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";

加载并附加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：内核绕过

AF_XDP是一个套接字系列，与 XDP 相结合XDP_REDIRECTverdict，将数据包直接传送到用户空间内存区域 (UMEM)，无需内核参与每个数据包。这是 eBPF 生态系统对 DPDK 内核旁路模型的回答。

关键部件：

• UMEM：用户空间注册的内存区域分为帧。通过共享内存在内核和用户空间之间共享。
• 戒指：每个套接字有四个无锁环：填充（用户空间→带有空闲帧的内核），完成（内核→带有TX完成帧的用户空间），RX环（内核→带有接收帧的用户空间），TX环（用户空间→带有要发送帧的内核）。
• 零拷贝模式：如果驱动程序支持，则传输帧时无需任何副本 - 只需进行指针传递。

AF_XDP 非常适合以线速进行自定义数据包处理，而无需 DPDK 的操作复杂性（基本使用不需要大页、无需 CPU 固定）。

5. tc BPF：流量整形和过滤

tc（流量控制）BPF 程序附加在clsactqdisc 并且可以在入口或出口上运行。与 XDP 不同，他们看到完整的sk_buff并且可以访问套接字元数据、VLAN 和隧道标头。

// 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 映射的速率限制

eBPF 映射支持有状态处理。以下模式使用存储在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 & bpftrace 自省

使用实时 eBPF 程序的两个基本工具：

# 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. 比较：eBPF/XDP vs DPDK vs RDMA

特征	电子BPF/XDP	DPDK	RDMA
内核参与	最小（驱动程序中的 XDP）	无（完全旁路）	无（RDMA 网卡）
内存模型	标准+AF_XDP UMEM	需要大页	注册内存区域
最大吞吐量	~100 Gbps 原生 XDP	>100 Gbps	200+ Gbps (InfiniBand)
CPU使用率	低（事件驱动）	高（忙轮询核心）	接近零（卸载）
操作复杂性	低——标准工具	高 — 专用核心、大页	高——面料管理
使用案例	DDoS 缓解、LB、可观测性	虚拟路由器、NFV、数据包生成	存储 (NVMe-oF)、HPC MPI
语言	受限 C/Rust	C/铁锈	动词 API (C)