17｜容器网络配置（2）：容器网络延时要比宿主机上的高吗?_容器化后延迟增加

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上一节说了网络接口配置中的，veth 的接口配置方式，是大部分容器缺省用的网络配置方式。

veth 的方式：
一个数据包要从容器里发送到宿主机外，需要先从容器里的eth0（veth_container）把包发送到宿主机上 veth_host ，然后再在宿主机上通过nat或者路由的方式，经由宿主机上的eth0 向外发送。

上面这种方法，相比较宿主机上直接向外发送数据包的路径，多了一次接口层的发送和接收。尽管veth 是虚拟网络接口，在软件上还是会增加一些开销。

如果是从物理机上迁移到容器中，就会出现网络延迟增加的情况。

一、问题重现

Netperf 是一个衡量网络性能的工具，它可以提供单向吞吐量和端到端延迟的测试。
可以使用这个工具来模式veth 接口导致的网络延迟情况。

我们需要两台虚拟机或者物理机，同处于一个二层网络中。

在第一台机器上启动一个veth 接口的容器，容器的启动和宿主机上的配置可以参考这个脚本脚本
在第二台机器上，只要启动一个netserver就可以了。

然后分别在容器里和宿主机上运行与 netserver 交互的netperf，再比较下它们延迟的差异。

netperf 里的 TCP_RR 测试用例，是专门用来测试网络延迟的，缺省每次运行10秒。
运行以后还要计算平均每秒钟TCP Request、Response 的次数，次数越高延时越小。

接下来，我们先在第一台机器的宿主机上直接运行 netperf 的 TCP_RR 测试用例 3 轮，得到的值分别是 2504.92，2410.14 和 2422.81，计算一下可以得到三轮 Transactions 平均值是 2446/s。

# ./netperf -H 192.168.0.194 -t TCP_RR
MIGRATED TCP REQUEST/RESPONSE TEST from 0.0.0.0 (0.0.0.0) port 0 AF_INET to 192.168.0.194 () port 0 AF_INET : first burst 0
Local /Remote
Socket Size   Request  Resp.   Elapsed  Trans.
Send   Recv   Size     Size    Time     Rate
bytes  Bytes  bytes    bytes   secs.    per sec
 
16384  131072 1        1       10.00    2504.92
16384  131072
# ./netperf -H 192.168.0.194 -t TCP_RR
MIGRATED TCP REQUEST/RESPONSE TEST from 0.0.0.0 (0.0.0.0) port 0 AF_INET to 192.168.0.194 () port 0 AF_INET : first burst 0
Local /Remote
Socket Size   Request  Resp.   Elapsed  Trans.
Send   Recv   Size     Size    Time     Rate
bytes  Bytes  bytes    bytes   secs.    per sec
 
16384  131072 1        1       10.00    2410.14
16384  131072
 
# ./netperf -H 192.168.0.194 -t TCP_RR
MIGRATED TCP REQUEST/RESPONSE TEST from 0.0.0.0 (0.0.0.0) port 0 AF_INET to 192.168.0.194 () port 0 AF_INET : first burst 0
Local /Remote
Socket Size   Request  Resp.   Elapsed  Trans.
Send   Recv   Size     Size    Time     Rate
bytes  Bytes  bytes    bytes   secs.    per sec
 
16384  131072 1        1       10.00    2422.81
16384  131072
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同样，我们再在容器中运行一下 netperf 的 TCP_RR，也一样运行三轮，计算一下这三次的平均值，得到的值是 2141。

[root@4150e2a842b5 /]# ./netperf -H 192.168.0.194 -t TCP_RR
MIGRATED TCP REQUEST/RESPONSE TEST from 0.0.0.0 (0.0.0.0) port 0 AF_INET to 192.168.0.194 () port 0 AF_INET : first burst 0
Local /Remote
Socket Size   Request  Resp.   Elapsed  Trans.
Send   Recv   Size     Size    Time     Rate
bytes  Bytes  bytes    bytes   secs.    per sec
 
