XDP

XDP 或 eXpress Data Path 在 Linux 内核中提供高性能、可编程的网络数据路径。

XDP 在软件堆栈的最低点提供裸机数据包处理，这使得它非常适合在不影响可编程性的情况下提高速度。

无需修改内核即可通过集成的快速路径动态实现新功能。

XDP 数据包进程包括一个内核组件，该组件通过功能接口直接从驱动程序处理 RX 数据包页面，而无需提前分配 skbuff 或软件队列。 通常，每个 RX 队列分配一个 CPU，但在此模型中，没有锁定 RX 队列，CPU 可以专用于忙轮询或中断模型。

BPF 程序执行诸如数据包解析、表查找、创建/管理有状态过滤器、封装/去封装数据包等处理。

BPF 的可扩展性与数据包检查和操作功能、流和表查找以及利用可移植到用户空间和其他操作系统的 BPF 程序的应用程序处理保持完整。

用例包括

○ 堆栈前处理，如过滤以进行 DOS 缓解

○ 转发和负载均衡

○ 批处理技术，例如通用接收卸载

○ 流量采样、监测

○ ULP 处理（例如消息描述）

如果传统的内核网络堆栈是高速公路，则内核旁路是建立高速列车基础设施的建议，而 XDP 是在高速公路上增加拼车车道的建议。

提高性能的技术

• 无锁
• 批量 I/O 操作
• 忙轮询
• 直接队列访问
• 页面回收，尽可能避免页面分配/空闲
• 无元数据（skbuff）分配的数据包处理
• 高效的表（流状态）查找
• 数据包导向
• 孤立处理，最大限度地减少跨 CPU/NUMA 节点操作
• RX 流哈希
• 常见的 NIC 卸载
• 明智的缓存预取，DDIO

一些硬件要求

• 多队列网卡
• 通用协议通用卸载

○ TX/RX 校验和卸载

○ 接收端缩放 (RSS)

○ 传输分段卸载 (TSO)

• LRO、aRFS、来自设备的流散列是“不错的选择”

XDP数据包处理器：

• 在处理 RX 数据包的内核组件中
• 直接从驱动程序处理 RX “packet-pages”

○ 功能界面

○ 没有提前分配 skbuff，没有 SW 队列

• 名义上为每个 RX 队列分配一个 CPU

○ 无锁RX队列

○ CPU 可以专用于忙轮询或使用中断模式

• BPF 程序执行处理

○ 解析数据包

○ 执行表查找，创建/管理有状态过滤器

○ 操作数据包（例如用于封装/去封装）

○ 退货操作

 

基本的 XDP 数据包处理器操作

• 转发

○ 可能在数据包修改之后（例如 NAT、ILA 路由器）

○ TX 队列是同一个 CPU 独占的，所以不需要锁

• 丢弃

○ 只是从函数中返回错误

○ 驱动回收页

• 正常接收

○ 分配 skbuff 并接收到堆栈

○ 将数据包转向另一个 CPU 进行处理

○ 允许用户空间的“原始”接口，如 AF_PACKET、netmap

• 通用接收卸载

○ 合并相同连接的数据包

○ 执行大数据包的接收

 

可编程性

• 数据包检查，BPF 程序发现的动作

○ 灵活（无循环）协议头解析

○ 可能由于流查找而有状态

○ 简单的包字段重写（encap/decap）

• 优化查找

○ 流查找（例如使用设备提供的流哈希）

○ 固定长度查找（例如，ILA 的 64 位标识符查找）

○ 有状态，使临时状态（例如 GRO 需要）

• 可扩展模型

○ 应用程序处理（例如应用层协议 GRO）

○ 利用正在进行的工作将 BPF 卸载到 HW

○ BPF 程序可以移植到用户空间或其他操作系统

 

 

依赖关系

主要依赖项是 libbpf、llvm、clang 和 libelf。 LLVM+clang 将我们的受限 C 程序编译成 BPF 字节代码，该代码存储在一个 ELF 目标文件 (libelf) 中，由 libbpf 通过 bpf 系统调用加载到内核中。 一些课程还使用 perf 实用程序通过跟踪点跟踪内核行为。