公有云的网络

时间：2022-07-26 00:31:41
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借用朋友石头的一句话，“一个公有云做的好不好，可以看看它的网络和存储。”

的确，不论你用KVM还是Xen，计算虚拟化都做的很好了，用户在不同公有云中关于计算性能的体验，主要源于资源配给。关于公有云超售的现状，大家可以参考清野大哥的博客，在前不久的云计算大会上，清野大哥就这个问题作了非常精彩的讲述。（http://www.qyjohn.net/?p=1948）而网络、存储方面的性能和用户体验，就比较考验研发团队的功力了。

尤其是网络，它对终端用户而言，始终behind the door，但却每时每刻都在影响着用户体验。大家肯定很感兴趣公有云里面的网络是怎么做的，很多人也会考虑，如果我自己做公有云，网络部分应该怎么设计。

在网络方面，由于运营模式和用户使用方式的不同，公有云和私有云考虑的问题有不少差别。较容易想到的有，不同tenant网络隔离，相同tenant内网互通，带宽限制，不同等级VM网络流量Qos，IP管理，内外网IP的NAT，外网IP的安全（防火墙），提供web server漏洞扫描服务，提供Load Balance服务，按流量计费等。

从了解的情况看，目前各公有云普遍采用的是iptables + ebtables + tc的方案，而用SDN的较少。第一个方案里都是很成熟的技术，大家很多都是这方面的专家。这个方案可以说技术上没什么新意，拼的是设计是否合理，考虑问题是否足够细致。但毕竟简单，实用，开发周期短。有利于早日上线，抢占客户。如果采用SDN方案，会更有意思些。

实践出真知，让我们从实验开始吧。云计算大会上获赠某知名公有云的体验券，做了些简单测试。因为我们在VM里面，作为黑盒测试受到很大限制，实验设计也很麻烦，一不能在host上抓包，二不能控制VM分布在哪些Host上。但管中窥豹，从数据还是能做出一些有意思的猜测。

【测试一】先从内网带宽这个最有意思的问题开始

虚机A、B属于同一个tenant，用iperf测试内网带宽。

   
   
    

  1. ### TCP 测试 ### 
    2. 
    
    
  2. ~# iperf -c 10.200.54.86 -i 30 -t 150 
    3. 
    
    
  3. ------------------------------------------------------------ 
    4. 
    
    
  4. Client connecting to 10.200.54.86, TCP port 5001 
    5. 
    
    
  5. TCP window size: 16.0 KByte (default) 
    6. 
    
    
  6. ------------------------------------------------------------ 
    7. 
    
    
  7. [  3] local 10.241.24.103 port 58374 connected with 10.200.54.86 port 5001 
    8. 
    
    
  8. [ ID] Interval       Transfer     Bandwidth 
    9. 
    
    
  9. [  3]  0.0-30.0 sec  3.17 GBytes    907 Mbits/sec 
    10. 
    
    
  10. [  3] 30.0-60.0 sec  3.16 GBytes    905 Mbits/sec 
    11. 
    
    
  11. [  3] 60.0-90.0 sec  3.18 GBytes    911 Mbits/sec 
    12. 
    
    
  12. [  3] 90.0-120.0 sec  3.16 GBytes    904 Mbits/sec 
    13. 
    
    
  13. [  3] 120.0-150.0 sec  3.12 GBytes    893 Mbits/sec 
    14. 
    
    
  14. [  3]  0.0-150.0 sec  15.8 GBytes    904 Mbits/sec 
    15. 
   
   

   
   
    

  1. ### UDP测试 ### 
    2. 
    
    
  2. ~# iperf -c 10.200.54.86 -i 30 -t 150 -u -b 2G 
    3. 
    
    
  3. ------------------------------------------------------------ 
    4. 
    
    
  4. Client connecting to 10.200.54.86, UDP port 5001 
    5. 
    
    
  5. Sending 1470 byte datagrams 
    6. 
    
    
  6. UDP buffer size:   124 KByte (default) 
    7. 
    
    
  7. ------------------------------------------------------------ 
    8. 
    
    
  8. [  3] local 10.241.24.103 port 43894 connected with 10.200.54.86 port 5001 
    9. 
    
    
  9. [ ID] Interval       Transfer     Bandwidth 
    10. 
    
    
  10. [  3]  0.0-30.0 sec  3.30 GBytes    945 Mbits/sec 
    11. 
    
    
  11. [  3] 30.0-60.0 sec  3.30 GBytes    946 Mbits/sec 
    12. 
    
    
  12. [  3] 60.0-90.0 sec  3.30 GBytes    946 Mbits/sec 
    13. 
    
    
  13. [  3] 90.0-120.0 sec  3.30 GBytes    945 Mbits/sec 
    14. 
    
