本文翻译自Alexis Ducastel的文章《Benchmark results of Kubernetes network plugins (CNI) over 10Gbit/s network (Updated: April 2019)》

本文是我之前的基准测试的最新更新,这次测试在最新版Kubernetes 1.14上运行,其中CNI版本在2019年4月更新。

首先,非常感谢Cilium团队对我的帮助,包括协助审查测试结果以及更正我的指标监控脚本。

自2018年11月以来都有哪些新变化

如果你只是想知道自上次以来发生的变化,这里有一个简短的总结:

Flannel仍然是CNI竞赛中最快和最精简的那个选手,但它仍然不支持NetworkPolicies(网络策略),也不支持加密。

Romana不再维护,因此我们决定将其从基准测试中剔除。

WeaveNet现在同时支持Ingress和Egress的NetworkPolicies!但性能要略低于之前的版本。

如果您想获得最佳性能,Calico仍需要手动定制MTU。Calico为安装CNI提供了两个新选项,无需专用ETCD存储

  • 将状态存储在Kubernetes API中作为数据存储区(集群<50个节点)
  • 使用Typha代理将状态存储在Kubernetes API中,以减轻K8S API(集群> 50个节点)的压力

Calico宣布在Istio之上支持应用层策略(Application Layer Policy),为应用层带来安全性。

Cilium现在支持加密!Cilium使用IPSec隧道提供加密,并为WeaveNet提供了加密网络的替代方案。但是,在启用加密的情况下,WeaveNet比Cilium更快。这是由于Cilium 1.4.2仅支持CBC加密,若使用GCM将会更好,但它将是1.5版本的Cilium的一部分。

由于嵌入了ETCD operator,因此Cilium现在更容易部署。

Cilium团队还通过降低内存消耗和CPU成本,努力减少CNI占用空间。但他们仍然比其他选手更重。

基准测试的上下文

基准测试是在通过Supermicro 10Gbit交换机连接的三台Supermicro裸机服务器上进行的。服务器通过DAC SFP +无源电缆直接连接到交换机,并在激活巨型帧(MTU 9000)的同一VLAN中设置。

Kubernetes 1.14.0​在Ubuntu 18.04 LTS上运行,运行Docker 18.09.2(此linux版本中的默认docker版本)。

为了提高可重复性,我们选择始终在第一个节点上设置master,在第二个服务器上设置基准测试的服务器部分,在第三个服务器上设置客户端部分。这是通过Kubernetes deployments中的NodeSelector实现的。

以下是我们将用于描述基准测试结果和解释的表情图:

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为基准测试选择CNI

这个基准测试仅仅关注那些入选kubernetes正式文档:“create a single master cluster with kubeadm”中的CNI列表。在提到的9个CNI中,我们只测试其中的6个,不包括那些我们无法轻松安装和/或不通过以下文档开箱即用的工具(Romana,Contiv-VPP和JuniperContrail / TungstenFabric)

以下是我们将要比较的CNI列表:

  • Calico v3.6
  • Canal v3.6(事实上,Flannel用于网络+ Calico用于防火墙)
  • Cilium 1.4.2
  • Flannel 0.11.0
  • Kube-router 0.2.5
  • WeaveNet 2.5.1

安装

CNI越容易设置,我们对其第一印象就越好。所有参与基准测试的CNI都很容易设置(一个或两个命令行)。

如前所述,服务器和交换机都配置了Jumbo帧激活(通过将MTU设置为9000)。我们非常感谢CNI可以自动发现要使用的MTU,具体取决于适配器。事实上,Cilium和Flannel是唯一能够正确自动检测MTU的选手。大多数其他CNI在GitHub中引发了启用MTU自动检测的问题,但是现在,我们需要通过修改Calico,Canal和Kube-router的ConfigMap或WeaveNet的ENV var来手动修复它。

也许您想知道错误的MTU会产生什么影响?这里有一个图表,显示WeaveNet与默认MTU和WeaveNet与Jumbo帧之间的区别:

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那么,既然我们知道MTU对性能非常重要,那么这些CNI如何自动检测MTU:

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正如我们在上图中看到的,我们必须对Calico,Canal,Kube-router和WeaveNet应用一些MTU调整以获得最佳性能。Cilium和Flannel能够自行正确地自动检测MTU,确保开箱即用的最佳性能。

安全

在比较这些CNI的安全性时,我们谈论两件事:它们加密通信的能力,以及它们对Kubernetes网络策略的实现(根据实际测试,而不是来自他们的文档)。

只有两个CNI可以实现加密通信:Cilium和WeaveNet。通过将加密密码设置为CNI的ENV变量可以来启用WeaveNet加密。WeaveNet文档有点令人困惑,但这很容易做到。Cilium加密是通过创建Kubernetes Secrets和daemonSet修改的命令设置的(比WeaveNet复杂一点,但是Cilium有很棒的文档记录了它)。

在网络策略实现方面,通过实施Ingress和Egress规则,Calico,Canal,Cilium和WeaveNet是最好的控制面板。Kube-router实际上只实现了Ingress规则。

Flannel没有实现网络策略。

以下是结果摘要:

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性能

该基准测试显示每次测试的三次运行(至少)的平均带宽。我们正在测试TCP和UDP性能(使用iperf3),真实应用程序,如HTTP(使用Nginx和curl),或FTP(使用vsftpd和curl),最后是使用SCP协议进行应用程序加密的行为(使用OpenSSH服务器和客户端)。

对于所有测试,我们还在裸机节点(绿色条)上运行基准测试,以比较CNI与本机网络性能的有效性。为了与我们的基准比例保持一致,我们在图表上使用以下颜色:

  • 黄色=非常好
  • 橙色=好
  • 蓝色=一般
  • 红色=差

因为我们不关注错误配置的CNI的性能,所以我们只会显示MTU调整的CNI基准测试结果。(NOTA BENE:如果激活加密,Cilium无法正确计算MTU,因此您必须在v1.4中手动将MTU降低到8900.下一版1.5将自动适应。)

结果如下:

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每个CNI都在TCP基准测试中表现良好。由于加密成本,启用加密的CNI远远落后于其他CNI。

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同样,在UDP基准测试中,所有CNI都表现良好。加密的CNI现在彼此非常接近。Cilium落后于其竞争对手,但事实上,它仅略高于裸机结果的2,3%,这是公平的。我们应该记住的是,Cilium和Flannel都是唯一能够正确自动检测MTU的CNI,从而提供了开箱即用的结果。

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真实世界的应用程序怎么样?使用HTTP基准测试,我们可以看到全局性能略低于TCP测试。即使HTTP支持TCP,在TCP基准测试中,iperf3配置为避免任何“TCP慢启动”副作用,这可以有效地影响HTTP基准测试。这里的每个选手的表现都相当不错,Kube-router有明显的优势,WeaveNet在这项测试中表现非常糟糕,比裸机少了约20%。Cilium加密和WeaveNet加密现在都远远落后于裸机性能。

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使用FTP,另一个TCP支持的协议,结果更加复杂。虽然Flannel和Kube-router的表现非常好,但是Calico,Canal和Cilium稍稍落后,在裸机速度下约为10%。WeaveNet与裸机性能相差甚远,差距为17>%。无论如何,WeaveNet的加密版本比Cilium加密的性能高出约40%。

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通过SCP,我们可以清楚地看到SSH协议的加密成本。大多数CNI表现良好,但WeaveNet再次落后于其他人。当然,由于双重加密成本(SSH加密+ CNI加密)。

以下是性能摘要总结:

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资源消耗

现在让我们比较这些CNI在负载很重的情况下处理所带来的资源消耗如何(在TCP 10Gbit传输期间)。在性能测试中,我们将CNI与裸金属(绿色条)进行比较。对于资源消耗测试,我们还显示了没有任何CNI设置的新闲置Kubernetes(紫色条)的消耗。然后我们可以计算出CNI真正消耗的开销。

让我们从内存方面开始吧。以下是传输期间以MB为单位的平均节点RAM使用率(无缓冲区/缓存)。

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Flannel和Kube-router表现非常好,只有大约50MB的内存占用,其次是Calico和Canal,70MB。WeaveNet的消费量明显高于其竞争对手,资源占用约为130MB。凭借400MB的内存占用,Cilium具有最高的基准内存消耗。

现在,让我们检查CPU消耗。警告:图形单位不是百分比,而是permil。因此裸金属的38 permil实际上是3.8%。结果如下:

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Calico,Canal,Flannel和Kube-router都非常高效的CPU使用,与没有CNI的kubernetes相比,开销仅多出2%。远远落后于WeaveNet,开销约为5%,然后是Cilium,CPU开销超过7%。

以下是资源消耗的摘要:

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摘要

以下是所有结果的汇总概述:

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结论

最后一部分是主观的,并传达了我自己对结果的解释。请记住,此基准测试仅在一个非常小的集群(3个节点)上测试单个连接中的吞吐速度。它不反映大型集群(> 50个节点)的网络行为,也没有多少连接并发。

如果你在相应的场景中,我建议使用以下CNI:

  • 您的群集中有低资源节点(只有几GB的RAM,几个核心)并且您不需要安全功能,请使用Flannel。它是我们测试过的最精简的CNI之一。此外,它与大量架构兼容(amd64,arm,arm64等)。它是唯一一个能够正确自动检测MTU的CNI,和Cilium一起,因此您无需配置任何内容即可使其正常工作。Kube-router也很好,但标准较低,需要您手动设置MTU。
  • 出于安全原因,您需要加密网络,请使用WeaveNet。如果您使用巨型帧并通过在环境变量中提供密码来激活加密,请不要忘记设置MTU大小。但话说回过来,忘掉性能,这就是加密的代价。
  • 对于其他常见用法,我会推荐Calico。这种CNI广泛用于许多kubernetes部署工具(Kops,Kubespray,Rancher等)。就像WeaveNet一样,如果您使用的是巨型帧,请不要忘记在ConfigMap中设置MTU。事实证明,它在资源消耗,性能和安全性方面具有多用途和高效性。

最后但并非最不重要的,我建议你关注Cilium的工作。他们的团队非常活跃,他们正在努力提高他们的CNI(功能,资源节约,性能,安全性,多集群跨越……),他们的路线图听起来非常有趣。

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