16384  131072 1        1       10.00    2104.68
16384  131072
 
[root@4150e2a842b5 /]# ./netperf -H 192.168.0.194 -t TCP_RR
MIGRATED TCP REQUEST/RESPONSE TEST from 0.0.0.0 (0.0.0.0) port 0 AF_INET to 192.168.0.194 () port 0 AF_INET : first burst 0
Local /Remote
Socket Size   Request  Resp.   Elapsed  Trans.
Send   Recv   Size     Size    Time     Rate
bytes  Bytes  bytes    bytes   secs.    per sec
 
16384  131072 1        1       10.00    2146.34
16384  131072
 
[root@4150e2a842b5 /]# ./netperf -H 192.168.0.194 -t TCP_RR
MIGRATED TCP REQUEST/RESPONSE TEST from 0.0.0.0 (0.0.0.0) port 0 AF_INET to 192.168.0.194 () port 0 AF_INET : first burst 0
Local /Remote
Socket Size   Request  Resp.   Elapsed  Trans.
Send   Recv   Size     Size    Time     Rate
bytes  Bytes  bytes    bytes   secs.    per sec
 
16384  131072 1        1       10.00    2173.79
16384  131072
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那么我们拿这次容器环境中的平均值和宿主机上得到的值 2446 做比较，会发现 Transactions 下降了大概 12.5%，也就是网络的延时超过了 10%。

二、分析问题

那为什么 veth 方式带来了这么高的网络延时呢？

veth 的虚拟网络接口一般都是成对出现，就像上图中的 veth_container 和 veth_host。

在每次网络传输的过程中，数据包都需要通过 veth_container 这个接口向外发送，而且必须保证 veth_host 先接收到这个数据包。

veth 这个虚拟网络接口，在接收数据包的操作上，和真实的网络接口没有太大的区别。
没有硬件中断的处理，软中断（softirq）的处理部分和真实的网络接口是一样的。

Linux 内核里的veth 驱动代码drivers/net/veth.c

veth 发送数据的函数是 veth_xmit() ：找到veth peer 设备，然后触发peer 设备去接收数据包。

比如 veth_container 这个接口调用了 veth_xmit() 来发送数据包，最后触发了peer 设备 veth_host 去调用 netif_rx() 来接收数据包，主要代码如下：

static netdev_tx_t veth_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
…
       /* 拿到veth peer设备的net_device */
       rcv = rcu_dereference(priv->peer);
…
       /* 将数据送到veth peer设备 */ 
       if (likely(veth_forward_skb(rcv, skb, rq, rcv_xdp) == NET_RX_SUCCESS)) {
 
 
…
}
 
static int veth_forward_skb(struct net_device *dev, struct sk_buff *skb,
                            struct veth_rq *rq, bool xdp)
{
        /* 这里最后调用了 netif_rx() */
        return __dev_forward_skb(dev, skb) ?: xdp ?
                veth_xdp_rx(rq, skb) :
                netif_rx(skb);
}
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而 netif_rx() 是一个网络设备驱动里标准的接收数据包的函数，netif_rx() 里面为什么会有这个数据包 raise 一个 softirq (软中断)。

   __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
1

在处理网络数据的时候，一些运行时间较长，而且不能在硬中断中处理的工作，就会通过 softirq 处理。

一般在硬件中断处理结束后，网络softirq 的函数才会再去执行没有完成的包的处理工作。
即使这里softirq 的执行速度很快，还是会带来额外的开销。

根据veth 这个虚拟网络设备的实现方式，必然会带来额外的开销，就会增加数据包的网络延时

三、解决问题

除了veth，还有 macvlan、ipvlan的方式。

3.1、macvlan、ipvlan

相同之处：
在一个物理的网络接口上再配置几个虚拟的网络接口，虚拟的网络接口上，都可以配置独立的IP，这些IP 可以属于不同的Namespace。

不同点：
对于macvlan 每个虚拟网络接口都有自己独立的mac地址；ipvlan的虚拟网络接口和物理网络接口共享同一个mac地址。
都有自己的L2/L3的配置方式。

