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";

โหลดแล้วแนบไปกับip:

# 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: เคอร์เนล-บายพาส

AF_XDPเป็นตระกูลซ็อกเก็ตที่รวมกับ XDPXDP_REDIRECTคำตัดสิน ส่งแพ็กเก็ตโดยตรงไปยังพื้นที่หน่วยความจำผู้ใช้ (UMEM) โดยไม่เกี่ยวข้องกับเคอร์เนลต่อแพ็กเก็ต นี่คือคำตอบของระบบนิเวศ eBPF สำหรับโมเดลเคอร์เนลบายพาสของ DPDK

ส่วนประกอบสำคัญ:

• อูเมม: ขอบเขตหน่วยความจำที่ลงทะเบียนโดยผู้ใช้แบ่งออกเป็นเฟรม แชร์ระหว่างเคอร์เนลและพื้นที่ผู้ใช้ผ่านหน่วยความจำที่ใช้ร่วมกัน
• แหวน: วงแหวนที่ไม่มีการล็อคสี่วงต่อซ็อกเก็ต: เติม (พื้นที่ผู้ใช้ → เคอร์เนลพร้อมเฟรมอิสระ), การเสร็จสมบูรณ์ (เคอร์เนล → พื้นที่ผู้ใช้พร้อมเฟรมที่ทำ TX), วงแหวน RX (เคอร์เนล → พื้นที่ผู้ใช้พร้อมเฟรมที่ได้รับ), วงแหวน TX (พื้นที่ผู้ใช้ → เคอร์เนลพร้อมเฟรมที่จะส่ง)
• โหมดการทำสำเนาเป็นศูนย์: หากไดรเวอร์รองรับ เฟรมจะถูกถ่ายโอนโดยไม่มีการคัดลอกใดๆ — เพียงแค่ส่งต่อพอยน์เตอร์เท่านั้น

AF_XDP เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการประมวลผลแพ็กเก็ตแบบกำหนดเองในอัตราบรรทัดโดยไม่มีความซับซ้อนในการดำเนินงานของ DPDK (ไม่มีเพจขนาดใหญ่ ไม่จำเป็นต้องปักหมุด CPU สำหรับการใช้งานขั้นพื้นฐาน)

5. tc BPF: การกำหนดรูปแบบและการกรองการรับส่งข้อมูล

tc(ควบคุมการจราจร) โปรแกรม BPF แนบอยู่ที่clsactqdisc และสามารถรันบนทางเข้าหรือทางออกได้ ต่างจาก XDP พวกเขาเห็นอย่างครบถ้วนsk_buffและสามารถเข้าถึงข้อมูลเมตาของซ็อกเก็ต, VLAN และส่วนหัวของช่องสัญญาณได้

// 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. การจำกัดอัตราด้วย eBPF Maps

แผนที่ eBPF ช่วยให้สามารถประมวลผลแบบมีสถานะได้ รูปแบบต่อไปนี้ใช้การจำกัดอัตรา IP ต่อแหล่งที่มาโดยใช้ที่เก็บข้อมูลโทเค็นที่จัดเก็บไว้ในBPF_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 & วิปัสสนา bpftrace

เครื่องมือสำคัญสองประการสำหรับการทำงานกับโปรแกรม eBPF แบบสด:

# 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. การเปรียบเทียบ: eBPF/XDP กับ DPDK กับ RDMA

คุณสมบัติ	eBPF/XDP	กปปส	อาร์ดีเอ็มเอ
การมีส่วนร่วมของเคอร์เนล	ขั้นต่ำ (XDP ในไดรเวอร์)	ไม่มี (บายพาสเต็ม)	ไม่มี (RDMA NIC)
โมเดลหน่วยความจำ	มาตรฐาน + AF_XDP UMEM	จำเป็นต้องมีหน้าขนาดใหญ่	ขอบเขตหน่วยความจำที่ลงทะเบียน
ปริมาณงานสูงสุด	~100 Gbps XDP เนทิฟ	>100 กิกะบิตต่อวินาที	200+ Gbps (อินฟินิแบนด์)
การใช้งานซีพียู	ต่ำ (ขับเคลื่อนด้วยเหตุการณ์)	สูง (แกนสำรวจไม่ว่าง)	ใกล้ศูนย์ (ออฟโหลด)
ความซับซ้อนของปฏิบัติการ	ต่ำ — เครื่องมือมาตรฐาน	สูง — คอร์เฉพาะ, หน้าใหญ่มาก	สูง — การจัดการผ้า
กรณีการใช้งาน	การบรรเทา DDoS, LB, ความสามารถในการสังเกต	เราเตอร์เสมือน, NFV, แพ็กเก็ตเจน	อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล (NVMe-oF), HPC MPI
ภาษา	จำกัด C / สนิม	C / สนิม	กริยา API (C)