サービスメッシュは、マイクロサービスアーキテクチャにおける通信管理、監視、セキュリティを提供する重要な技術です。CNCF（Cloud Native Computing Foundation）が推進するこの技術は、クラウドネイティブアプリケーションの信頼性とスケーラビリティを向上させるために不可欠です。本記事では、サービスメッシュの性能評価に焦點を當て、実験環境、テスト結果、およびその分析を通じて、サービスメッシュの選定と運用における重要な洞察を提供します。
サービスメッシュの基本概念と特性
サービスメッシュは、アプリケーションのロジックとネットワーク通信を分離し、サービス間の通信を管理するためのレイヤーです。主な機能には、mTLSによる暗號化、トラフィックマネジメント、サービス監視、ポリシーコントロールが含まれます。CNCFが認定する主要なサービスメッシュ実裝には、Istio、Linkerd、Consul Connectなどがあり、それぞれ異なるアプローチと特性を持っています。
サービスメッシュの選定において重要な要素は、パフォーマンス、リソース効率、操作性、拡張性です。特に、レイヤー4（TCP）とレイヤー7（HTTP）の機能の組み合わせによるパフォーマンスの違いは、アプリケーションの要件に応じて慎重に検討する必要があります。
実験環境とテスト設計
本実験では、以下の環境とツールを用いてベンチマークを実施しました：
- ハードウェア：5年前のAMD CPUを搭載した非トップグレードサーバーを使用し、仮想マシンやクラウドサービスのネットワーク制限を迴避
- テストツール：
- Ksix：圧力テスト用クライアントツール
- Forio：高速レスポンスを提供するバックエンドサービス
- Grafana：結果の可視化
- Metrics Server：CPU使用率の追跡
- Kali：ネットワークトラフィックと通信マトリクスの監視
- Prometheus：原生Histogram指標のサポート
テストは以下のステップで実施されました：
- ベースラインテスト（2分）：サービスメッシュを無効にし、固定到達率（1000リクエスト/秒）で測定。P99レイテンシーは約170マイクロ秒。
- Sidecarテスト（2分）：Sidecarを有効化し、サービスに注入。結果：P99レイテンシーは750マイクロ秒（Sidecarコスト約580マイクロ秒）。
- Layer7テスト（2分）：SidecarにHTTPヘッダー操作を追加。P99レイテンシーは1900マイクロ秒（主にメトリクス収集の影響）。
- Ambient Layer4テスト（2分）：Ambientモードを有効化し、Layer4（mTLS）のみを使用。P99レイテンシーは169マイクロ秒（ベースラインに近い）。
- Ambient Layer4+Layer7テスト（2分）：Layer4とLayer7を併用。P99レイテンシーは338マイクロ秒（Layer4の169マイクロ秒増加）。
パフォーマンス影響の分析
- Sidecarコスト：約580マイクロ秒。多くのアプリケーションでは許容範囲內。
- Layer7処理：単純な操作ではレイテンシーへの影響は限定的だが、メトリクス収集が主な要因。
- Ambientモードの利點：Layer4のみでベースラインに近い遅延を実現し、リソース使用量はSidecarモードに比べて約70%削減。
- ネットワーク経路：異なるノード間通信では、ソースノード→ターゲットノード→mTLS中間層の2層のZ Tunnel経路が確認された。
テスト方法論と結果の信頼性
- 環境制御：すべてのテストはデフォルト設定で実施し、特殊な最適化は行わない。
- データの可比性：ハードウェア構成（CPUモデルなど）の影響を明示。
- 結果の検証：Grafanaの注釈でテストフェーズをタイムスタンプし、正確な時間対応を確保。
- ツール選択：コミュニティツールのバイアスを避けるため、獨立したKsixを採用。
レイヤー4とレイヤー7の比較
- レイヤー4（TCP）：AmbientモードでmTLSとTCP監視を有効化。レイテンシーは150マイクロ秒（338-169マイクロ秒範囲）。リソース使用量は低く、70%のリソース削減を実現。
- レイヤー7（HTTP）：Waypointを用いてHTTPルーティングやヘッダー変更を実裝。レイテンシーは700マイクロ秒（Sidecarモードよりやや高い）。2つのPodをデプロイし、高可用性を確保。
リソースと運用コストの分析
- リソース効率：AmbientモードはSidecarモードに比べてリソースを節約。特にレイヤー4では顕著。
- 運用柔軟性：Ambientモードでは、アプリケーションチームとの協業なしにコントロールプレーン（Z Tunnel）やWaypointのアップグレードが可能。
- コスト効果：70%のシナリオ（mTLSや基本監視）ではレイヤー4のみで十分。レイヤー7は特定のアプリケーションニーズに応じて選択的に有効化。
吞吐量と拡張性
高並発環境では、**吞吐量（Throughput）**の重要性が際立つ。Johnのブログによると、Fastly（STO）は吞吐量とコントロールプレーンの拡張性において優れた性能を示す。ベンチマーク結果では、レイヤー4のレイテンシーは多くのアプリケーションにおいて感知されず、負荷に応じてレイヤーの有効化戦略を調整することが推奨される。
結論
- レイヤー4（TCP）：ほとんどのシナリオで十分なパフォーマンスを提供し、極めて低いレイテンシーとリソース消費。
- レイヤー7機能：アプリケーションのニーズに応じて選択的に有効化し、不要なオーバーヘッドを迴避。
- サービスメッシュの選定：パフォーマンス、リソースコスト、運用複雑度をバランスよく考慮し、Ambientモードはリソースと運用柔軟性において優位性を有する。
本実験は、サービスメッシュの実裝における重要な設計選択肢を明確にし、実際の運用におけるパフォーマンスとコストのトレードオフを理解するための參考となるべきです。