用Linux内核的瑞士军刀-eBPF实现socket转发offload

我们已经对eBPF将网络转发offload到XDP（eXpress Data Path）耳熟能详，作为Linux内核的一把 “瑞士军刀” ，eBPF能做的事情可不止一件，它是一个多面手。

继实现一个基于XDP_eBPF的学习型网桥之后，我们来看看如何基于eBPF实现socket转发的offload。

socket数据offload问题

通过代理服务器在两个TCP接连之间转发数据是一个非常常见的需求，特别是在CDN的场景下，然而这个代理服务器也是整条路径中的瓶颈之所在，代理服务器的七层转发行为极大地消耗着单机性能，所以，通过代理服务器的七层转发的优化，是一件必须要做的事。

所以，问题来了， eBPF能不能将代理程序的数据转发offload到内核呢？ 如果可以做到，这就意味着这个offload可以达到和XDP offload相近的功效：

减少上下文切换，缩短转发逻辑路径，释放host CPU。

这个问题之所以很重要亟待解决，是因为现在的很多机制都不完美：

传统的read/write方式需要两次系统调用和两次数据拷贝。
稍微新些的sendfile方式不支持socket到socket的转发，且仍需要在唤醒的进程上下文中进行系统调用。
DPDK以及各种分散/聚集IO，零拷贝技术需要对应用进行比较大的重构，太复杂。
...

sockmap的引入

Linux 4.14内核带来了sockmap，详见下面的

lwn：BPF: sockmap and sk redirect support： https://lwn.net/Articles/731133/

还有下面的blog也很不错：

https://blog.cloudflare.com/sockmap-tcp-splicing-of-the-future/

又是eBPF！这意味着用sockmap做redirect注定简单，小巧！

我们先看下sockmap相对于上述的转发机制有什么不同，下面是个原理图：

sockmap的实现非常简单，它通过替换skdataready回调函数的方式接管整个数据面的转发逻辑处理。

按照常规，skdataready是内核协议栈和进程上下文的socket之间的数据通道接口，它将数据从内核协议栈交接给了持有socket的进程：

常规处理的skdataready回调函数的控制权转移是通过一次wakeup操作来完成的，这意味着一次上下文的切换。

而sockmap的处理与此不同，sockmap通过一种称为 Stream Parser 的机制，将数据包的控制权转移到eBPF处理程序，而eBPF程序可以实现数据流的Redirect，这就实现了socket数据之间的offload短路处理：

关于 Stream Parser ，详情参见其内核文档：https://www.kernel.org/doc/Documentation/networking/strparser.txt

实例演示

任何机制能实际run起来才是一个真正的起点，现在又到了实例演示的环节。

我们先从一个简单proxy程序开始，然后我们为它注入基于eBPF的sockmap逻辑，实现proxy的offload转发，从而理解整个过程。

我们的proxy程序非常简单，你可以将它理解成一个socket Bridge，它从一个连接接收数据并简单地将该数据转发到另一个连接，稍微修改一下即可实现socket Hub/Switch以及Service mesh。

