従来はベアメタル環境での運用が主流でしたが、柔軟性に欠ける一方で、仮想マシン（VM）環境は柔軟性はあるものの、ハイパーバイザーによるオーバーヘッドが性能面で課題となっていました。こうした中、コンテナ技術はベアメタルの高性能とVMの柔軟性の両方の利点を活かし、軽量かつ高速にアプリケーションを実行できる環境として注目されています。

Kubernetesネットワークの性能課題は、「オーバーレイネットワークのオーバーヘッド」「カーネルネットワークスタックの負荷」「大量トラフィック時の課題」という三つの問題が互いに関連し合いながら発生しています。

①まず、オーバーレイネットワークのオーバーヘッドは、VXLANなどの技術でパケットをカプセル化するために追加の処理が必要となり、CPU負荷や通信遅延が増加します。この処理はLinuxカーネルのネットワークスタックを通じて行われるため、カーネルスタックの負荷をさらに高める原因となります。つまり、オーバーレイのオーバーヘッドがカーネルネットワークスタックの負荷増大に直接つながっています。

補足：VXLANなどのオーバーレイネットワークは、多くのCNIプラグイン（Flannel、Weave Net、Ciliumの一部モードなど）で採用されています。これらのオーバーレイ技術はパケットのカプセル化・復号処理にCPU負荷がかかるため、オーバーヘッドが発生します。一方、CalicoのBGPモードや一部のCNIはオーバーレイを使わず、L3ルーティングを活用するため、このオーバーヘッドを軽減できます。本記事では、代表的なオーバーレイ技術の課題を中心に解説していますが、CNIの選択によって性能課題の度合いは異なります。

②次に、カーネルネットワークスタックの負荷は、パケット処理に多くのCPUリソースを消費し、スループットの限界を生み出します。これによりネットワーク全体の処理能力が制約され、性能のボトルネックとなります。

③そして、大量トラフィックが発生する状況では、秒間数万〜数十万のリクエストが集中します。このとき、既に増大しているオーバーヘッドやカーネルスタックの負荷が顕著に影響し、ネットワーク帯域やCPU処理能力がボトルネックとなって性能劣化を引き起こします。

まとめると、オーバーレイネットワークのオーバーヘッドがカーネルネットワークスタックの負荷を増大させ、その結果として大量トラフィック時にネットワーク性能のボトルネックが顕在化するという因果関係があります。これらの問題は独立しているのではなく、連鎖的に影響し合いながらKubernetesネットワークの性能課題を形成しています。

本記事では、従来のベアメタル環境からコンテナ環境への移行背景と、その中で重要な役割を果たすKubernetesのネットワークモデルについて解説しました。Kubernetesでは、Pod単位での通信を実現するためにCNIプラグインが用いられ、多様なネットワーク構成が可能となっています。

一方で、VXLANなどのオーバーレイ技術によるカプセル化処理や、Linuxカーネルのネットワークスタックを経由することによるCPU負荷の増大、大量トラフィック時の帯域・処理能力の制約など、ネットワーク性能面での課題も明らかになりました。

これらの課題を解決し、より高速で効率的なネットワークを実現するためには、RDMAやDPDKといった先進的な高速化技術の活用が不可欠です。後編では、これらの技術を中心に、Kubernetes環境におけるネットワーク高速化の具体的な手法と運用上のポイントについて詳しく解説します。

引き続きご期待ください。