原文链接 SOCK: Rapid Task Provisioning with Serverless-Optimized Containers
译者 据德
一. 摘要
Serverless计算平台能够为用户降低生产成本以及提供良好的弹性，但container以及application的启动延迟是硬伤。针对此缺陷，这篇文章提出了一套runc平台下的(译者注：另一平台为runv或两者的折中，本文不涉及)优化解决方案SOCK，旨在提高任务的启动性能。这篇文章首先对Linux提供的各种操作原语进行性能剖析，在此基础上提出SOCK的实现，并给出性能评估。
二. 容器性能剖析
本小节回答如下几个问题：物理机如何提升容器文件系统（即挂载docker image）的密度？使用namespace进行资源隔离的开销有多大？哪些资源是必须隔离的？如何避免cgroup的创建开销？作者的实验环境：8-core m510机型，4.13.0-37内核。
容器存储
container存储提供一个独立的根文件系统，隔离I/O资源。功能需求简单明了，而实现上则是百花齐放。已有的runc容器存储解决方案丰富(如overlay，AUFS，devicemapper，btrfs等)，感兴趣的可以参考docker官方文档storage dirver。本文以AUFS方案作为基线，与bind mount进行对比。bind挂载允许当前文件系统的一个文件或者目录挂载在另一处目录下。显然，bind挂载是不支持COW语义的，一般而言可以用来实现不同容器间data volume共享。二者对比如Fig.1所示，bind挂载比AUFS快了两倍。
当根文件系统挂载完成以后，接下来则是根文件系统的切换。这里主要对比了chroot 与 unshare两种方式。chroot使用指定目录作为新的根目录。unshare则是创建了新的mount namepsace，使用形态与COW类似。用户可以在新namespace里进行mount/unmount操作，修改只对当前namespace可见。灵活度很高，但同时也带来了性能问题。本文测量系统已有mount namespace的数量对新创建以及删除namesapce的影响。如Fig2.所示，随系统已有namespace数量增加，ops趋近于0，可以看到mount namespace的扩展性差。
逻辑隔离：namespace
上一小节已提到了mount namespace，那么这一小节则会涉及NET,UTS,IPC,PID namesapce。unshare允许用户创建以及切换新的namesapce，namespace类型由用户通过参数控制。当使用namespace的最后一个进程退出时，则销毁该namespace。不同数量的进程执行unshare以及退出，用ftrace来测量不同namespace类型的创建销毁开销。Fig3. 选取了开销top4的的namespace操作。 可以看到，mount 以及 IPC namespace的延迟大约在几十ms量级，通过调查发现，延迟主要是因为等待一个RCU grace period完成。由于等待上下文并没有持锁，所以并不会对吞吐有影响。事实上，由前一小节也可得知，mount namespace的最高创建ops为～1500。
NET namespace的创建以及销毁开销大，主要是因为不同net ns间共享了一把全局锁。创建时，Linux需要在持有这把全局锁，然后遍历已有的net ns。所以，系统已有的net ns越多，开销越大。销毁时，net ns还需要等待一个RCU grace period，理论上会更慢。幸运的是，此处使用了batch操作，所以平摊后的开销较小。
作者继续测量了net ns对容器创建销毁的影响。如Fig.4所示，无任何优化时的吞吐是200c/s (containers/second)。通过disable IPv6以及移除比较耗时的广播逻辑，吞吐可达400c/s；如果完全不使用net ns，吞吐可达900c/s。
性能隔离：cgroup
Linux的cgroup可以用来实现不同资源（如CPU，memory，blk I/O，net等）的隔离。主要的使用模式有两类，第一类分为四个步骤：1. 创建cgroup；2. 创建进程并attach到cgroup里；3. 进程退出；4. 删除cgroup。第二类则是通过cgroup复用，大部分场景只有步骤 2 && 3。
Fig.5对比了这两类使用模式的区别。可以看到cgroup复用相比于cgroup每次重新创建的方式，效率至少提升一倍。线程数=16时，吞吐达到峰值，这是因为系统的HT=16。
对serveless的影响
根据上述的几组观察以及实验，思考serverless的实现方案。在sererless场景，handlers可能仅依赖于一个或少量的基础镜像，所以union文件系统的弹性叠加特性并不是必须的，倾向于使用开销更小的bind挂载方式。同样的，可以使用开销小的chroot来替代mnt ns。serverless平台跑的并非service后台服务，端口静态绑定并非是必选项，所以net ns也可不使用。最后，cgroup复用对降低延迟或者提升吞吐都很有意义。
三. Python初始化开销分析
上一节分析了容器的创建删除开销，本小节则以python为例，分析runtime初始化开销。主要回答如下几个问题：Python里主流的package是哪些？这些package的初始化开销有多大？在本地的lambda worker中，缓存主流的packages是否具有可行性？
python Apps
作者对github上876K个python项目进行包依赖分析，选取了最主流的top20 packages，如Fig.6所示。其中36%的import集中在这20个包(对应PyPi源所有packages的0.02%)。这20个包可分为五类：网络框架，数据分析，通信，存储，开发。其中，网络框架类可能会被基于serverless的网络框架替换，开发类则还没有应用场景。
第一次使用某个package，需要三个步骤：download，install，import。继续使用该package，则可以跳过其中某些步骤。top20 包的初始化开销如Fig.7所示，平均初始化时间为1～13s，细分成三步：download开销1.6s，install开销2.3s，import开销107ms。