socket Bridge代码如下：

// proxy.c
// gcc proxy.c -o proxy
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <netdb.h>
#include <signal.h>
#define MAXSIZE 100
char buf[MAXSIZE];
int proxysd1, proxysd2;
static void int_handler(int a)
{close(proxysd1);close(proxysd2);exit(0);
}
int main(int argc, char *argv[])
{int ret;struct sockaddr_in proxyaddr1, proxyaddr2;struct hostent *proxy1, *proxy2;unsigned short port1, port2;fd_set rset;int maxfd = 10, n;if (argc != 5) {exit(1);}signal(SIGINT, int_handler);FD_ZERO(&rset);proxysd1 = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);proxysd2 = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);proxy1 = gethostbyname(argv[1]);port1 = atoi(argv[2]);proxy2 = gethostbyname(argv[3]);port2 = atoi(argv[4]);bzero(&proxyaddr1, sizeof(struct sockaddr_in));proxyaddr1.sin_family = AF_INET;proxyaddr1.sin_port = htons(port1);proxyaddr1.sin_addr = *((struct in_addr *)proxy1->h_addr);bzero(&proxyaddr2, sizeof(struct sockaddr_in));proxyaddr2.sin_family = AF_INET;proxyaddr2.sin_port = htons(port2);proxyaddr2.sin_addr = *((struct in_addr *)proxy2->h_addr);connect(proxysd1, (struct sockaddr *)&proxyaddr1, sizeof(struct sockaddr));connect(proxysd2, (struct sockaddr *)&proxyaddr2, sizeof(struct sockaddr));while (1) {FD_SET(proxysd1, &rset);FD_SET(proxysd2, &rset);select(maxfd, &rset, NULL, NULL, NULL);memset(buf, 0, MAXSIZE);if (FD_ISSET(proxysd1, &rset)) {ret = recv(proxysd1, buf, MAXSIZE, 0);printf("%d --> %d proxy string:%s\n", proxysd1, proxysd2, buf);send(proxysd2, buf, ret, 0);}if (FD_ISSET(proxysd2, &rset)) {ret = recv(proxysd2, buf, MAXSIZE, 0);printf("%d --> %d proxy string:%s\n", proxysd2, proxysd1, buf);send(proxysd1, buf, ret, 0);}}return 0;
}

我们来看一下它的工作过程。

首先起两个netcat，分别侦听两个不同的端口，然后运行proxy程序。在netcat终端敲入字符，就可以看到它被代理到另一个netcat终端的过程了：

我们看到，一次转发经过了两次系统调用（忽略select）和两次数据拷贝。

我们的demo旨在演示基于eBPF的sockmap对proxy转发的offload过程，所以接下来，我们对上述代码进行一些改造，即加入对sockmap的支持。

这意味着我们需要做两件事：

写一个在socket之间转发数据的eBPF程序，并编译成字节码。
在proxy代码中加入eBPF程序的加载代码，并编译成可执行程序。

首先，先给出ebpf程序的C代码：

// sockmap_kern.c
#include <uapi/linux/bpf.h>
#include "bpf_helpers.h"
#include "bpf_endian.h"
struct bpf_map_def SEC("maps") proxy_map = {.type = BPF_MAP_TYPE_HASH,.key_size = sizeof(unsigned short),.value_size = sizeof(int),.max_entries = 2,
};
struct bpf_map_def SEC("maps") sock_map = {.type = BPF_MAP_TYPE_SOCKMAP,.key_size = sizeof(int),.value_size = sizeof(int),.max_entries = 2,
};
SEC("prog_parser")
int bpf_prog1(struct __sk_buff *skb)
{return skb->len;
}
SEC("prog_verdict")
int bpf_prog2(struct __sk_buff *skb)
{__u32 *index = 0;__u16 port = (__u16)bpf_ntohl(skb->remote_port);char info_fmt[] = "data to port [%d]\n";bpf_trace_printk(info_fmt, sizeof(info_fmt), port);index = bpf_map_lookup_elem(&proxy_map, &port);if (index == NULL)return 0;return bpf_sk_redirect_map(skb, &sock_map, *index, 0);
}
char _license[] SEC("license") = "GPL";

