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";

Завантажте та прикріпіть сip:

# 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: обхід ядра

AF_XDPце сімейство сокетів, яке в поєднанні з XDPXDP_REDIRECTвердикт, доставляє пакети безпосередньо в область пам’яті користувача (UMEM) без участі ядра для кожного пакета. Це відповідь екосистеми eBPF на модель обходу ядра DPDK.

Ключові компоненти:

• UMEM: Область пам’яті, зареєстрована в просторі користувача, розділена на кадри. Спільний доступ між ядром і простором користувача через спільну пам’ять.
• Кільця: Чотири кільця без блокування на сокет: заповнення (простір користувача → ядро ​​з вільними кадрами), завершення (ядро → простір користувача з кадрами TX-done), кільце RX (ядро → простір користувача з отриманими кадрами), кільце TX (простір користувача → ядро ​​з кадрами для надсилання).
• Режим нульового копіювання: якщо драйвер підтримує це, кадри передаються без копіювання — лише передача вказівника.

AF_XDP ідеально підходить для нестандартної обробки пакетів зі швидкістю рядка без операційної складності DPDK (без великих сторінок, без закріплення процесора для базового використання).

5. tc BPF: Формування та фільтрація трафіку

tc(регулювання дорожнього руху) Програми БНФ додаються на стclsactqdisc і може працювати на вході чи виході. На відміну від XDP, вони бачать повнуsk_buffі може отримати доступ до метаданих сокетів, мереж VLAN і заголовків тунелів.

// 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. Обмеження швидкості за допомогою карт eBPF

Карти eBPF забезпечують обробку з урахуванням стану. У наведеному нижче шаблоні реалізовано обмеження швидкості для кожного джерела-IP за допомогою сегмента маркерів, що зберігається в aBPF_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 Інтроспекція

Два основних інструменти для роботи з живими програмами eBPF:

# 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. Порівняння: eBPF/XDP проти DPDK проти RDMA

Особливість	eBPF/XDP	ДПДК	RDMA
Залучення ядра	Мінімальний (XDP у драйвері)	Немає (повний обхід)	Немає (RDMA NIC)
Модель пам'яті	Стандарт + AF_XDP UMEM	Потрібні величезні сторінки	Зареєстровані області пам'яті
Максимальна пропускна здатність	~100 Гбіт/с рідний XDP	>100 Гбіт/с	200+ Гбіт/с (InfiniBand)
використання ЦП	Низький (керований подіями)	Високий (завантажені ядра опитування)	Близько нуля (розвантажено)
Складність операції	Низькі — стандартні інструменти	Високий — виділені ядра, величезні сторінки	Високий — управління тканиною
Випадок використання	Пом'якшення DDoS, LB, спостережливість	Віртуальні маршрутизатори, NFV, генерація пакетів	Сховище (NVMe-oF), HPC MPI
Мова	Обмежений C / Rust	C / Іржа	API дієслів (C)