高性能網(wǎng)絡框架之XDP技術

作者：韓文，單位：中國移動智慧家庭運營中心安全產(chǎn)品部

談到高性能網(wǎng)絡處理，DPDK已成為用戶態(tài)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理的基礎框架，其中最廣泛熟知的項目就是OVS-DPDK。然而由于DPDK完全旁路內核，這會導致TCP/UDP等協(xié)議棧需要在用戶態(tài)重新實現(xiàn)，且迄今還沒有較好的通用用戶態(tài)協(xié)議棧開源項目出現(xiàn)。在這種情況下，XDP借助于eBPF虛擬機技術在網(wǎng)卡驅動層實現(xiàn)高性能網(wǎng)絡框架，且其原生運行在內核態(tài)可直通內核TCP/UDP協(xié)議棧。XDP作為一種數(shù)據(jù)面高性能框架技術為平衡高速數(shù)據(jù)處理和協(xié)議棧兼容開辟了一個新的道路。

1、XDP的基本概念

XDP全稱eXpress Data Path，即快速數(shù)據(jù)路徑，是Linux內核提供的高性能、可編程的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包處理框架。XDP會直接接管網(wǎng)卡的RX方向數(shù)據(jù)包，通過在內核運行eBPF指令快速的處理報文并無縫對接內核協(xié)議棧。

XDP不是內核旁路，是在網(wǎng)卡和內核協(xié)議棧之間增加了一個快速數(shù)據(jù)路徑。XDP借助于eBPF技術從而繼承了其可編程、即時實現(xiàn)、安全等優(yōu)良特性。

XDP智能網(wǎng)卡是XDP概念的延伸。在支持eBPF指令的智能網(wǎng)卡上，將CPU上XDP對應的eBPF指令下沉加載到智能網(wǎng)卡，這樣可以同時實現(xiàn)CPU資源節(jié)約和規(guī)則硬件卸載。

XDP借助eBPF技術提供了一個高性能網(wǎng)絡處理框架，用戶根據(jù)標準eBPF編程指南來自定義網(wǎng)絡處理行為。同時內核新增AF_XDP協(xié)議族，在內核XDP框架中被匹配的數(shù)據(jù)包通過其送抵用戶態(tài)，這又將XDP的支持從內核拓展到用戶態(tài)應用場景。

2、XDP的整體框架

如下圖1，我們通過XDP整體框架圖來展示其在內核系統(tǒng)中的相對位置以及其如何滿足數(shù)據(jù)平面開發(fā)框架的要求。

圖1 XDP整體框架圖

圖1包含了網(wǎng)卡設備、XDP框架、TCP/IP協(xié)議棧、Socket接口、應用層等各個層面，覆蓋了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡到服務端的數(shù)據(jù)流全過程。圖1中間的灰色部分（XDP Packet Processor）是XDP框架，其數(shù)據(jù)面處理單元在內核中的相對位置處于網(wǎng)卡驅動和協(xié)議棧之間，實際運行在驅動層。從網(wǎng)卡到CPU處理器的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包經(jīng)由網(wǎng)卡驅動首先到達XDP框架，被運行在XDP框架中的用戶自定義eBPF程序處理，數(shù)據(jù)包的處理結果為丟棄（Drop）、轉發(fā)（Forward）、本地接受（Receive Local）等，結果為本地接受的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包延續(xù)原有內核路徑繼續(xù)進入TCP/IP協(xié)議棧處理，結果為轉發(fā)或者丟棄的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包則直接在XDP框架中被直接處理（這部分流量在現(xiàn)實網(wǎng)絡中占據(jù)大頭，其執(zhí)行路徑相對傳統(tǒng)的內核路徑被大大縮短）。圖1中間灰色部分（XDP Packet Processor）中的黑色虛線展示了上層控制對XDP框架中的eBPF程序進行加載/更新/配置等通道能力，內核提供對應的系統(tǒng)調用來實現(xiàn)控制面對數(shù)據(jù)面的管控。圖1XDP整體框架圖完整的展示了XDP作為一個高性能網(wǎng)絡數(shù)據(jù)面和控制面集合的整體框架。

3、XDP應用開發(fā)介紹

XDP框架以eBPF技術為基礎。BPF是一個通用目的RISC指令集。1992年，BPF第一次在Berkeley實驗室被提出。2013年，BPF被加強從而得到eBPF，并在2014年正式并入Linux內核。eBPF提供了一種在各種內核和應用事件發(fā)生時運行一小段程序的機制。如下圖2，我們講述eBPF的開發(fā)/運行過程及在XDP上的具體應用。

