes
tcp_lat:
latency   =  487 us
msg_size  =8 bytes
tcp_lat:
latency   =  404 us
msg_size  =   16 bytes
tcp_lat:
latency   =  335 us
msg_size  =   32 bytes
tcp_lat:
latency   =  338 us
msg_size  =   64 bytes
tcp_lat:
latency   =  401 us
msg_size  =  128 bytes
tcp_lat:
latency   =  496 us
msg_size  =  256 bytes
tcp_lat:
latency   =  684 us
msg_size  =  512 bytes
tcp_lat:
latency   =  534 us
msg_size  =1 KiB (1,024)
tcp_lat:
latency   =  681 us
msg_size  =2 KiB (2,048)
tcp_lat:
latency   =  701 us
msg_size  =4 KiB (4,096)

两个容器之间（分别在两台宿主机上）

$qperf -t 10  192.168.6.6 tcp_bw tcp_lat 
tcp_bw:
bw  =  44.4 MB/sec
tcp_lat:
latency  =  512 us

包的大小分别为1和128

$qperf -oo msg_size:1  192.168.6.6 tcp_bw tcp_lat 
tcp_bw:
bw  =  1.13 MB/sec
tcp_lat:
latency  =  630 us

$qperf -oo msg_size:128  192.168.6.6 tcp_bw tcp_lat 
tcp_bw:
bw  =  44.2 MB/sec
tcp_lat:
latency  =  526 us

两个容器之间，包的大小从一个字节每次翻倍测试

$qperf -oo msg_size:1:4K:*2  192.168.6.6 -vu tcp_bw tcp_lat 
tcp_bw:
bw=  1.06 MB/sec
msg_size  = 1 bytes
tcp_bw:
bw=  2.29 MB/sec
msg_size  = 2 bytes
tcp_bw:
bw=  3.79 MB/sec
msg_size  = 4 bytes
tcp_bw:
bw=  7.66 MB/sec
msg_size  = 8 bytes
tcp_bw:
bw=  14 MB/sec
msg_size  =  16 bytes
tcp_bw:
bw=  24.4 MB/sec
msg_size  =32 bytes
tcp_bw:
bw=  36 MB/sec
msg_size  =  64 bytes
tcp_bw:
bw=  46.7 MB/sec
msg_size  =   128 bytes
tcp_bw:
bw=   56 MB/sec
msg_size  =  256 bytes
tcp_bw:
bw=  42.2 MB/sec
msg_size  =   512 bytes
tcp_bw:
bw=  57.6 MB/sec
msg_size  = 1 KiB (1,024)
tcp_bw:
bw=  52.3 MB/sec
msg_size  = 2 KiB (2,048)
tcp_bw:
bw=  41.7 MB/sec
msg_size  = 4 KiB (4,096)
tcp_lat:
latency   =  447 us
msg_size  =1 bytes
tcp_lat:
latency   =  417 us
msg_size  =2 bytes
tcp_lat:
latency   =  503 us
msg_size  =4 bytes
tcp_lat:
latency   =  488 us
msg_size  =8 bytes
tcp_lat:
latency   =  452 us
msg_size  =   16 bytes
tcp_lat:
latency   =  537 us
msg_size  =   32 bytes
tcp_lat:
latency   =  712 us
msg_size  =   64 bytes
tcp_lat:
latency   =  521 us
msg_size  =  128 bytes
tcp_lat:
latency   =  450 us
msg_size  =  256 bytes
tcp_lat:
latency   =  442 us
msg_size  =  512 bytes
tcp_lat:
latency   =  630 us
msg_size  =1 KiB (1,024)
tcp_lat:
latency   =  519 us
msg_size  =2 KiB (2,048)
tcp_lat:
latency   =  621 us
msg_size  =4 KiB (4,096)

结论

iperf3测试带宽方面vxlan网络基本和宿主机一样，没有什么损失
qperf测试vxlan的带宽只相当于宿主机的60-80%
qperf测试一个字节的小包vxlan的带宽只相当于宿主机的60-65%
由上面的结论猜测：物理带宽更大的情况下vxlan跟宿主机的差别会扩大

qperf安装更容易； iperf3 可以多连接并发测试，可以控制包的大小、nodelay等等

网络方案性能

	OS	Host	Docker_Host	Docker_NAT_IPTABLES	Docker_NAT_PROXY	Docker_BRIDGE_VLAN	Docker_OVS_VLAN	Docker_HAVS_VLAN
TPS	6U	118727.5	115962.5	83281.08	29104.33	57327.15	55606.37	54686.88
TPS	7U	117501.4	110010.7	101131.2	34795.39	108857.7	107554.3	105021
	6U	BASE	-2.38%	-42.56%	-307.94%	-107.11%	-113.51%	-117.10%
	7U	BASE	-6.81%	-16.19%	-237.69%	-7.94%	-9.25%	-11.88%
RT	6U(ms)	0.330633	0.362042	0.505125	1.423767	0.799308	0.763842	0.840458
RT	7U(ms)	0.3028	0.321267	0.346325	1.183225	0.325333	0.335708	0.33535
	6U(us)	BASE	31.40833	174.4917	1093.133	468.675	433.2083	509.825
	7U(us)	BASE	18.46667	43.525	880.425	22.53333	32.90833	32.55

