网易轻舟 Serverless 平台 Knative 性能调优实践道-架构

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网易轻舟 Serverless 平台 Knative 性能调优实践

作者：刘勤龙

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2021-2-2

编辑推荐:

本文主要介绍了Knative 系统内的数据路径分析、开源 Knaitve 性能实际测试、开源 Knaitve 性能实际测试、业务流量导入Knative等相关内容。
来自于infoQ，,由火龙果软件Anna编辑、推荐。

Serverless 技术关注者对其价值点讨论?多是基于公有云场景的云函数等产品，其关注点在资源支付方式更加细粒度，和公有云 Baas 的粘合上，和私有云环境中业务团队关注的价值不太契合；在我们对业界落地场景调研以及同业务团队?起实践后，我们发现私有云环境中业务团队关心的 Serverless 价值可概括为三点：

提效：加快业务团队迭代效率， Serverless 对开发流水线重新对分工，业务开发人员聚焦业务，无需操心运维和扩容等诸多事项；

降本：按需实时弹性可避免资源浪费，最大程度发挥资源优势；

解耦：支持事件触发，将各个组件通信的逻辑变成事件进?解耦合，非常适合业务的扩展和变化；

其中“提效”和“降本”为核心价值，解耦为重要考虑点。

我们认为 Serverless 出现不是为了替代现有的 Serverful（传统云）框架，两者是互补的关系，Serverless 有其业务场景优势（后续?章再展开），合适最重要。笔者目前工作是聚焦轻舟 Serverless（“轻舟”系网易研发的云原生基础设施平台代号）和业务团队?起实现业务开发的提效、降本和解耦。当前开源 Serverless 方案很多，而选型强大活跃开源社区方案让我们能够持续改进自己的 Serverless 平台。基于此诉求，我们很早便选型了 Knative，因为从一开始其社区非常活跃，有 Google，IBM，RedHat 等大公司参与，其次是标准先行。而事实也在慢慢印证了我们的选择。

如图所示， Knative 占据了 34% 的份额，遥遥领先于第?名 OpenFaaS，Knative 是搭建 Serverless 平台的首选。（数据来源于 CNCF 2019 年社区调查报告）

目前，网易轻舟云原生团队已经和网易云音乐前端团队合作共建云音乐 Serverless 部署平台 ALPACA，将 Serverless 用于前端场景。该平台架构如下图。

其中轻舟负责底层能力，Knative 是其中的核心能力，我们基于其业务场景，对 Knative 进行了压测分析，也做了性能调优 POC，本文主要从性能角度，基于 Serverless 前端使用场景对 Knative 进行分析，尝试揭开 Knative 核心数据路径性能真相并给出调优思考。

Knative 系统内的数据路径分析

本文暂不讨论流量如何导?到 ALPACA 平台，先聚焦到 ALPACA 平台 Knative 系统内部本身。

Knative 系统内部数据路径是， Knative 网关 ->Activator->Queue Proxy->业务 App；社区推荐使用的方式是不注入 Sidecar 以获取更佳的性能，因此我们讨论场景是“不注入 Sidecar，管控面使用 Pilot，Knative 网关使用轻舟的 API 网关产品”。

Knative 系统内部默认的数据路径如上图，用户业务流量经过一层 Knative 网关，经过 Activator 到达 Queue Proxy 代理组件，最后到达应用程序。

从上图可知，默认情况下流量经过三层代理（Knative 网关、Activator、Queue Proxy）后才到达应用 APP，每?层代理均可能是性能的拦路虎。

我们的分析思路如下：

Knative 网关这?层承载了流量管理、灰度发布等功能必须存在，当前使用轻舟 API 网关产品充当，性能均调优过，本身性能没什么问题，非本次核心关注点

App 为用户的业务代码性能无法控制，平台层面不可操作，也非关注点于是将性能分析要点集中到剩余的两层代理（Activator 和 Queue Proxy）上。

首先 Activator 作用是：

冷启动充当看门人，业务 POD 0-1 流量会经过 Activator 组件

突发流量的保护者，将 Activator 加?到核心路径，充当缓冲，流量将会在 Activator 缓存（0.8 版本加入功能）

其次 Queue Proxy 作用是：

Queue Proxy 以 Sidecar?式和应?容器部署到同?个 Pod，Queue Proxy 是为了配合完成扩缩容事宜以及满足 App 可观测性要求，以 Sidecar 方式部署主要考虑到对 App 应用无侵入，功能描述如下：

