네이티브 앱 vs 도커 컨테이너(and Host vs Bridge)

Heechan Kang·2024년 6월 14일

Docker Container Benchmarking

개요

간단한 Node.js 서버를 활용하여 Docker Container의 성능을 벤치마킹하는 프로젝트입니다. 네트워크, CPU, 디스크 I/O 성능을 측정하여 네이티브 환경과 도커 컨테이너 환경의 성능 차이를 비교/분석하고, 최적의 배포 환경을 알아보고자 합니다.

세부사항

서버 스펙

Host: AWS EC2 t2.xlarge(4 vCPU, 16GB RAM), Ubuntu 24.04 LTS
- Node.js: v18.19.1
Docker: Docker version 24.0.7, build 24.0.7-0ubuntu4
- Node.js: v18.20.3
Client: Apple MacBook M1 Pro(8-core CPU, 16GB RAM)

테스트 엔드포인트

// app.js
app.get('/network', (req, res) => {
  res.send('Network endpoint response');
});

app.get('/disk-io', (req, res) => {
  const filePath = 'testfile.txt';
  const fileContent = 'Some content to write to the file';

  fs.writeFile(filePath, fileContent, (err) => {
    if (err) {
      res.status(500).send('Error writing file');
      return;
    }

    fs.readFile(filePath, 'utf8', (err, data) => {
      if (err) {
        res.status(500).send('Error reading file');
        return;
      }

      res.send(`File content: ${data}`);
    });
  });
});

app.get('/cpu', (req, res) => {
  const start = Date.now();

  for (let i = 0; i < 1e5; i++) {
    crypto.createHash('sha256').update('test').digest('hex');
  }

  const end = Date.now();
  res.send(`CPU intensive task completed in ${end - start} ms`);
});

/network: 네트워크 성능 측정. 다른 영향을 최소화하도록 간단한 응답을 반환합니다.
/disk-io: 디스크 I/O 성능 측정. 파일을 생성하고 읽어서 응답을 반환합니다.
/cpu: CPU 성능 측정. CPU 집약적인 해싱 작업을 반복하여 응답을 반환합니다.

테스트 조건

동일한 Node.js 코드를 각각 Native, Docker container(bridge, host)에서 실행

wrk(벤치마킹 툴)를 활용한 아래의 스크립트로 각 엔드포인트에 대한 요청을 1분간 수행

#!/bin/bash

DURATION="1m"
THREADS=32
CONNECTIONS=400

wrk -t$THREADS -c$CONNECTIONS -d$DURATION http://0.0.0.0:3000/network > ./host/host_network.txt

wrk -t$THREADS -c$CONNECTIONS -d$DURATION http://0.0.0.0:3000/disk-io > ./host/host_disk_io.txt

DURATION="1m"
THREADS=2
CONNECTIONS=4

wrk -t$THREADS -c$CONNECTIONS -d$DURATION http://0.0.0.0:3000/cpu > ./host/host_cpu.txt

실행 방법

Native

node app.js # 3000번 포트로 서버 실행

Docker container(bridge)

docker run \
  --rm \
  -v /home/ubuntu:/usr/src/app \
  -w /usr/src/app \
  -p 3000:3000  # 포트 매핑, 브릿지 네트워크 사용 \
  node:18 \
  node app.js

Docker container(host)

docker run \
  --rm \
  -v /home/ubuntu:/usr/src/app \
  -w /usr/src/app \
  --network host  # 호스트 네트워크 사용 \
  node:18 \
  node app.js

예상 결과

네트워크 성능
- Native ≈ Docker container(host) > Docker container(bridge)
CPU 성능
- Native > Docker container(host) ≈ Docker container(bridge)
디스크 I/O 성능
- Native > Docker container(host) ≈ Docker container(bridge)

실제 결과(3회 평균)

네트워크 성능 (Requests/sec)

테스트 네이티브 Docker (bridge) Docker (host)
1회차 5731.09 7008.73 7718.26
2회차 5785.42 6923.70 7485.36
3회차 5559.80 6961.60 7580.54
평균 5692.10 6964.68 7594.72
CPU 성능 (Requests/sec)

