高性能網(wǎng)絡(luò)框架之XDP技術(shù)

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(luò)處理，DPDK已成為用戶態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)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(nèi)核，這會導(dǎo)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(shù)在網(wǎng)卡驅(qū)動層實現(xiàn)高性能網(wǎng)絡(luò)框架，且其原生運行在內(nèi)核態(tài)可直通內(nèi)核TCP/UDP協(xié)議棧。XDP作為一種數(shù)據(jù)面高性能框架技術(shù)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(nèi)核提供的高性能、可編程的網(wǎng)絡(luò)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(nèi)核運行eBPF指令快速的處理報文并無縫對接內(nèi)核協(xié)議棧。

XDP不是內(nèi)核旁路，是在網(wǎng)卡和內(nèi)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(shù)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(yīng)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(shù)提供了一個高性能網(wǎng)絡(luò)處理框架，用戶根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)eBPF編程指南來自定義網(wǎng)絡(luò)處理行為。同時內(nèi)核新增AF_XDP協(xié)議族，在內(nèi)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(nèi)核拓展到用戶態(tài)應(yīng)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(nèi)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(shè)備、XDP框架、TCP/IP協(xié)議棧、Socket接口、應(yīng)用層等各個層面，覆蓋了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡到服務(wù)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(nèi)核中的相對位置處于網(wǎng)卡驅(qū)動和協(xié)議棧之間，實際運行在驅(qū)動層。從網(wǎng)卡到CPU處理器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包經(jīng)由網(wǎng)卡驅(qū)動首先到達(dá)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(jié)果為丟棄（Drop）、轉(zhuǎn)發(fā)（Forward）、本地接受（Receive Local）等，結(jié)果為本地接受的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包延續(xù)原有內(nèi)核路徑繼續(xù)進(jìn)入TCP/IP協(xié)議棧處理，結(jié)果為轉(zhuǎn)發(fā)或者丟棄的網(wǎng)絡(luò)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(luò)中占據(jù)大頭，其執(zhí)行路徑相對傳統(tǒng)的內(nèi)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(jìn)行加載/更新/配置等通道能力，內(nèi)核提供對應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)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(luò)數(shù)據(jù)面和控制面集合的整體框架。

3、XDP應(yīng)用開發(fā)介紹

XDP框架以eBPF技術(shù)為基礎(chǔ)。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(nèi)核。eBPF提供了一種在各種內(nèi)核和應(yīng)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(yīng)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(nèi)核運行，不可用標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(nèi)核各個模塊預(yù)設(shè)的鉤子（Hooks）處。其中XDP框架是內(nèi)核在網(wǎng)卡驅(qū)動開辟的一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)快速路徑的鉤子（Hooks）。內(nèi)核其他典型鉤子（Hooks）分別為內(nèi)核函數(shù) (kprobes)、用戶空間函數(shù) (uprobes)、系統(tǒng)調(diào)用、fentry/fexit、跟蹤點、網(wǎng)絡(luò)路由、TC、TCP擁塞算法、套接字等模塊。

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

圖3 eBPF支持眾多內(nèi)核鉤子應(yīng)用

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

（1）如下圖4所示，內(nèi)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(nèi)存訪問是否越界，程序是否包含不可達(dá)的指令等。最強優(yōu)勢是可以在不中斷工作負(fù)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(nèi)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(jìn)程間通信的共享內(nèi)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(dān)了用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的數(shù)據(jù)交互角色。