Host：是指没有隔离的情况下，D13物理机；
Docker_Host：是指Docker采用Host网络模式;
Docker_NAT_IPTABLES：是指Docker采用NAT网络模式，通过IPTABLES进行网络转发。
Docker_NAT_PROXY：是指Docker采用NAT网络模式，通过docker-proxy进行网络转发。
Docker_BRIDGE：是指Docker采用Bridge网络模式，并且配置静态IP和VLAN701，这里使用VLAN。
Docker_OVS_VLAN：是指Docker采用VSwitch网络模式，通过OpenVSwitch进行网络通信，使用ACS VLAN Driver。
Docker_HAVS_VLAN：是指Docker采用VSwitch网络模式，通过HAVS进行网络通信，使用VLAN。

通过测试，汇总测试结论如下

Docker_Host网络模式在6U和7U环境下，性能比物理机方案上性能降低了2~6%左右，RT增加了18~30us左右。
Docker_NAT_IPTABLES网络模式在6U环境下，性能比物理机方案上性能降低了43%左右，RT增加了174us；在7U环境下，性能比物理机方案上性能降低了16%左右，RT增加了44us；此外，可以明显看出，7U环境比6U环境性能上优化了20%，RT上减少了130us左右。
Docker_NAT_PROXY网络模式在6U环境下，性能比物理机方案性能降低了300%，RT增加了1ms以上；在7U环境下，性能比物理机方案性能降低了237%，RT增加了880us以上；此外，可以明显看出，7U环境比6U环境性能上优化了20%，RT上减少了200us左右。
Docker_BRIDGE_VLAN网络模式在6U环境下，性能比物理机方案性能降低了107%，RT增加了469us；在7U环境下，性能比物理机方案性能降低了8%左右，RT增加了23us左右；此外，可以明显看出，7U环境比6U环境性能上优化了90%，RT上减少了446us。从诊断上来看，6U和7U的性能差异主要在VLAN的处理上的spin_lock，详细可以参考之前的测试验证。
Docker_OVS_VLAN网络模式在6U环境下，性能比物理机方案性能降低了114%，RT增加了433us；在7U环境下，性能比物理机方案性能降低了9%左右，RT增加了33us；此外，可以明显看出，7U环境比6U环境性能上优化了93%，RT上减少了400us。从诊断上来看，6U和7U的性能差异主要在VLAN的处理上的spin_lock。并且发现，OVS与Bridge网络模式性能上基本持平，无较大性能上的差异。
Docker_HAVS_VLAN网络模式在6U环境下，性能比物理机方案性能降低了117%，RT增加了510us；在7U环境下，性能比物理机方案性能降低了12%左右，RT增加了33us；此外，可以明显看出，7U环境比6U环境性能上优化了92%，RT上减少了477us。从诊断上来看，6U和7U的性能差异主要在VLAN的处理上的spin_lock。并且发现，HAVS与Bridge网络模式性能上基本持平，无较大性能上的差异；HAVS与OVS的性能上差异也较小，无较大性能上的差异。
SR-IOV网络模式由于存在OS、Docker、网卡等要求，非通用化方案，将作为进一步的优化方案进行探索。

网络性能结果分析（rama等同方舟vlan网络方案）

延迟数据汇总：

	host	rama不开启mac nat	rama开启mac nat	calico-bgp	flannel-vxlan
64	0.041	0.041	0.041	0.042	0.041
512	0.041	0.041	0.043	0.041	0.043
1024	0.045	0.045	0.045	0.046	0.048
2048	0.073	0.072	0.072	0.073	0.073
4096	0.072	0.070	0.073	0.071	0.079
16384	0.148	0.144	0.149	0.242	0.200
32678	0.244	0.335	0.242	0.320	0.352
64512	0.300	0.481	0.419	0.437	0.541

吞吐量数据汇总：

	host	rama不开启mac nat	rama开启mac nat	calico-bgp	flannel-vxlan
64	386	381	381	377	359
512	2660	2370	2530	2580	1840
1024	5170	4590	4880	4510	2610
2048	7710	7350	7040	7420	3310
4096	9410	8750	8220	8440	3830
16384	9410	8850	8460	8580	5080
32678	9410	8810	8580	8550	4950
65507	9410	8660	8410	8540	4920

从延迟上来看，rama与calico-bgp相差不大，从数据上略低于host性能，略高于flannel-vxlan；从吞吐量上看，区别会明显一些，当报文长度大于4096 KB 时，均观察到各网络插件的吞吐量达到最大值，从最大值上来看可以初步得出以下结论：

host > rama不开启mac nat > rama开启mac nat ≈ calico-bgp > flannel-vxlan

rama不开启mac nat时性能最高，开启mac nat功能，性能与calico-bgp基本相同，并且性能大幅度高于flannel-vxlan；虽然rama开启mac nat之后的性能与每个节点上的pod数量直接相关，但由于测试 rama开启mac nat方案的时候，取的是两个个节点上50个pod中预计性能最差的pod，基本可以反映一般情况

参考文章：

https://linoxide.com/monitoring-2/install-iperf-test-network-speed-bandwidth/

http://blog.yufeng.info/archives/2234