테스트 네이티브 Docker (bridge) Docker (host)
1회차 3.51 4.23 4.21
2회차 3.46 4.16 4.16
3회차 3.51 4.16 4.24
평균 3.49 4.18 4.20
디스크 I/O 성능 (Requests/sec)

테스트 네이티브 Docker (bridge) Docker (host)
1회차 4326.90 3965.71 4291.90
2회차 4434.90 3971.72 4234.98
3회차 4262.51 3926.30 4349.31
평균 4341.44 3954.58 4292.06
단순 요약
- 네트워크 성능
  - Docker container(host) > Docker container(bridge) > Native
- CPU 성능
  - Docker container(bridge) ≈ Docker container(host) > Native
- 디스크 I/O 성능
  - Native > Docker container(host) > Docker container(bridge)

테스트	네이티브	Docker (bridge)	Docker (host)
1회차	5731.09	7008.73	7718.26
2회차	5785.42	6923.70	7485.36
3회차	5559.80	6961.60	7580.54
평균	5692.10	6964.68	7594.72

테스트	네이티브	Docker (bridge)	Docker (host)
1회차	3.51	4.23	4.21
2회차	3.46	4.16	4.16
3회차	3.51	4.16	4.24
평균	3.49	4.18	4.20

테스트	네이티브	Docker (bridge)	Docker (host)
1회차	4326.90	3965.71	4291.90
2회차	4434.90	3971.72	4234.98
3회차	4262.51	3926.30	4349.31
평균	4341.44	3954.58	4292.06

총평

Latency
RPS

네트워크 성능

네트워크 성능 측면에서 Docker container(host) 설정이 가장 우수한 성능을 보였습니다. 이는 아무래도 Docker container(bridge)와 비교했을 때, 호스트 네트워크 인터페이스를 직접 사용하는 host 모드의 이점 때문으로 보입니다.

Docker container(host): 호스트의 네트워크 인터페이스를 공유하여 네트워크 오버헤드가 거의 없습니다.
Docker container(bridge): 네트워크 패킷이 브리지 네트워크를 통해 라우팅되는 과정을 거치며 미세한 오버헤드가 발생합니다. 미미하다고 볼 수도 있지만, 네트워크 성능이 중요한 서비스라면 고려해야 할 수준으로 보입니다.
Native: 정말 모르겠습니다. 다만, 아마도 Docker container(host)에서 사용한 Node:18 공식 이미지에 뭔가 최적화 튜닝이 되어있지 않았을까 하는 생각이 듭니다.

CPU 성능

CPU 성능은 의외로 Native에서 가장 좋지 않았습니다. 이는 아무래도 Node:18 공식 이미지의 최적화와 관련이 있어 보입니다.

Docker container: Node:18 이미지 내의 최적화와 컨테이너 환경의 경량화가 CPU 성능 에 유리한 효과를 준 것 같습니다. 다만 확인이 필요합니다.
Native: 가장 우수할것이라는 예상과는 반대로, 가장 떨어지는 성능을 보였습니다. 정직하게 정석대로 설치된 Ubuntu 24.04 환경이 원인일 수도 있겠습니다.

디스크 I/O 성능

디스크 I/O 성능에서는 Native 환경이 미세하게 더 나은 성능을 보였습니다. 아무래도 Native 환경이 파일 시스템에 직접 접근할 수 있다는 게 큰 이유로 보입니다.

Native: 파일 시스템에 직접 접근하므로 가장 우수한 성능을 보인 것 같습니다.
Docker container(host): Native와 거의 유사한 성능을 보였습니다. 네트워크 인터페이스 뿐 아닌 파일 시스템에도 직접 접근할 수 있는것인지 확인해 보아야겠습니다.
Docker container(bridge): 브릿지 모드와 호스트 모드는 네트워크에만 있는 것으로 알고있었는데, 디스크 I/O 성능에서도 꽤나 큰 차이를 보였습니다. 원인은 아직 모르겠습니다.