运行如下命令，为容器手动配置上ipvlan的网络接口：

docker run --init --name lat-test-1 --network none -d registry/latency-test:v1 sleep 36000
 
pid1=$(docker inspect lat-test-1 | grep -i Pid | head -n 1 | awk '{print $2}' | awk -F "," '{print $1}')
echo $pid1
ln -s /proc/$pid1/ns/net /var/run/netns/$pid1
 
ip link add link eth0 ipvt1 type ipvlan mode l2
ip link set dev ipvt1 netns $pid1
 
ip netns exec $pid1 ip link set ipvt1 name eth0
ip netns exec $pid1 ip addr add 172.17.3.2/16 dev eth0
ip netns exec $pid1 ip link set eth0 up
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命令解释：
1、启动一个容器，用"–network none" 方式启动，容器中没有配置任何的网络接口。
2、然后在宿主机eth0 的接口上增加了一个ipvlan 虚拟网络接口ipvt1
3、再把它加入到容器的Network Namespace里，重命名为容器内的eth0，并且配置上IP。
这样我们就配置好了第一个用ipvlan 网络接口的容器。

然后用相同的方式配置第二个容器，两个容器相互ping 一个ip，看看网络是否配置成功。

作者提供的具体操作脚本

如图，使用macvlan，ipvlan的方式，容器的虚拟接口，直接连接到了宿主机的物理网络接口上，形成了一个网络的二层连接。

从容器中发送数据出去，看起来就是比veth的方式，经过链路要少了。

从下面的 ipvlan 接口的发送代码中可以看到：
往宿主机外发送数据，发送函数会直接找到 ipvlan 虚拟接口对应的物理接口。

比如在我们的例子中，这个物理接口就是宿主机上的 eth0，然后直接调用 dev_queue_xmit() ，通过物理接口把数据直接发送出去。

static int ipvlan_xmit_mode_l2(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
…
        if (!ipvlan_is_vepa(ipvlan->port) &&
            ether_addr_equal(eth->h_dest, eth->h_source)) {
…
        } else if (is_multicast_ether_addr(eth->h_dest)) {
…
        }
        /* 
         * 对于普通的对外发送数据，上面的if 和 else if中的条件都不成立，
         * 所以会执行到这一步，拿到ipvlan对应的物理网路接口设备，
         * 然后直接从这个设备发送数据。
         */ 
        skb->dev = ipvlan->phy_dev;
        return dev_queue_xmit(skb);
}
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和veth 接口相比，我们用ipvlan 发送对外数据就要简单得多，因为这种方式没有内部额外的 softirq 处理开销。

下面这张图是网络延时的监控图，图里蓝色的线表示程序运行在 veth 容器中，黄色线表示程序运行在 ipvlan 的容器里，绿色的线代表程序直接运行在物理机上。

如上图，延时（Latency）图中。ipvlan比veth 要耗时明显低一些。

对于网络延时敏感的应用程序，我们可以考虑使用 ipvlan、macvlan的容器网络配置方式来替换缺省的veth网络配置。

四、重点小结

容器缺省使用 veth 虚拟网络接口，不过 veth 接口会有比较大的网络延时。
使用netperf 这个工具来比较网络延时，veth 接口容器的网络延时会增加超过10%。

veth接口是成对工作的，在对外发送数据的时候，peer veth接口都会 raise softirq 来完成一次收包操作，这样就会带来数据包处理的额外开销。

可以使用 macvlan、ipvlan的网络接口来替代 veth 网络接口，降低容器网络延时。

ipvlan/macvlan 直接在物理网络接口上虚拟出接口，在发送数据包的时候直接通过物理接口完成，没有veth 的那种 softirq 的开销。容器使用 ipvlan/macvlan 的网络接口，网络延时非常接近物理网络接口的延时。

由于ipvlan/macvlan 网络接口直接挂载在物理接口上，对于需要使用 iptables 规则的容器，比如Kubernetes里使用service 的容器，就不能工作了！

五、评论

1、
问题：
netif_rx 通常在硬件中断处理逻辑中调用。loopback、veth 等设备驱动是特例，通过调用 netif_rx 模拟数据包的接收。

除了 softirq 的性能损坏，应该还包括 docker0 网桥的自身处理逻辑（作为 veth_container 的主设备接管其数据包的处理权）以及 docker0 -> eth0 的转发逻辑。

docker inspect 输出为 json 格式，推荐使用 jq 命令查看 Pid ，命令比较简洁，缺点是默认末安装：
docker inspect lat-test-1 | jq .[0].State.Pid

回答：
没错，Linux bridge以及docker0 -> eth0的L3层的操作也会带来额外的开销，不过相比较而言，veth pair softirq的处理带来的开销要更明显一些。