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";

をロードしてアタッチしますip:

# 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: カーネルバイパス

AF_XDPXDP と組み合わせたソケット ファミリです。XDP_REDIRECT判定により、パケットごとにカーネルが関与することなく、パケットをユーザー空間メモリ領域 (UMEM) に直接配信します。これは、DPDK のカーネル バイパス モデルに対する eBPF エコシステムの答えです。

主要なコンポーネント:

• UMEM: フレームに分割されたユーザー空間に登録されたメモリ領域。共有メモリを介してカーネルとユーザー空間の間で共有されます。
• 指輪: ソケットごとに 4 つのロックフリー リング: フィル (ユーザー空間 → 空きフレームのあるカーネル)、完了 (カーネル → ユーザー空間のある TX 完了フレーム)、RX リング (カーネル → ユーザー空間のある受信フレーム)、TX リング (ユーザー空間 → 送信フレームのあるカーネル)。
• ゼロコピーモード: ドライバーがサポートしている場合、フレームはコピーなしで転送されます。単にポインターを渡すだけです。

AF_XDP は、DPDK の複雑な操作を必要とせずに、ライン レートでのカスタム パケット処理に最適です (基本的な使用に必要な巨大ページや CPU ピン接続はありません)。

5. tc BPF: トラフィック シェーピングとフィルタリング

tc(トラフィック制御) BPF プログラムは、clsactqdisc であり、イングレスまたはエグレスで実行できます。 XDP とは異なり、完全に表示されます。sk_buffソケットのメタデータ、VLAN、トンネル ヘッダーにアクセスできます。

// 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. eBPF マップによるレート制限

eBPF マップによりステートフル処理が可能になります。次のパターンは、BPF_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 および bpftrace イントロスペクション

ライブ eBPF プログラムを操作するための 2 つの重要なツール:

# 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. 比較: eBPF/XDP、DPDK、RDMA

特徴	eBPF/XDP	DPDK	RDMA
カーネルの関与	最小限 (ドライバー内の XDP)	なし（フルバイパス）	なし (RDMA NIC)
メモリモデル	標準 + AF_XDP UMEM	巨大なページが必要です	登録されたメモリ領域
最大スループット	~100 Gbps ネイティブ XDP	>100 Gbps	200+ Gbps (インフィニバンド)
CPU使用率	低 (イベント駆動型)	高 (ビジーポーリングコア)	ほぼゼロ (オフロード)
運用の複雑さ	低 — 標準ツール	高 - 専用コア、巨大ページ	高 - ファブリック管理
使用事例	DDoS 軽減、LB、可観測性	仮想ルーター、NFV、パケット生成	ストレージ (NVMe-oF)、HPC MPI
言語	制限C/錆	C / 錆び	動詞 API (C)