    
  14. [  3] 120.0-150.0 sec  3.30 GBytes    945 Mbits/sec 
    15. 
    
    
  15. [  3]  0.0-150.0 sec  16.5 GBytes    945 Mbits/sec 
    16. 
    
    
  16. [  3] Sent 12057641 datagrams 
    17. 
    
    
  17. [  3] Server Report: 
    18. 
    
    
  18. [  3]  0.0-150.0 sec  16.5 GBytes    944 Mbits/sec  0.080 ms 19512/12057640 (0.16%) 
    19. 
    
    
  19. [  3]  0.0-150.0 sec  238017 datagrams received out-of-order 
    20.

 

TCP、UDP均接近1Gb，这是一个让人兴奋的结果，也是一个让人担心的结果。计划买多台VM构建network intensive应用的用户肯定非常开心。该公有云如此设计，也许出于以下三种情况：

情况一，国内做公有云的公司都紧盯EC2，而EC2对内网带宽是非常慷慨的。作为一个卖点，国内公司会考虑效仿。下面是国外友人07年测的EC2带宽数据：

   
   
    

  1. 1 curl -> 75MB/s (cached, i.e., no I/O on the apache server)  
    2. 
    
    
  2. 2 curls -> 88MB/s (2x44MB/s) (cached)  
    3. 
    
    
  3. 3 curls -> 96MB/s (33+35+28 MB/s) (cached)  
    4.

情况二，满足用户对network intensive应用的需求，同时有相应方案保证云里存在大量此类用户时，用户体验不会变差。EC2应该属于这种情况，发展了这么多年，人家敢给这么高的带宽，肯定有解决方案；

情况三，以“用户有高带宽需求”为理由，在设计中忽略内网带宽这个问题，内网不做限制。

如果是情况二，是非常令人佩服的。但如果是情况三，则是比较欠考虑的。不清楚该公有云的物理网络是如何设计的，不好妄下结论。但另一家知名公有云的服务器上，VM流量走的是单块1Gb网卡，内网不限速。如果用iperf测试的话，应该能得到类似结果。考虑到10Gb网卡昂贵的价格，我们所测试的公有云，也采用1Gb网卡的可能性较大，如果有区别，顶多用多块1Gb网卡做了bond，拓宽带宽的同时，引入failover。

公有云设计时，应尽可能保证公平，让支付相同费用的用户，尽可能获得接近的性能；同时要能保证调皮用户的一些恶意行为，不会严重影响别人的用户体验。如果该公有云的设计符合上述猜想的最坏情况，即单张1Gb网卡，内网不限速，且没有Qos，那多个network intensive应用被分配到同一个物理机时，就会出现抢带宽的现象。更进一步，如果有调皮的用户，拥有两台虚机，分布在不同物理机上，同一租户的VM通信不会被iptables禁掉，并且数据包会经过物理网络，然后他在VM之间疯狂地发UDP包，把物理网卡打满。那这两台物理机上的其他VM就悲催了。以上两种极端情况都会导致用户体验变差。OK，也许你说可以引入Qos，但同一级别的VM还是会受影响。

那应该怎么处理这一问题呢？两种情况：如果能像EC2那样，有合理的硬件、软件方案，保证大量network intensive应用不会导致用户体验变差，那提供1Gb带宽，绝对是有力的竞争资本；如果暂时做不到EC2那么牛，网络方案接近上面的猜测，个人觉得再仔细考虑一下内网带宽，是很有必要的。毕竟不是所有用户都要部署network intensive应用，另外，即使用户的web server、app server 、db server分离，如果该用户外网带宽购买的很小，那他对于内网带宽要求很高的可能性又有多大呢？没做过网站架构，呼唤专家拍砖、教育，呵呵。对于没有此类需求的用户，限制一点内网带宽，对现有方案就降低了一分风险。例如对disk intensive应用，用户对内网带宽也许不那么敏感，或者说对带宽的敏感性同时也取决于disk读写性能。该公有云中，在不同VM间做大文件传输时，即使1Gb带宽，瓶颈也是在磁盘IO性能。参见以下两组测试数据。

 【测试二】本地文件读写性能

   
   
    

  1. ### 纯写速度 ### 
    2. 
    
    
  2. ~# time dd if=/dev/zero of=/tmp/testfile bs=8k count=128000 
    3. 
    
    
  3. 128000+0 records in 
    4. 
    
    
  4. 128000+0 records out 
    5. 
    
    
  5. 1048576000 bytes (1.0 GB) copied, 42.7901 s, 24.5 MB/s 
    6. 
    
    
  6. real    0m42.856s 
    7. 
    
    
  7. user    0m0.008s 
    8. 
    