PyPi仓库
接下来分析将PyPi仓库存储在本地的可行性。PyPi仓库包含101K个packges，Fig 8. 显示了整个仓库的packages分布，不包含索引文件，总大小为～1.5TB，压缩后～0.5TB。
接下来需要回答，有多少PyPI packages可以共存安装在本地。这里不描述细节，直接给出结论，约97%的包是可以共存的，感兴趣的读者可以阅读原文。
对serverless的影响
package download和install耗时秒级，import耗时百ms级。幸运的是，大部分package仓库存储在本地是可行的。不同package具有不同的使用频率，可考虑通过pre-import部分主流package来进一步降低延时。
四. SOCK实现
本节主要涉及SOCK的设计与实现。将SOCK集成到OpenLambda，替代Docker，并使用单独的SOCK容器为python包提供缓存。SOCK的两大设计准则：一，python import 库需要低延时；二，沙箱初始化要高效率。SOCK提出了三个优化点：1. 创建瘦容器；2. 使用了更泛化的Zygote机制；3. 设计了一套三层缓存的系统，提升python包的安装速度以及import开销。
瘦容器
创建一个容器需要三步：构建root文件系统，创建通信管道，以及设置安全边界。
存储：SOCK使用bind mount 将 host的四个目录合并成为容器的根目录，见Fig.10带'F'标志的目录。所有容器的基础镜像一样，都是ubuntu系统，将它放置在RAM中。packages目录用于加速，所有容器共享。lambda code目录(只读)与 scratch 目录(可写)是私有权限。目录合成后，使用chroot进行根目录切换，并创建 init 与 helper 两个进程。
通信： scratch目录包含了一个Unix domain socket，用于OpenLambada manager 与 容器内的进程通信。该通道还被用于控制平面，如一些特权控制。
隔离：Linux 进程使用cgroup与namespace隔离。由于cgroup创建的开销较大，SOCK使用了cgroup pool 进行优化，容器创建时直接从pool中申请，容器销毁后则将cgroup释放给pool。init进程使用unshare创建一系列新的namespace，其中mount与net namespace由于扩展性差，不会新创建。
泛化的Zygotes机制
Zygotes机制最早用于安卓系统的Java应用。首先，启动一个Zygote进程，它已经预导入了大部分包；应用进程通过fork的方式从Zygote进程启动，避免了包的初始化开销。SOCK在这个理念上又向前走了一步，主要的不同点如下：1. 预导入的包类型是runtime时决定的；2. 创建多个Zygote进程，每个进程导入不同的包；3. 容器纬度；4. 不导入恶意包，保证安全。SOCK的helper进程是一个python程序，它监听了SOCK的通信端口，有两个作用：1. 预导入python modules；2. 加载lambda程序。此处细节不再赘述，感兴趣的读者可以参考原文。
Serverless Caching
SOCK使用了三层缓存：handler & install & import缓存，如Fig.12 所示。handler 缓存包含了未使用的handler容器，这些容器均处于暂停状态。它们不消耗CPU，但消耗内存，使用LRU淘汰算法来限制内存开销。install 缓存指预先在磁盘上安装的packages(占全量的97%)，已安装的包通过只读方式挂载至每一个容器。import缓存主要是用来管理Zygotes。Zygotes会消耗内存，且package的使用频率随时间而变化，所以Zygotes的管理相对复杂一些。此处细节不再赘述，感兴趣的读者可以参考原文。
五. 性能测评
本节对SOCK-based 与 Docker-based的OpenLambda以及其他的一些平台做了性能对比。
容器优化测评
首先disable SOCK的各类缓存以及Zygotes，仅评测SOCK的瘦容器特性。Fig.14从延迟与吞吐两个维度进行了测评，SOCK比Docker均占优。当enable Zygotes后，SOCK吞吐又提升了3倍，如Fig.15所示。Fig.16 评测了SOCK使用pause/unpause之后的延迟性能，相比于仅使用Zygotes，延迟从32ms下降到3ms，提升了一个数量级。
python包优化测评
关于package，SOCK实现了两个优化：Zygotes预导入(import缓存)，以及预安装(install缓存)。优化前后对比如Fig.17所示，优化提升了45倍，延迟从秒级降低至20ms。Fig. 18评估了三层缓存的延迟CDF，三者叠加效果最好。
扩展性
该测试中构造了100K个packages，测试不同的handler数量(100/500/10k)下的延迟CDF，三种场景(代表了小中大工作集)分别测试到了handler/import/install缓存的加速能力。
真实workload测评：图像缩放
测试case：首先从AWS S3读取镜像，然后使用Pillow包进行缩放，最后再写回AWS S3。如Fig. 21所示，SOCK 与AWS Lambda 以及 Open Whisk进行对比，其中SOCK占优。其中SOCK cold+与SOCK cold的区别在于前者对Pillow进行了预热。
六. 译者总结
SOCK是由若干优化手段叠加而成的一套容器优化方案，其中缓存加速本质是通过空间(本地磁盘或者内存)换时间(低延迟高吞吐)，优化理念也并非完全新鲜(安卓的Zygote，AWS的container reuse，kata的vmtemplate等)。SOCK的价值在于对这些优化理念进行了加工，整合形成一套适用于runc平台下，为Serverless服务的容器解决方案。SOCK对实际生产环境的指导价值则由读者来评判，感兴趣的同学请移步原文。