上述代码在内核源码树的 samples/bpf 目录下编译，只需要在Makefile中加入以下的行即可：

always += sockmap_kern.o

OK，下面我们给出用户态的测试程序，实际上就是将我们最初的 proxy.c 增加对ebpf/sockmap的支持即可：

// sockmap_user.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <signal.h>
#include "bpf_load.h"
#include "bpf_util.h"
#define MAXSIZE    1024
char buf[MAXSIZE];
static int proxysd1, proxysd2;
static int sockmap_fd, proxymap_fd, bpf_prog_fd;
static int progs_fd[2];
static int key, val;
static unsigned short key16;
static int ctrl = 0;
static void int_handler(int a)
{close(proxysd1);close(proxysd2);exit(0);
}
// 可以通过发送HUP信号来打开和关闭sockmap offload功能
static void hup_handler(int a)
{if (ctrl == 1) {key = 0;bpf_map_update_elem(sockmap_fd, &key, &proxysd1, BPF_ANY);key = 1;bpf_map_update_elem(sockmap_fd, &key, &proxysd2, BPF_ANY);ctrl = 0;} else if (ctrl == 0){key = 0;bpf_map_delete_elem(sockmap_fd, &key);key = 1;bpf_map_delete_elem(sockmap_fd, &key);ctrl = 1;}
}
int main(int argc, char **argv)
{char filename[256];snprintf(filename, sizeof(filename), "%s_kern.o", argv[0]);struct bpf_object *obj;struct bpf_program *prog;struct bpf_prog_load_attr prog_load_attr = {.prog_type  = BPF_PROG_TYPE_SK_SKB,};int ret;struct sockaddr_in proxyaddr1, proxyaddr2;struct hostent *proxy1, *proxy2;unsigned short port1, port2;fd_set rset;int maxfd = 10;if (argc != 5) {exit(1);}prog_load_attr.file = filename;signal(SIGINT, int_handler);signal(SIGHUP, hup_handler);// 这部分增加的代码引入了ebpf/sockmap逻辑bpf_prog_load_xattr(&prog_load_attr, &obj, &bpf_prog_fd);sockmap_fd = bpf_object__find_map_fd_by_name(obj, "sock_map");proxymap_fd = bpf_object__find_map_fd_by_name(obj, "proxy_map");prog = bpf_object__find_program_by_title(obj, "prog_parser");progs_fd[0] = bpf_program__fd(prog);bpf_prog_attach(progs_fd[0], sockmap_fd, BPF_SK_SKB_STREAM_PARSER, 0);prog = bpf_object__find_program_by_title(obj, "prog_verdict");progs_fd[1] = bpf_program__fd(prog);bpf_prog_attach(progs_fd[1], sockmap_fd, BPF_SK_SKB_STREAM_VERDICT, 0);proxysd1 = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);proxysd2 = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);proxy1 = gethostbyname(argv[1]);port1 = atoi(argv[2]);proxy2 = gethostbyname(argv[3]);port2 = atoi(argv[4]);bzero(&proxyaddr1, sizeof(struct sockaddr_in));proxyaddr1.sin_family = AF_INET;proxyaddr1.sin_port = htons(port1);proxyaddr1.sin_addr = *((struct in_addr *)proxy1->h_addr);bzero(&proxyaddr2, sizeof(struct sockaddr_in));proxyaddr2.sin_family = AF_INET;proxyaddr2.sin_port = htons(port2);proxyaddr2.sin_addr = *((struct in_addr *)proxy2->h_addr);connect(proxysd1, (struct sockaddr *)&proxyaddr1, sizeof(struct sockaddr));connect(proxysd2, (struct sockaddr *)&proxyaddr2, sizeof(struct sockaddr));key = 0;bpf_map_update_elem(sockmap_fd, &key, &proxysd1, BPF_ANY);key = 1;bpf_map_update_elem(sockmap_fd, &key, &proxysd2, BPF_ANY);key16 = port1;val = 1;bpf_map_update_elem(proxymap_fd, &key16, &val, BPF_ANY);key16 = port2;val = 0;bpf_map_update_elem(proxymap_fd, &key16, &val, BPF_ANY);// 余下的proxy转发代码保持不变，这部分代码一旦开启了sockmap offload，将不会再被执行。while (1) {FD_SET(proxysd1, &rset);FD_SET(proxysd2, &rset);select(maxfd, &rset, NULL, NULL, NULL);memset(buf, 0, MAXSIZE);if (FD_ISSET(proxysd1, &rset)) {ret = recv(proxysd1, buf, MAXSIZE, 0);printf("%d --> %d proxy string:%s\n", proxysd1, proxysd2, buf);send(proxysd2, buf, ret, 0);}if (FD_ISSET(proxysd2, &rset)) {ret = recv(proxysd2, buf, MAXSIZE, 0);printf("%d --> %d proxy string:%s\n", proxysd2, proxysd1, buf);send(proxysd1, buf, ret, 0);}}return 0;
}