完成观测性数据收集向 Autoscaler 同步当前的并发监控，以便实现自动伸缩功能

代理业务容器, 完成指标的统计，并将对应的数据汇报给后端的?志 / 监控 / 分布式跟踪服务

Activator 必要性分析

谈到 Activator 必要性，需要先了解当前 Serverless 难题“冷启动”，所谓冷启动是 Serverless 缩容到 0 后，重新从 0 扩容到 1 的过程，该过程目前是非常慢的，也是业界难题，根据社区对 Knative 冷启动分析得知，冷启动时间大概 6s ，很显然 6s 的冷启动任何业务都?法容忍；当前可以尽量优化冷启动时间，但是想达到 ms 级别，做到业务?感知，挑战非常大，目前有两种解决思路：

方向 1: 温启动，通过冗余方式建立预热池来解决，当需要 0-1 时候，从预热池取，然后将用户程序注入，省去建立容器的过程

方向 2: 通过默认预留实例来规避

目前该问题我们先通过方向 2 来解决，至于方向 1 也在考虑，但是涉及到的开发工作量大，且需要对 K8s 框架改动，需要根据需求触发。所以目前在我们使用场景中不需要 Activator 帮助从 0-1 扩容。

对于突发流量保护功能，在使?场景中可降低扩容触发的并发要求，预留出一定的 Pod 计算能力来抵御突发流量；因此在目前业务场景中，Activator 存在必要性?般，可以考虑将其从核心数据路径中彻底去除。

QueueProxy 必要性分析

Queue Proxy 核心作用是收集 App 的指标（并发、RPS 等）来决定扩容，当前以 Sidecar?式部署是非常有必要的：

将核心指标统计逻辑提炼到 Queue Proxy，对 App 无任何代码逻辑侵?，基础设施和应用 App 业务逻辑分离，独立运维

收集扩容指标支持跨语言

所以 Queue Proxy Sidecar 是非常有必要的，但是相比裸业务容器而言，会增加?层代理（该场景就像服务网格 Server Sidecar?样），导致业务容器性能降低，这是选择这种架构所要付出的资源成本，我们要做的就是将该成本降到最小。

如上图，总结下分析结论，从性能?度出发，我们需要关注：

将 Activator 从数据路径中去除

重点关注 Queue Proxy 和 App 路径

关注 Knative 网关和 Queue Proxy 路径

开源 Knaitve 性能实际测试

从上文的分析结论可知，我们得到了具体的性能关注点，于是对这些关注点进行实际的性能测试。

在 Knative 框架下，性能可以通过 CPU 和实例个数横向扩展性能，所以后续测试均固定在单个业务容器，通过对比测试来发现性能瓶颈，业务容器选型社区简单的 go 语言实现的 helloworld 服务程序（镜像为 hub.c.163.com/qingzhou/knative/demo/helloworld-go:v0.1），采用测试工具 Hey（https://github.com/rakyll/hey ）使?HTTP 长连接进行测试。

测试环境

Knative serving 0.14

物理机容器

轻舟网关

三台独立的物理机器避免相互影响

测试方法

1. 部署测试 server kservice

root@pubt1-k8s59:/home/liuqinlong# cat performance.yaml
apiVersion: serving.knative.dev/v1alpha1
kind: Service
metadata:
name: helloworld-go
namespace: default
spec:
template:
metadata:
labels:
app: helloworld-go
annotations:
autoscaling.knative.dev/maxScale: "1"
autoscaling.knative.dev/minScale: "1"
spec:
containers:
- image: hub.c.163.com/qingzhou/knative/demo/helloworld-go:v0.1
env:
- name: SIMPLE_MSG
value: "helloworld-go"

2. 测试命令

hey -z 60s -c 70 --host "helloworld-go.default.example.com" "<http://10.178.67.10

3. Knaitve 原生性能数据测试

默认数据路径进行压测

如下结果显示，虽然 Activator 采用 HPA 进行性能扩展，但是其扩容非常慢，如果性能测试时候没有来得及扩容 Activator，对整个延迟影响效果巨?只有 920Qps。即使 Activator 扩容成了 8 个发现 p90 延时也在 7ms 以上，Qps 约 7 千。

避坑说明：在测试过程中，需要确认 Activator HPA 扩容是否生效，笔者测试过程中默认环境中没有安装 metrics-server 导致 Activator 无法 HPA 扩容。整个核?路径中 Activator 默认限制单个 CPU，其使用率达到 100%，导致 QPS 非常低（才 920），P90 延迟要 111ms，p99 延迟要 195.2ms

原生容器对比含有 Queue Proxy sidecar 的容器

经过前文的分析 Queue Proxy 以 Sidecar?式存在是 Knative 架构要求，当前测试 case 情况下，加?Queue Proxy Sidecar 后，相比原生容器，QPS 从 3.9w->3.1w，P90 延迟翻倍（2.5->4.2）。

