《Linux内核观测技术BPF》
《Linux内核观测技术BPF》
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XDP
介绍
简单介绍
- 是什么： XDP 是 Linux 网络数据路径上内核集成的数据包处理器
- 特点： 安全、可编程、高性能
- 作用： 当网卡驱动程序收到数据包时， 该处理器执行 BPF 程序。这使得 XDP 程序可以在最早的时间点 ， 对接收到的数据包进行丢弃、修改或允
许等操作。
注意点：
- 使用 XDP 进行数据包处理时，没有内存分配。
- XDP 程序仅适用于线性的、无碎片的数据包，并且有数据包的头指针和尾指针 。
- XDP 程序无法访问完整的数据包元数据，这种程序接收的输入上下文是
xdp_buff类型，而不是在第 6 章中提到的sk_buff结构（比较见下） - 由于 XDP 程序是 eBPF 程序，在网络管道中 XDP 程序的使用开销是固定的，所以 XDP 程序的执行时间有限。
当谈论 XDP 时， 我们需要记住的是 XDP 不是一个内核旁路机制。 XDP 的设计旨在与其他内核组件和 Linux 内部安全模型集成。
xdp_buff vs sk_buff
- XDP 程序无法访问完整的数据包元数据，这种程序接收的输入上下文是
xdp_buff类型，而不是在第 6 章中提到的sk_buff结构 xdp_buff结构可视为sk_buff的 "轻量级"版本- 两者之间的区别在于：
sk_buff于保留数据包的元数据，允许与这些数据包的元数据 (包括原型、标记和类型) 联合使用，这些元数据仅在网络管道的更高级别可用。xdp_buf创建很早，不依赖其他内核层，所以 XDP 可以更快地获得和处理数据包。
- 另一个原因是
xdp_buff与使用sk_buff的程序类型有所差异，xdp_buff并不保存对路由、流量控制钩子或其他类型的数据包元数据的引用。
XDP 程序概述
介绍
作用：
本质上 XDP 程序所做的是对接收的数据包进行决策，然后对接收的数据包内容进行编辑或者仅返回一个结果码。
结果码用于决定对数据包进行的操作。你可以丢弃数据包，或将其发送到同一接口，也可以将其传递给其余的网络栈。
此外， XDP 程序可与网络技协作推送和拉取数据包头。例如，如果当前内核不支持封装格式或协议， XDP 程序可以对其进行解包或转换协议，然后
将结果发送到内核进行处理 。
XDP 和 eBPF 之间有什么关联呢?
XDP 程序是通过 bpf 系统调用进行控制的，使用程序类型 BPF_PROG_TYPE_XDP 进行加载。执行驱动程序将挂钩执行 BPF 字节码。
当编写 XDP 程序时，我们要理解的一个重要慨念是程序运行的上下文，也称为操作模式。
操作模式
XDP 有三种操作模式 :
- 原生 XDP
- 卸载 XDP
- 通用 XDP
(1) 原生 XDP
这是默认模式 。 在这种模式下， XDP 的 BPF 程序在网络驱动程序的早期接收路径之外直接运行。
检查是否支持该模式：
使用此模式时需要检查驱动程序是否支持此模式。你可以在给定内核版本的源代码上执行如下命令进行检查:
# Clone the linux-stab1e repository
git clone git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stab1e/linux-stable.git\
linux-stable
# Checkout the tag for your current kernel version
cd linux-stable
git checkout tags/v4.18
# Check the availab1e drivers
git grep -l XDP_SETUP_PROG drivers/命令输出结果如下:
drivers/net/ethernet/broadcom/bnxt/bnxt_xdp.c
drivers/net/ethernet/cavium/thunder/nicvf main.c
drivers/net/ethernet/intel/i40e/i40e main.c
drivers/net/ethernet/intel/ixgbe/ixgbe_main.c
drivers/net/ethernet/intel/ixgbevf/ixgbevf_main . c