同样的，为了和eBPF程序配套，我们在Makefile中增加下面的行：

hostprogs-y += sockmap
sockmap-objs := sockmap_user.o

最后直接在 samples/bpf 目录下make即可生成下面的文件：

-rwxr-xr-x  1 root root 366840 12月 20 09:43 sockmap
-rw-r--r--  1 root root  12976 12月 20 11:14 sockmap_kern.o

为了验证效果，我们起五个屏，下面是一个演示的过程截图和步骤说明：

可见，proxy转发数据流的逻辑通过一个eBPF小程序从用户态服务进程中offload到了内核协议栈。用户态的proxy进程甚至不会由于数据的到来而被wakeup，这是比sendfile/splice高效的地方。

从上面的demo可以看到，sockmap顾名思义可以对接两个socket，这是eBPF这把 “瑞士军刀” 专门针对socket的一个小器件，这完美解决了sendfile的in_fd必须支持mmap的限制：

demo的代码和演示就到这里，我们再一次看到了eBPF之妙！

附：eBPF-可编程内核利器

我先说下为什么我把eBPF看作一把瑞士军刀：

瑞士军刀，包含小巧的圆珠笔、牙签、剪刀、平口刀、开罐器、螺丝刀、镊子等...

eBPF呢，它可以附着在xdp，kprobe，skb，socket lookup，trace，cgroup，reuseport，sched，filter等功能点，有人可能会说eBPF不如Nginx，不如OpenWRT，不如OVS，不如iptables/nftables...确实，但是这就好比说瑞士军刀不如AK47，不如东风-41洲际导弹，不如Zippo，不如张小泉王麻子，不如苏泊尔一样...

eBPF和瑞士军刀一样，小而全是它们的本色（ eBPF严格限制指令数量 ），便携，功能丰富，手艺人离不开的利器。

eBPF让 内核可编程 变的可能！

内核可编程是一个很有意思的事情，它使得内核的一些关键逻辑不再是一成不变的，而是可以通过eBPF对其进行编程，实现更多的策略化逻辑。

目前，eBPF已经密密麻麻扎进了Linux的各个角落，eBPF的作用点还在持续增多，迄至Linux 5.3内核，Linux内核已经支持如下的eBPF程序类型：

enum bpf_prog_type {BPF_PROG_TYPE_UNSPEC,BPF_PROG_TYPE_SOCKET_FILTER,BPF_PROG_TYPE_KPROBE,BPF_PROG_TYPE_SCHED_CLS,BPF_PROG_TYPE_SCHED_ACT,BPF_PROG_TYPE_TRACEPOINT,BPF_PROG_TYPE_XDP,BPF_PROG_TYPE_PERF_EVENT,BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SKB,BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SOCK,BPF_PROG_TYPE_LWT_IN,BPF_PROG_TYPE_LWT_OUT,BPF_PROG_TYPE_LWT_XMIT,BPF_PROG_TYPE_SOCK_OPS,BPF_PROG_TYPE_SK_SKB,BPF_PROG_TYPE_CGROUP_DEVICE,BPF_PROG_TYPE_SK_MSG,BPF_PROG_TYPE_RAW_TRACEPOINT,BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SOCK_ADDR,BPF_PROG_TYPE_LWT_SEG6LOCAL,BPF_PROG_TYPE_LIRC_MODE2,BPF_PROG_TYPE_SK_REUSEPORT,BPF_PROG_TYPE_FLOW_DISSECTOR,BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SYSCTL,BPF_PROG_TYPE_RAW_TRACEPOINT_WRITABLE,BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SOCKOPT,
};

一共26种类型，26个作用点。而在不久之前的Linux 4.19内核，这个数值也就22。可见eBPF吞噬内核的速度之快！

后面，我们还会看到eBPF在socket lookup机制所起的妙用。

浙江温州皮鞋湿，下雨进水不会胖。

（完）

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