相对来说，在相同并发压力情况下，因为新增?层代理延迟肯定提升，QPS 会跟着降低。但是我们发现 CPU 损失代价有些大，CPU 使?率达到了 1497% （Server CPU 才 482.4%），理论测试的 App 为 hello world 程序业务逻辑?常简单，业务处理延迟不长，Queue Proxy 和当前测试 App CPU 使用率比值最好是 1:1，所以 Queue Proxy 存在 CPU 异常消耗的问题，需要进行调优解决。

注意：v0.14 Queue Proxy 性能要比 v0.9 版本 Queue Proxy 性能要好，后?Queue Proxy 测试版本均采?的是 v0.14 版本，下面给出性能对比：

QPS 提升 (31891.7207-20505.6853)/20505.6853 = 55%（计算过程后文不再赘述）。

测试结论

Activator 加?到数据路径中，在没有扩容情况下，性能?常差 QPS 只有 920，经过 HPA 扩容成 8 个后，QPS 可达 7776.1257

业务容器引入 Sidecar 后，数据路径变长，相同压?下 QPS 从 3.9w -> 3.1w，P90 延迟翻倍（2.5->4.2），但是 CPU 使?率达到了 1497%，和 Server CPU 消耗差距约三倍，需对 Queue Proxy?CPU 问题进行分析

Knative 社区对 Queue Proxy 也在不断优化中，社区 v0.14 Queue Proxy 相比 v0.9 版本的 Queue Proxy 性能提升明显，QPS 2w->3w，延迟 6ms->4.2 ms

三、Knaitve 数据路径性能优化

经过对 Knative 性能测试，进?步确认了下面性能调优点：

数据路径上去除 Activator

Queue Proxy 和 App 路径优化

优化 Knative Gateway 性能

数据路径上去除 Activator

分析对比去除 Activator 路径带来的性能收益，如下表，将 Activator 移出核心数据路径后，QPS 能力提升三倍（7776.1257 -> 25569.5698），且 P99 延迟大幅降低

Queue Proxy 和 App 路径优化

组件优化

经过对 Queue Proxy-> App 路径分析，有两种优化方法，阐述如下：

优化方向一：优化 Queue Proxy

优化 Queue Proxy HTTP 代理解析过程，延迟大幅度降低（4.2->2.4 ms），且 CPU 使用率大幅度降低（代理 CPU 使用率接近 Server CPU 使用率），QPS 小幅度提升。

优化方向二：将 Queue Proxy 替换成 Envoy

优化后 QPS 相对社区 Queue Proxy 版本提升 23%，延迟也大幅度降低，代理 CPU 使用率接近 ServerCPU 使用率。

框架优化

框架上协议栈穿透，通过 sockmap 以及 sock redirect 特性加速 Queue Proxy 和业务容器 App 之间通信。原理如下图：

基于轻舟的基于 EBPF 的高性能网络加速组件 --SOPS，开启该功能，测试结果如下：

针对于 Queue Proxy 代理，组件优化 + 协议栈穿透, QPS 提升 26%

针对于 Envoy Proxy 代理，协议栈穿透，QPS 提升 44%

在当前测试 Case 场景下，协议栈穿透，可以提升业务容器 QPS 上限约 20%。

Knative 系统内全路径测试结果

注：单位百分百 CPU 支撑的 Qps= Qps/（Gateway（cpu%）+ QueueProxy（cpu%） + server（cpu%））

轻舟调优的 Queue Proxy 可以将 QPS 提升 23%，连同 SOPS 一起可将 QPS 提升 43%

使用 Envoy 替代 Queue Proxy 可将 QPS 提升 39%，连同 SOPS 一起可将 QPS 提升到 55%

轻舟调优的 Queue Proxy 可以将 Queue Proxy CPU 占比高问题解决

使用 Envoy 替换 Queue Proxy 可将 QPS 额外提升 12%，单位 CPU 百分比支撑的 QPS 基本一致

Knative 社区也在讨论 Envoy 代替 Queue Proxy，但是具体何时未知，考虑到工作量较大，我们打算 follow 社区进度；从性能角度和使用场景考虑，当前优化 Queue Proxy 也不差，所以先优化 Queue Proxy 来满足业务需求。

优化 Knative Gateway 性能

网关性能优化方面轻舟网关团队已经做了较多工作，性能也较为可观，在 Knative 当前使用场景，我们计划将 Gateway 底层网络更换成轻舟高性能网络，继续降低延迟，提升 Gateway 性能天花板，降低 CPU 使用率，使得单位百分比 CPU 支撑更多的业务 QPS。