    
  8. sys     0m0.784s 
    9. 
   
   
   
   
    

  1. ### 纯读速度 ### 
    2. 
    
    
  2. ~# time dd if=/tmp/testfile of=/dev/null bs=8k 
    3. 
    
    
  3. 128000+0 records in 
    4. 
    
    
  4. 128000+0 records out 
    5. 
    
    
  5. 1048576000 bytes (1.0 GB) copied, 15.8374 s, 66.2 MB/s 
    6. 
    
    
  6. real    0m15.900s 
    7. 
    
    
  7. user    0m0.016s 
    8. 
    
    
  8. sys     0m0.536s 
    9. 
   
   
   
   
    

  1. ### 读写速度 ### 
    2. 
    
    
  2. ~# time dd if=/tmp/testfile of=/tmp/testfile_new bs=8k 
    3. 
    
    
  3. 128000+0 records in 
    4. 
    
    
  4. 128000+0 records out 
    5. 
    
    
  5. 1048576000 bytes (1.0 GB) copied, 113.736 s, 9.2 MB/s 
    6. 
    
    
  6. real    1m53.748s 
    7. 
    
    
  7. user    0m0.024s 
    8. 
    
    
  8. sys     0m1.364s 
    9.

可以更好地设计测试方法，使得测试数据更加精准，但简单测试的结果，已经很好地说明了在该公有云中做文件传输，瓶颈不在内网带宽，而是磁盘IO。

 

【测试三】VM间文件下载性能

虚机A、B属于同一个tenant。虚机A上跑nginx，虚机B从A下载文件。测试文件大小分别为5M、30M、100M、300M、500M、1G、5G，内网带宽接近1Gb。

testfile大小

下载时间

下载速度

5G

7m 53s

10.8 MB/s

1G

71s

14.4 MB/s

500M

20s

25.6 MB/s

300M

2.9s

102 MB/s

100M

0.9s

110MB/s

30M

0.3s

105 MB/s

5M

0.08s

66.3 MB/s

表1  文件下载性能测试结果


测试是件很严肃的事情，可以因测试方法不好而有偏差，但不能篡改数据。为了防止大家怀疑数据的真实性，这里贴出1G文件的测试结果。篇幅原因，其余的就不一一贴了，感兴趣的可以联系俺索要数据，或者自己测一测。

   
   
    

  1. ### testfile大小为1G ### 
    2. 
    
    
  2. ~# wget 10.241.24.103/testfile 
    3. 
    
    
  3. --2012-06-06 00:56:39--  http://10.241.24.103/testfile 
    4. 
    
    
  4. Connecting to 10.241.24.103:80... connected. 
    5. 
    
    
  5. HTTP request sent, awaiting response... 200 OK 
    6. 
    
    
  6. Length: 1073741824 (1.0G) [text/plain] 
    7. 
    
    
  7. Saving to: testfile 
    8. 
    
    
  8. 100%[====================================>] 1,073,741,824 9.45M/s   in 71s 
    9. 
    
    
  9. 2012-06-06 00:57:50 (14.4 MB/s) - testfile 
    10.

 

从测试二、测试三的数据可以看出，在该公有云中，如果用户有传输大量大文件的需求，即使内网带宽为1Gb，磁盘IO的瓶颈作用，仍会使得用户根本享受不到那么多带宽。Hadoop就是一个典型例子，专门请教了做Hadoop的朋友，他们在自己的物理机上测的磁盘IO高于150MB/s，大量大文件回传时，如果用1Gb的网卡，弄不好网络反而成为瓶颈，因此他们对带宽的需求肯定很高。但在该公有云里，磁盘IO并不高，本地纯写只有24.5MB/s，1G的大文件平均下载速率14.4MB/s，因此相对来说，1G的带宽有点超配。用该公有云做Hadoop的同志们，可能要对磁盘IO带来的性能瓶颈有心理准备。这很可能是公有云当前普遍存在的问题，Amazon EMR不也被人诟病么。

回到网络话题，基于测试二、测试三可以看出，在网络方案不成熟的情况下，硬推1Gb内网带宽是有潜在问题的，有可能影响用户体验。而公有云卖的是服务，跟互联网公司一样，用户体验就是生命！因此，针对公有云里存在的几种用户（network intensive用户，非network intensive用户，或者受磁盘IO影响而不可能全面利用1Gb带宽的用户），也许应该重新考虑一下内网带宽的设计，然后设法引入Network Resource Pool和Networking DRS(实际上还有别的一些办法可想)。总之在网络方案能做的像EC2那么强大之前，从带宽做起毕竟能降低一些风险，从而在用户量大了之后仍能保证用户体验，而不是单纯追求“我和EC2提供一样的内网带宽”这样的口号。
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