简析XDP的重定向机制

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一. XDP Socket示例解析

源码参见：https://github.com/xdp-project/xdp-tutorial/tree/master/advanced03-AF_XDP
该示例演示了如何通过BPF将网络数据包从XDP Hook点旁路到用户态的XDP Socket，解析过程中为突出重点，将只关注重点代码段，一些函数会被精简，比如：错误处理等

二. BPF 程序 af_xdp_kern.c

BPF程序是运行在内核态的一段代码，如下：

struct bpf_map_def SEC("maps") xsks_map = {
    .type = BPF_MAP_TYPE_XSKMAP,
    .key_size = sizeof(int),
    .value_size = sizeof(int),
    .max_entries = 64,  /* Assume netdev has no more than 64 queues */
};

SEC("xdp_sock")
int xdp_sock_prog(struct xdp_md *ctx)
{
    int index = ctx->rx_queue_index;

    if (bpf_map_lookup_elem(&xsks_map, &index))
        return bpf_redirect_map(&xsks_map, index, 0);
    
    return XDP_PASS;
}

1. struct bpf_map_def SEC("maps") xsks_map： 定义了一个BPF_MAP_TYPE_XSKMAP类型的映射表，当采用SEC("maps")方式来显示定义时，将在生成的bpf目标文件的ELF格式中看到相关描述，当BPF程序被加载到内核时，会自动创建名为“xsks_map”的描述符， 用户态可通过查找“xsks_map”来获取该map的描述符，这样用户态和内核BPF程序就可以共同访问该map

2. type = BPF_MAP_TYPE_XSKMAP：指定该map的类型，它与bpf_redirect_map() 结合使用以将收到的帧传递到指定套接字

3. key_size = sizeof(int)，value_size = sizeof(int)：指定key，value长度

4. 针对以上key，value需要说明一下：对于BPF_MAP_TYPE_XSKMAP类型的map，value必须是XDP socket描述符，key必须是int类型，原因在于bpf_redirect_map()的第二个参数，参见下面2.10

5. max_entries = 64：指定map最多存储64个元素

6. SEC("xdp_sock")：指定prog函数符号，应用层可通过查找"xdp_sock"加载该prog，并绑定到指定网卡

7. int xdp_sock_prog(struct xdp_md *ctx)：当网卡收到数据包时，会在xdp hook点调用该函数

8. int index = ctx->rx_queue_index： 获取该数据包来自网卡到哪个rx队列ID，ctx有许多成员，比如：网卡ID，数据帧等等

9. if (bpf_map_lookup_elem(&xsks_map, &index))： 判断xsks_map是否存在key为index（即rx队列号）的数据，注意，这里实际上就是判断该网卡是否绑定了xdp Socket

10. • bpf_redirect_map(&xsks_map, index, 0)：bpf_redirect_map函数作用就是重定向，比如：将数据重定向到某个网卡，CPU， Socket等等；当bpf_redirect_map函数的第一个参数的map类型为BPF_MAP_TYPE_XSKMAP时，则表示将数据重定向到XDP Scoket
    • bpf_redirect_map（）会查找参数1即xsks_map 中 key为index 的 value 是否存在，若存在，则检查value是否是一个XDP Scoket，并且是否绑定到了该网卡（可以绑定到任意有效队列）

综合以上，该bpf程序实现的功能就是：将收到的数据包重定向到xsks_map中指定的XDP Socket

三. 用户态程序 af_xdp_user.c

该程序实现bpf加载到网卡，创建XDP Scoket并绑定到网卡的指定队列，并通过XDP Scoket收发数据，这里仅分析xXDP Scoket相关部分

int main(int argc, char **argv)
{
    ...
    bpf_obj = load_bpf_and_xdp_attach(&cfg);
    map = bpf_object__find_map_by_name(bpf_obj, "xsks_map");
    ...
    xsks_map_fd = bpf_map__fd(map);
    ...
    umem = configure_xsk_umem(packet_buffer, packet_buffer_size);
    ...
    xsk_socket = xsk_configure_socket(&cfg, umem);
    ...
    rx_and_process(&cfg, xsk_socket);
    ...
}

static struct xsk_socket_info *xsk_configure_socket(struct config *cfg,
                            struct xsk_umem_info *umem)
{
    ...
    ret = xsk_socket__create(&xsk_info->xsk, cfg->ifname,
                 cfg->xsk_if_queue, umem->umem, &xsk_info->rx,
                 &xsk_info->tx, &xsk_cfg);
    ...
}

• bpf_obj = load_bpf_and_xdp_attach(&cfg): 加载bpf程序，并绑定到网卡
• map = bpf_object__find_map_by_name(bpf_obj, "xsks_map")： 查找bpf程序内定义的xsks_map
• umem = configure_xsk_umem(packet_buffer, packet_buffer_size)： 为XDP Scoket准备UMEM
• xsk_configure_socket()通过调用bpf helper函数xsk_socket__create（）创建XDP Scoket并绑定到cfg->ifname网卡的cfg->xsk_if_queue队列，默认情况下将该【cfg->xsk_if_queue， xsk_info->xsk fd】添加到xsks_map, 这样bpf程序就可以重定向到该XDP Scoket（参见2.9, 2.10), 除非指定XSK_LIBBPF_FLAGS__INHIBIT_PROG_LOAD标志

static void rx_and_process(struct config *cfg,
               struct xsk_socket_info *xsk_socket)
{
    struct pollfd fds[2];
    int ret, nfds = 1;

    memset(fds, 0, sizeof(fds));
    fds[0].fd = xsk_socket__fd(xsk_socket->xsk);
    fds[0].events = POLLIN;
    
    while(!global_exit) {
        if (cfg->xsk_poll_mode) {
            ret = poll(fds, nfds, -1);
            if (ret <= 0 || ret > 1)
                continue;
        }
        handle_receive_packets(xsk_socket);
    }
}

• XDP Scoket也是一个文件描述符，因此可以通过poll/epoll/select来等待IO事件，需要说明的是：收/发的数据包是原始的以太网帧，因此在包处理上要麻烦一些

四. 总结

• 以上简略分析了bpf程序如何将数据重定向到用户态程序，通过xsks_map来实现bpf与用户态程序的交互；
• 需要说明的是，这些分析仅是梳理了浅层次的代码，实际上BPF是如何将数据读写到XDP Scoket收发缓冲区的呢？其实是通过创建共享内存并关联XDP Scoket的rx_ring，tx_ring，以及umem来实现的，后续继续分析
• bpf程序通常都非常简单，复杂的是用户态程序，此外，BPF有非常多的技术细节，限于篇幅及主题不在此展开。

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