总结

Knative 框架内，默认情况下引入了三层代理路径，固定压力（70 连接）下测试发现，默认情况下 Knative 性能表现非常不佳；经过调优（去除 Activator 这?层代理 + 使用 Queue Proxy v0.14 并优化 + 使用 Sops 加速 Queue Proxy 和 App 路径）Knative 框架性能表现还是非常优异的。

和裸业务容器相比：

1、单位百分比 CPU 支撑的 QPS 5：1

2、链路的变长，当前测试场景和测试方法下，链路延迟 p90 提升 2.5->4.7 约 2.2ms

从性能角度看 Knative 业务容器和裸业务容器，直接使用容器性能是最好的，使用 Knative 业务容器牺牲还是可以接受的。

下面进一步探讨，Knative 和 K8s 到底是什么关系？

从功能角度看，Knative 框架是 K8s 补充，工作在业务层次，解决业务的 “什么时候该扩容”，“怎么扩容”，“什么时候触发业务运行”等问题，是专业搞定业务自动扩缩容和事件触发的功能组件。

Knative 框架支持功能并不什么新鲜事情，其功能特性，完全可以通过，K8s 容器 + 智能网关 + 自定义扩容数据收集机制和并发控制 + 自己编码事件机制来代替 + 上层业务封装逻辑来替代，但是需较多的研发投入，而且对接 API 为私有 API 接口，对用户有绑定。

从自动扩容角度看，业务的扩缩容也可以通过 HPA 来完成，但是这种方案速度较慢，一般 3-5 分钟，无法适应业务快速扩容需求。

我们基于 K8s 角度对 Knative 框架下一个定义：Knaitve=K8s++，是?种对 K8s 补充，是一种通过牺牲 CPU 和局部的延迟，换取业务流量管理能力（红绿发布、回滚、流量管理）和业务扩展能?（自动扩容能力、事件机制等）的开源软件框架。

业务流量导入Knative

前文性能分析均是基于单个业务 Pod，Knative 本身性能可从单个业务 Pod 横向扩展出多个业务 Pod 来进行性能扩容而且其非常擅长这一点，这里不赘述。下面介绍业务流量如何从外部导入 Knative 系统，因为 Knative 系统内部扩展性没什么问题，我们需要使得接入 Knative 系统部分具备更强的横向扩展能?，以满足业务扩容的性能需求。

在选型之初，我们打算按照如下架构图，流量接入到 Knative 系统。流量经过 Nginx Https 代理 -> 轻舟网关 -> 轻舟 Knative 网关 -> Queue Proxy -> 业务 App，其中：

Nginx：主要作用是 HTTPS 加密

轻舟网关：主要做 URL 路径和域名路径的转换、业务降级

轻舟 Knative 网关：主要实现红绿发布、流量管理等功能

上图中业务路径比较长，特别是经过了三次 7 层网关（Nginx、轻舟网关、轻舟 Knative 网关），且 Nginx 和轻舟网关存在能力集重复问题，所以我们打算做如下调整：

使用轻舟网关接管 Nginx 的 HTTPS 的能?，缩短七层代理的路径，采用轻舟网关自动降级功能，业务降低避免了人为操作，为了方案的可扩展（性能横向扩展、未来 IPv6 需要等）和部署的灵活性，引入低延时的轻舟的四层 LB。架构如下图，做到各个层可横向扩展。

因为方案降级需求，轻舟网关需要连云外的降级资源，但 Knative 网关无法管理该云外资源，所以目前无法将 Knative 网关和轻舟网关融合成一个网关。未来 Serverless 平台不再需要云外的降级资源，再将轻舟网关和轻舟 Knative 网关合并，达到如下流量框架，进一步缩短流量路径，达到最佳性能。

实现轻舟网关和轻舟 Knative 网关的融合需要修改 Knative，原因是：Knative 默认通过域名来区分应用，非常适合公有云，但是往往私有云业务场景，域名是固定且受限的，甚至有时候固定嵌入到客户端代码中，所以通过域名进行应用区分非常不适合，对于 HTTP 协议来说，我们需要使用请求路径来区分应用。

总结和展望

基于云原生化的泛前端部署平台依赖的底层 Knative 场景，通过分析，我们发现 Knative 社区默认情况下性能非常差，配置调优（不注入 Sidecar + 将 Activator 从数据路径中去除后 + 使用 Queue Proxy v0.14 版本）后，除 Queue Proxy CPU 偏高外，性能还可以，特别是经过调优 Queue Proxy、框架上协议栈穿透优化以及业务流量导入路径缩短后，性能可满足绝大部分业务需求，目前社区对于性能也在继续优化中（v0.14 相比 v0.9 QPS 性能约有 55% 提升），我们相信社区 Knative 数据路径的性能会越来越好。

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