圖2 典型eBPF開發(fā)、運行流程圖

圖2展示了一個典型的eBPF開發(fā)、運行全過程。開發(fā)者用C語言的一個子集（內核運行，不可用標準C庫）開發(fā)程序，然后用LLVM/clang編譯器將其編譯成eBPF指令（Bytecode），在eBPF驗證器（Verifier）檢驗通過后被內核中的即時編譯器（JIT Compiler）將eBPF指令映射成處理器的原生指令（opcode）再加載到內核各個模塊預設的鉤子（Hooks）處。其中XDP框架是內核在網(wǎng)卡驅動開辟的一個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)快速路徑的鉤子（Hooks）。內核其他典型鉤子（Hooks）分別為內核函數(shù) (kprobes)、用戶空間函數(shù) (uprobes)、系統(tǒng)調用、fentry/fexit、跟蹤點、網(wǎng)絡路由、TC、TCP擁塞算法、套接字等模塊。

XDP是內核基于eBPF實現(xiàn)對網(wǎng)絡快速路徑的一個具體應用。下圖3我們羅列了內核中支持eBPF鉤子（Hooks）節(jié)點的典型應用。

圖3 eBPF支持眾多內核鉤子應用

相比于傳統(tǒng)的用戶態(tài)/內核態(tài)程序，eBPF/XDP有如下典型特征：

（1）如下圖4所示，內核即時編譯器（in-kernel JIT Compiler）會將eBPF字節(jié)碼映射成性能更優(yōu)的處理器原生指令以實現(xiàn)高性能，同時其程序校驗器（verifier）會校驗程序安全性并提供沙箱運行環(huán)境。其安全檢查包含判斷是否有循環(huán)，程序長度是否超過限制，程序內存訪問是否越界，程序是否包含不可達的指令等。最強優(yōu)勢是可以在不中斷工作負載下實現(xiàn)實時更新。

圖4 eBPF加載、檢驗、編譯示意圖

（2）eBPF程序的內核態(tài)與用戶態(tài)數(shù)據(jù)交換通過BPF maps來實現(xiàn)，其類似進程間通信的共享內存訪問。其支持的數(shù)據(jù)類型有Hash表、數(shù)組、LRU緩存(Least Recently Used)、 環(huán)形隊列、堆棧軌跡、LPM路由表(Longest Prefix match)。如下圖5所示，BPF Map承擔了用戶態(tài)和內核態(tài)的數(shù)據(jù)交互角色。

圖5 BFP Map銜接用戶態(tài)和內核態(tài)的數(shù)據(jù)交互

（3）eBPF通過提供輔助函數(shù)來彌補標準C庫的缺失。常見的如獲取隨機數(shù)、獲取當前時間、map訪問、獲取進程/cgroup上下文、處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包和轉發(fā)、訪問套接字數(shù)據(jù)、執(zhí)行尾調用、訪問進程棧、訪問系統(tǒng)調用參數(shù)等，在實際開發(fā)中可通過man bpf-helpers命令獲取更多幫助信息。下圖6展示了一個bpf命名開頭的獲取隨機數(shù)輔助函數(shù)。

圖6 BPF輔助函數(shù)范例-獲取隨機數(shù)

（4）相比純內核kmodule等開發(fā)模式，eBPF提供了一種獨特的尾調用和函數(shù)調用機制。因受內核?？臻g寶貴及eBPF不支持循環(huán)，遞歸深度限制（最大32）等原因，eBPF引入尾調用和函數(shù)調用來實現(xiàn)eBPF程序間跳轉。尾調用和函數(shù)調用機制對性能優(yōu)化做了充分設計，其中尾調用能復用當前的棧幀并跳轉至另外一個eBPF程序，具體細節(jié)請參考bpf_tail_call輔助函數(shù)使用手冊。由于eBPF程序彼此獨立，尾調用機制在事實上給開發(fā)者提供了以函數(shù)為單元的編排能力。從Linux 4.16和LLVM 6.0開始，eBPF開始支持函數(shù)調用，并且在內核5.9以后支持尾調用和函數(shù)調用的協(xié)同工作。尾調用的缺點是生成的程序鏡像大但是省內存；函數(shù)調用的優(yōu)點是鏡像小但是內存消耗大。開發(fā)者可根據(jù)實際需要靈活選擇不同的方式。下圖7展示了eBPF程序尾調用和函數(shù)調用的混合協(xié)作過程,其中tail call為尾調用，bpf2bpf call為函數(shù)調用。

圖7 eBPF程序尾調用和函數(shù)調用的混合協(xié)作

4、XDP的同類技術對比

以目前最廣泛使用的用戶態(tài)數(shù)據(jù)面開發(fā)框架DPDK為對標，我們通過如下數(shù)據(jù)流圖來說明XDP和DPDK的實現(xiàn)差異。如下圖8，DPDK完全旁路內核且運行在用戶態(tài)，XDP在內核中運行在網(wǎng)卡和內核協(xié)議棧之間。DPDK是脫離內核的一個全新數(shù)據(jù)平面開發(fā)框架，而XDP則是依附于內核的一個快速數(shù)據(jù)路徑（相比原先的內核網(wǎng)絡慢路徑）。

