Linux eBPF & XDP Networking Primer

Zer da eBPF?

eBPF (Berkeley Packet Filter hedatua) Linux nukleoko azpisistema bat da, nukleoan sandboxatutako programak exekutatzeko aukera ematen duena, nukleoaren iturburu-kodea aldatu edo nukleo-moduluak kargatu gabe. Nukleoko bytecode egiaztatzaile batek egiaztatzen ditu programak exekutatu aurretik, segurtasuna bermatuz.

Sareetarako, eBPF programak erantsi nukleoaren sareko pilan, eta paketeak ikuskatu, aldatu, birbideratu edo jaregin ditzake. Gakoaren abantailaren gainetik edo nukleo-moduluak errendimendua eta programagarritasuna dira: eBPF programak JIT-compiled dira jatorrizko kodearekin eta egoera partekatu dezakete honen bidez. (Gunekoaren eta erabiltzaile-espazioaren artean partekatutako gako-balioko dendak).

2. XDP Hook puntuak

XDP (eXpress Data Path) programek sare-pilako punturik goiztiarrenean egiten dute lasterka, NIC-aren barruan, nukleoak nukleo bat esleitu aurretik. . Honek esan nahi du:

• Jatorrizko XDP
• XDP generikoask_buff
• XDP deskargatuta

XDP programak bost epaietako bat itzultzen du:

3. XDP Packet Drop adibidea

Programa honek UDP pakete guztiak eBPF mapa batean gordetako iturburuko IP batetik jaisten ditu, erabiltzaile-espazioen kontrol-plano batek exekuzio-denboran blokea eguneratzeko aukera emanez.

// xdp_drop_udp.c — Drop UDP from IPs in a BPF map
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

// 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";

Kargatu eta erantsi :

# 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

AF XDP: Kernel-Bypass

AF_XDPXDP_REDIRECT

Gakoaren osagaiak:

• UMEM
• Eraztunak
• Zero-kopia modua

AF XDP ezin hobea da pakete pertsonalizatuak lerro-maiztasunez prozesatzeko DPDK-ren konplexutasun operatiborik gabe (orri handirik ez, oinarrizko erabilerarako behar ez den PUZ-sarerik ez).

5. tc BPF: trafikoaren itzalketa eta iragazketa

tcclsactsk_buff

// tc_mark.c — Mark packets with DSCP EF (46) for VoIP traffic on port 5060
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

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 mapak murriztea

eBPF mapek egoera-prozesaketa ahalbidetzen dute. Eredu honek iturburuko IP-tasa ezartzen du, token-ontzi bat erabiliz mugatuta. :

// 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 Introspection

Funtsezko bi tresna eBPF zuzeneko programekin lan egiteko:

# 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. Konparazioa: eBPF/XDP vs DPDK vs RDMA