圖5 BFP Map銜接用戶態(tài)和內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)C庫的缺失。常見的如獲取隨機數(shù)、獲取當(dāng)前時間、map訪問、獲取進(jìn)程/cgroup上下文、處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包和轉(zhuǎn)發(fā)、訪問套接字?jǐn)?shù)據(jù)、執(zhí)行尾調(diào)用、訪問進(jìn)程棧、訪問系統(tǒng)調(diào)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(nèi)核kmodule等開發(fā)模式，eBPF提供了一種獨特的尾調(diào)用和函數(shù)調(diào)用機制。因受內(nèi)核棧空間寶貴及eBPF不支持循環(huán)，遞歸深度限制（最大32）等原因，eBPF引入尾調(diào)用和函數(shù)調(diào)用來實現(xiàn)eBPF程序間跳轉(zhuǎn)。尾調(diào)用和函數(shù)調(diào)用機制對性能優(yōu)化做了充分設(shè)計，其中尾調(diào)用能復(fù)用當(dāng)前的棧幀并跳轉(zhuǎn)至另外一個eBPF程序，具體細(xì)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(diào)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(diào)用，并且在內(nèi)核5.9以后支持尾調(diào)用和函數(shù)調(diào)用的協(xié)同工作。尾調(diào)用的缺點是生成的程序鏡像大但是省內(nèi)存；函數(shù)調(diào)用的優(yōu)點是鏡像小但是內(nèi)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(diào)用和函數(shù)調(diào)用的混合協(xié)作過程,其中tail call為尾調(diào)用，bpf2bpf call為函數(shù)調(diào)用。

圖7 eBPF程序尾調(diào)用和函數(shù)調(diào)用的混合協(xié)作

4、XDP的同類技術(shù)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(biāo)，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(nèi)核且運行在用戶態(tài)，XDP在內(nèi)核中運行在網(wǎng)卡和內(nèi)核協(xié)議棧之間。DPDK是脫離內(nèi)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(nèi)核的一個快速數(shù)據(jù)路徑（相比原先的內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)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(nèi)存。XDP對CPU不獨占也不需要大頁內(nèi)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(nèi)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(qū)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(hù)和發(fā)布，具體技術(shù)生態(tài)由其子項目IO Visor來維護(hù)。

（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(yīng)用場景的典型項目：

• DDoS防御
• 防火墻
• 基于XDP的負(fù)載均衡
• 協(xié)議棧前處置
• 云原生應(yīng)用服務(wù)優(yōu)化 (如對K8S,OpenStack，Docker等服務(wù)改進(jìn)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(nèi)核內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和安全策略實施的開源項目。Cilium項目為Pod和外部服務(wù)之間的流量實現(xiàn)了分布式負(fù)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(guān)、帶寬管理和服務(wù)網(wǎng)格，并提供深度網(wǎng)絡(luò)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(wù)和網(wǎng)卡之間，通過XDP技術(shù)來改善上層服務(wù)的性能和安全，其非常巧妙和安全的在內(nèi)核數(shù)據(jù)流節(jié)點動態(tài)完成之前內(nèi)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(nèi)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(qū)動層XDP框架植入用戶態(tài)網(wǎng)絡(luò)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(nèi)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(yīng)用的無感知功能升級。

圖10 Cilium項目中通過XDP和eBPF對內(nèi)核進(jìn)行功能擴展示意圖

Cilium項目為云原生場景下的服務(wù)性能提升和安全改進(jìn)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(wù)都得益于eBPF/XDP來實現(xiàn)性能提高和安全改進(jìn)。

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(yīng)用，Linux基金會成立子項目IO Visor以實現(xiàn)基于Linux內(nèi)核延伸出一個開放可編程的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)面開源項目，XDP屬于IO Visor項目的子項目。Linux內(nèi)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(shù)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(nèi)核運行的安全性要求，將虛擬化相關(guān)的任務(wù)移植到內(nèi)核空間會是比較大的挑戰(zhàn)。

在性能改進(jìn)方面，Sebastiano Miano等人于2019年使用XDP和TC鉤子掛載eBPF程序?qū)崿F(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(nèi)核中實現(xiàn)了一層Memcached的緩存，達(dá)到了比DPDK內(nèi)核旁路方案還要高的性能。

XDP項目在傳統(tǒng)內(nèi)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(shù)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(shù)。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(shù)的密切跟蹤，從技術(shù)層面持續(xù)跟蹤產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，對新興技術(shù)保持開放的心態(tài)并積極擁抱新技術(shù)，推動產(chǎn)業(yè)界通過新興技術(shù)為廣大人民群眾帶來實實在在的數(shù)智化服務(wù)。