圖8 數(shù)據(jù)流在XDP和DPDK數(shù)據(jù)平面上的走向差異

如下是XDP和DPDK具體的對比情況：

（1）DPDK會獨占CPU資源且需要大頁內存。XDP對CPU不獨占也不需要大頁內存。XDP對硬件的要求較DPDK更低。

（2）以DPDK為數(shù)據(jù)面框架的項目會是重開發(fā)人力資源投入,可參考典型項目FD.IO(VPP)和OVS-DPDK。XDP為內核原生自帶的快速數(shù)據(jù)通道，是輕量級數(shù)據(jù)面框架。

（3）DPDK需要網(wǎng)卡驅動和用戶態(tài)協(xié)議棧等各層面的代碼支持和許可證支持。XDP直接由Linux基金會維護和發(fā)布，具體技術生態(tài)由其子項目IO Visor來維護。

（4）DPDK在大容量高吞吐等場景有優(yōu)勢。XDP在云原生等場景有優(yōu)勢。

目前XDP有如下應用場景的典型項目：

• DDoS防御
• 防火墻
• 基于XDP的負載均衡
• 協(xié)議棧前處置
• 云原生應用服務優(yōu)化 (如對K8S,OpenStack，Docker等服務改進項目)
• 流量控制

5、基于eBPF/XDP的著名開源項目

Cilium是使用eBPF和XDP為容器提供快速的內核內網(wǎng)絡和安全策略實施的開源項目。Cilium項目為Pod和外部服務之間的流量實現(xiàn)了分布式負載平衡，并且能夠完全取代kube-proxy，在eBPF中使用高效的哈希表，允許幾乎無限的擴展。它還支持高級功能，如集成入口和出口網(wǎng)關、帶寬管理和服務網(wǎng)格，并提供深度網(wǎng)絡和安全可見性和監(jiān)控。

如下圖9所示，eBPF/XDP（小蜜蜂）處于容器、Pod等服務和網(wǎng)卡之間，通過XDP技術來改善上層服務的性能和安全，其非常巧妙和安全的在內核數(shù)據(jù)流節(jié)點動態(tài)完成之前內核無法完成的工作。

圖9 Cilium項目組件分布圖

圖10展示了Cilium項目中分別通過XDP和eBPF在內核網(wǎng)卡和Socket層實現(xiàn)功能改善的一個具體案例。圖10左邊是在網(wǎng)卡驅動層XDP框架植入用戶態(tài)網(wǎng)絡處理代碼，右邊是在Socket層插入套接字處理代碼，這樣既可以在不修改內核的前提下實現(xiàn)功能動態(tài)拓展又實現(xiàn)了對上層容器、Pod等典型節(jié)點應用的無感知功能升級。

圖10 Cilium項目中通過XDP和eBPF對內核進行功能擴展示意圖

Cilium項目為云原生場景下的服務性能提升和安全改進等方面提供了一個非常好的模范解決方案。如圖11，各類常見的云原生服務都得益于eBPF/XDP來實現(xiàn)性能提高和安全改進。

圖11 eBPF/XDP在Cilium項目中的核心價值

6、DP的發(fā)展前景

為實現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)平面和加速NFV應用，Linux基金會成立子項目IO Visor以實現(xiàn)基于Linux內核延伸出一個開放可編程的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)面開源項目，XDP屬于IO Visor項目的子項目。Linux內核沒有虛擬化是IO Visor在NFV場景下最大的挑戰(zhàn)，XDP通過eBPF虛擬機即時實現(xiàn)技術來彌補這個缺陷。但是幾乎所有的虛擬機都運行在用戶空間，受制于eBPF虛擬機在內核運行的安全性要求，將虛擬化相關的任務移植到內核空間會是比較大的挑戰(zhàn)。

在性能改進方面，Sebastiano Miano等人于2019年使用XDP和TC鉤子掛載eBPF程序實現(xiàn)了Linux的防火墻iptable，在規(guī)則數(shù)量提高的情況下提供相比原始iptable高數(shù)倍甚至數(shù)十倍的性能。Yoann Ghigoff等人于2021年更是基于eBPF和XDP、TC在內核中實現(xiàn)了一層Memcached的緩存，達到了比DPDK內核旁路方案還要高的性能。

XDP項目在傳統(tǒng)內核模型和全新用戶態(tài)框架之間開盤了新的道路，用以填補新技術跨度過大帶來的資源投入陷阱。我們看到微軟在2022年宣布計劃在Windows平臺開始支持XDP技術。隨著整個生態(tài)環(huán)境的逐步完善，XDP帶來的輕量級、即時實現(xiàn)、高性能通道、安全可靠等能力會日益發(fā)揮更大的價值。

中國移動智慧家庭中心會保持對XDP技術的密切跟蹤，從技術層面持續(xù)跟蹤產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，對新興技術保持開放的心態(tài)并積極擁抱新技術，推動產(chǎn)業(yè)界通過新興技術為廣大人民群眾帶來實實在在的數(shù)智化服務。