drivers/net/ethernet/mel1anox/mlx4/en netdev.c
drivers/net/ethernet/mel1anox/mlx5/core/en main.c
drivers/net/ethernet/netronome/nfp/nfp_net_common.c
drivers/net/ethernet/qlogic/qede/qede_filter.c
drivers/net/netdevsim/bpf.c
drivers/net/tun.c
drivers/net/virtio net.c如我们所见，内核 4 . 18 支持以下驱动:
- Broadcom NetXtreme-C/E 网络驱动 bnxt
- Cavium thunderx 驱动
- lntel i40 驱动
- Intel ixgbe and ixgvevf 驱动
- Mellanox mlx4 and mlx5 驱动
- Netronome 网络流处理器
- QLogic qede NIC 驱动
- TUNrrAP
- Virtio
在熟悉原生 XDP 操作模式 后 ，我们将继续看一 下如何通过网卡使用卸载 XDP 来直接处理 XDP 程序。
(2) 卸载 XDP
（这里翻译成卸载有点……emmm）
在这种模式下 XDP 的 BPF 程序直接卸载到网卡上，而不是在主机 CPU 上执行。因为将执行从 CPU 上移出，所以这种模式比原生 XDP 具有更高的性能。
检查是否支持该模式：
我们可以重复使用克隆的内核源代码，通过查找 XDP_SE TUP_PROG_HW。检查在内核 4.18 上哪些网卡驱动程序支持硬件卸载：
git grep -1 XDP_SETUP_PROG_HW driversl命令输出如下:
include/linux/netdevice.h
886: XDP_SETUP_PROG_HW, net/core/dev.c
8001: xdp.command XDP_SETUP_PROG_HW;
drivers/net/netdevsim/bpf.c
200: if (bp手-)c创rnand == XDP SETUP PRC巳二刷抽 !ns-)bpf_xd阳忏1oad_accept) {
205: if (bpf• command XDP_SETUP_PROG_HW) {
560: case XDP SETUP PROG HW:
drivers/net/ethernet/netronome/nfp/nfp_net_common.c
3476: case XDP SETUP PROG HW:这里仅显示了 Netronome Network Flow Processor (nfp)。这意味着该驱动支持硬件卸载 XDP 和原生 XDP 两种操作模式。
现在，你可能要问：如果我没有网卡和驱动程序来测试 XDP 程序，该怎么办？答案很简单，使用通用 XDP！
(3) 通用 XDP
如果开发人员想要编写和运行 XDP 程序，但是没有原生 XDP 或卸载 XDP 的功能，可以使用通用 XDP ，通用 XDP 是一种测试模式。
检查是否支持该模式：
内核从版本 4.12 开始支持通用 XDP。你可以在 veth 设备上使用这种模式。我们将在后续的示例中使用该模式来演示 XDP 的功能，无须购买特定的硬件。
但是，谁负责所有组件和操作模式之间的协调呢?下面我们将介绍数据包处理器。
总结 - 比较三种XDP
数据包处理器
XDP 数据包处理器可以在 XDP 数据包上执行 BPF 程序，并协调 BPF 程序和网络技之间的交互。
数据包处理器是 XDP 程序的内核组件，一旦数据包被网卡接收，数据包处理器直接处理接收 (RX) 队列上的数据包。数据包处理器保证数据包是可读写的，井允许以操作的形式附加处理后决策。数据包处理器可以在运行时原子性地更新程序和加载新程序，并且不会导致网络和相关流量中断服务。在运行时， XDP 可以使用"忙轮询"模式，在这种模式下，CPU 会一直保持处理每个 RX 队列上的数据包，由于避免了上下文切换，可使得数据包到达后立即被处理，无论 IRQ 亲和性如何。另一方面， XDP 可以使用的另一种模式是"中断驱动"模式，在该模式下， CPU 可以进行其他处理，当接收到数据包时，会产生一个事件中断行为指令，通知 CPU 在继续正常处理的同时必须处理一个新事件。