Linux eBPF & XDP Networking Primer

// BPF map: src IP → drop flag (1 = drop) struct { __uint(type, BPF_MAP_TYPE_HASH); __uint(max_entries, 1024); __type(key, __u32); // source IPv4 address __type(value, __u32); // 1 = block } blocklist SEC(".maps"); SEC("xdp") int xdp_drop_udp(struct xdp_md *ctx) { void *data = (void *)(long)ctx->data; void *data_end = (void *)(long)ctx->data_end; // Parse Ethernet header struct ethhdr *eth = data; if ((void *)(eth + 1) > data_end) return XDP_PASS; if (eth->h_proto != __constant_htons(ETH_P_IP)) return XDP_PASS; // Parse IPv4 header struct iphdr *ip = (void *)(eth + 1); if ((void *)(ip + 1) > data_end) return XDP_PASS; if (ip->protocol != IPPROTO_UDP) return XDP_PASS; // Check blocklist map __u32 src = ip->saddr; __u32 *val = bpf_map_lookup_elem(&blocklist, &src); if (val && *val == 1) return XDP_DROP; return XDP_PASS; } char _license[] SEC("license") = "GPL";

تحميل وإرفاق معip:

# Compile
clang -O2 -target bpf -c xdp_drop_udp.c -o xdp_drop_udp.o

# Attach to interface (native XDP)
ip link set eth0 xdp obj xdp_drop_udp.o sec xdp

# Add an IP to the blocklist via bpftool
bpftool map update name blocklist key 0x01 0x02 0x03 0x04 value 0x01 0x00 0x00 0x00

# Remove XDP program
ip link set eth0 xdp off

4. AF_XDP: تجاوز النواة

AF_XDPهي عائلة مقابس مدمجة مع XDP'sXDP_REDIRECTالحكم، يسلم الحزم مباشرة إلى منطقة ذاكرة مساحة المستخدم (UMEM) دون تدخل kernel لكل حزمة. هذه هي إجابة نظام eBPF البيئي لنموذج تجاوز kernel الخاص بـ DPDK.

المكونات الرئيسية:

• أوميم: منطقة ذاكرة مسجلة في مساحة المستخدم مقسمة إلى إطارات. مشتركة بين kernel ومساحة المستخدم عبر الذاكرة المشتركة.
• خواتم: أربع حلقات خالية من القفل لكل مقبس: ملء (مساحة المستخدم ← نواة مع إطارات مجانية)، إكمال (نواة ← مساحة مستخدم مع إطارات منتهية بـ TX)، حلقة RX (نواة ← مساحة مستخدم مع إطارات مستلمة)، حلقة TX (مساحة مستخدم ← نواة مع إطارات للإرسال).
• وضع النسخ الصفري: إذا كان برنامج التشغيل يدعمه، فسيتم نقل الإطارات دون أي نسخة — مجرد تمرير المؤشر.

يعد AF_XDP مثاليًا لمعالجة الحزم المخصصة بمعدل الخط دون التعقيد التشغيلي لـ DPDK (لا توجد صفحات ضخمة، ولا يلزم تثبيت وحدة المعالجة المركزية للاستخدام الأساسي).

5. tc BPF: تشكيل وتصفية حركة المرور

tc(التحكم في حركة المرور) يتم إرفاق برامج BPF فيclsactqdisc ويمكن تشغيله عند الدخول أو الخروج. على عكس XDP، فإنهم يرون كاملاًsk_buffويمكنه الوصول إلى بيانات تعريف المقبس وشبكات VLAN ورؤوس الأنفاق.

// tc_mark.c — Mark packets with DSCP EF (46) for VoIP traffic on port 5060
#include <linux/bpf.h>
#include <linux/if_ether.h>
#include <linux/ip.h>
#include <linux/udp.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>

SEC("classifier")
int tc_mark_voip(struct __sk_buff *skb) {
    void *data     = (void *)(long)skb->data;
    void *data_end = (void *)(long)skb->data_end;

    struct ethhdr *eth = data;
    if ((void *)(eth + 1) > data_end) return TC_ACT_OK;
    if (eth->h_proto != __constant_htons(ETH_P_IP)) return TC_ACT_OK;

    struct iphdr *ip = (void *)(eth + 1);
    if ((void *)(ip + 1) > data_end) return TC_ACT_OK;
    if (ip->protocol != IPPROTO_UDP) return TC_ACT_OK;

    struct udphdr *udp = (void *)(ip + 1);
    if ((void *)(udp + 1) > data_end) return TC_ACT_OK;