아쉬운 점

버전의 일관성이 부족했습니다. 사용한 Node.js 버전부터 운영체제의 버전까지 미묘하게 달라, 꽤나 영향을 끼쳤을 수 있습니다.
디스크 I/O 성능에서 호스트 모드와 브릿지 모드의 성능 차이의 원인을 전혀 모르겠습니다.
테스트의 자동화가 부족했습니다. 실제로 수동으로 테스트를 진행하다보니, 예상치 못한 변수(네트워크 변경 등)가 발생해서 테스트를 여러 번 다시 시작해야 했습니다.

+@ 브리지 vs 호스트 모드의 DiskIO 차이의 원인(by ChatGPT)

Docker 컨테이너의 호스트 모드와 브리지 모드는 주로 네트워크 인터페이스에 영향을 미치는 설정입니다. 그러나 디스크 I/O 성능에서도 차이가 나는 이유는 몇 가지가 있을 수 있습니다.

1. 컨테이너 스토리지 드라이버

Docker는 컨테이너의 파일 시스템을 관리하기 위해 다양한 스토리지 드라이버를 사용합니다. 가장 일반적인 드라이버는 overlay2입니다. 스토리지 드라이버는 컨테이너의 파일 읽기 및 쓰기 작업의 성능에 큰 영향을 미칩니다.

호스트 네트워크 모드와 브리지 네트워크 모드에서 스토리지 드라이버의 동작이 약간 다를 수 있으며, 이로 인해 디스크 I/O 성능에도 차이가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 호스트 모드에서 네트워크 관련 오버헤드가 줄어들면서 디스크 I/O 작업에 더 많은 자원이 할당될 수 있습니다.

2. 네트워크 스택의 간섭

브리지 네트워크 모드는 네트워크 패킷을 브리지 네트워크를 통해 라우팅해야 하므로 추가적인 네트워크 오버헤드가 발생합니다. 이 오버헤드는 네트워크 트래픽이 많은 경우 디스크 I/O 작업에도 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 디스크 I/O 작업 중 네트워크 호출이 발생하면 브리지 네트워크 모드의 추가적인 오버헤드로 인해 디스크 I/O 성능이 저하될 수 있습니다.

3. CPU 및 메모리 자원 경쟁

네트워크 모드에 따라 CPU 및 메모리 자원의 사용 패턴이 달라질 수 있습니다. 호스트 네트워크 모드는 네트워크 오버헤드가 적어 CPU와 메모리를 더 효율적으로 사용할 수 있습니다. 반면, 브리지 네트워크 모드는 네트워크 트래픽을 처리하는 데 더 많은 자원을 사용하게 되어 디스크 I/O 작업에 사용될 수 있는 자원이 줄어들 수 있습니다.

4. 컨테이너 내 I/O 경로

호스트 모드에서는 컨테이너가 호스트의 네트워크 인터페이스를 직접 사용하여 네트워크 경로가 단축되므로, I/O 경로의 복잡성이 줄어듭니다. 이로 인해 네트워크 트래픽과 디스크 I/O 작업이 동시에 발생할 때, 호스트 모드에서 더 효율적인 자원 관리를 통해 디스크 I/O 성능이 향상될 수 있습니다.

5. 실제 네트워크 트래픽

실제 네트워크 트래픽이 디스크 I/O 성능에 간접적으로 영향을 미칠 수 있습니다. 브리지 모드에서는 네트워크 트래픽이 더 많은 오버헤드를 유발하여 디스크 I/O 성능을 저하시킬 수 있습니다. 반면, 호스트 모드에서는 네트워크 트래픽 처리가 더 효율적이므로 디스크 I/O 성능에 덜 영향을 미칠 수 있습니다.

결론

네트워크 모드가 디스크 I/O 성능에 미치는 영향은 여러 요인에 의해 복합적으로 발생할 수 있습니다. 네트워크 스택의 간섭, 스토리지 드라이버의 동작 차이, 자원 경쟁 등의 이유로 인해 디스크 I/O 성능이 달라질 수 있습니다. 따라서, 최적의 성능을 위해서는 애플리케이션의 특성과 사용 사례에 따라 적절한 네트워크 모드를 선택하는 것이 중요합니다.

Heechan Kang

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