    // Mark SIP traffic (port 5060) with DSCP EF (46 = 0xB8 in TOS byte)
    if (udp->dest == __constant_htons(5060) || udp->source == __constant_htons(5060)) {
        // DSCP EF = 46, shifted left 2 bits in TOS field = 184 (0xB8)
        bpf_skb_store_bytes(skb, offsetof(struct iphdr, tos) + sizeof(struct ethhdr),
                            &((__u8){184}), 1, BPF_F_RECOMPUTE_CSUM);
    }
    return TC_ACT_OK;
}

char _license[] SEC("license") = "GPL";

# Attach tc BPF program
tc qdisc add dev eth0 clsact
tc filter add dev eth0 egress bpf da obj tc_mark.o sec classifier

6. تحديد المعدل باستخدام خرائط eBPF

تتيح خرائط eBPF المعالجة ذات الحالة. يطبق النمط التالي تحديد معدل لكل مصدر IP باستخدام مجموعة الرمز المميز المخزنة في ملفBPF_MAP_TYPE_LRU_HASH:

// Conceptual token bucket per source IP — checks tokens, drops if exceeded
struct ratelimit_entry {
    __u64 tokens;        // current token count
    __u64 last_update;   // nanoseconds timestamp
};

struct {
    __uint(type, BPF_MAP_TYPE_LRU_HASH);
    __uint(max_entries, 65536);
    __type(key, __u32);                     // source IP
    __type(value, struct ratelimit_entry);
} rate_map SEC(".maps");

// In XDP program:
// 1. bpf_ktime_get_ns() — get current time
// 2. Lookup entry for src IP
// 3. Refill tokens: tokens += (elapsed_ns / 1e9) * rate_pps
// 4. If tokens >= 1: decrement and XDP_PASS
// 5. Else: XDP_DROP

7. bpftool & bpftrace الاستبطان

أداتان أساسيتان للعمل مع برامج eBPF المباشرة:

# bpftool — inspect loaded programs and maps
bpftool prog list                         # list all loaded eBPF programs
bpftool prog show id 42                   # details for program ID 42
bpftool prog dump xlated id 42            # disassemble to eBPF bytecode
bpftool prog dump jited id 42            # dump JIT-compiled native code
bpftool map list                          # list all BPF maps
bpftool map dump name blocklist           # dump all entries in map "blocklist"
bpftool map update name blocklist \
    key 192 168 1 100 value 1 0 0 0       # add entry (network byte order)

# bpftrace — DTrace-style one-liners for kernel tracing
# Count XDP drops per second
bpftrace -e 'tracepoint:xdp:xdp_exception { @drops[args->action] = count(); } interval:s:1 { print(@drops); clear(@drops); }'

# Trace tcp_retransmit_skb — show retransmit events with comm name
bpftrace -e 'kprobe:tcp_retransmit_skb { printf("%s retransmit\n", comm); }'

# Histogram of packet sizes on eth0
bpftrace -e 'tracepoint:net:netif_receive_skb /args->name == "eth0"/ { @size = hist(args->len); }'

8. المقارنة: eBPF/XDP مقابل DPDK مقابل RDMA

ميزة	إيببف/XDP	دي بي دي كيه	آر دي إم إيه
تورط النواة	الحد الأدنى (XDP في برنامج التشغيل)	لا شيء (تجاوز كامل)	لا يوجد (RDMA NIC)
نموذج الذاكرة	قياسي + AF_XDP UMEM	مطلوب صفحات ضخمة	مناطق الذاكرة المسجلة
ماكس الإنتاجية	~100 جيجابت في الثانية XDP الأصلي	> 100 جيجابت في الثانية	200+ جيجابت في الثانية (InfiniBand)
استخدام وحدة المعالجة المركزية	منخفض (يعتمد على الحدث)	عالية (مراكز الاستطلاع المزدحمة)	بالقرب من الصفر (تفريغ)
تعقيد العمليات	منخفض - الأدوات القياسية	عالية - نوى مخصصة، صفحات ضخمة	عالية - إدارة النسيج
حالة الاستخدام	تخفيف هجمات DDoS، LB، إمكانية الملاحظة	أجهزة التوجيه الافتراضية، NFV، جنرال الحزم	التخزين (NVMe-oF)، HPC MPI
لغة	مقيد ج/ الصدأ	ج/ الصدأ	واجهة برمجة تطبيقات الأفعال (C)