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：

1. // proxy.c

2. // gcc proxy.c -o proxy

3. #include <stdio.h>

4. #include <stdlib.h>

5. #include <string.h>

6. #include <unistd.h>

7. #include <sys/types.h>

8. #include <netinet/in.h>

9. #include <sys/socket.h>

10. #include <sys/select.h>

11. #include <netdb.h>

12. #include <signal.h>

13. #define MAXSIZE 100

14. char buf[MAXSIZE];

15. int proxysd1, proxysd2;

16. static void int_handler(int a)

17. {

18. close(proxysd1);

19. close(proxysd2);

20. exit(0);

21. }

22. int main(int argc, char *argv[])

23. {

24. int ret;

25. struct sockaddr_in proxyaddr1, proxyaddr2;

26. struct hostent *proxy1, *proxy2;

27. unsigned short port1, port2;

28. fd_set rset;

29. int maxfd = 10, n;

30. if (argc != 5) {

31. exit(1);

32. }

33. signal(SIGINT, int_handler);

34. FD_ZERO(&rset);

35. proxysd1 = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

36. proxysd2 = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

37. proxy1 = gethostbyname(argv[1]);

38. port1 = atoi(argv[2]);

39. proxy2 = gethostbyname(argv[3]);

40. port2 = atoi(argv[4]);

41. bzero(&proxyaddr1, sizeof(struct sockaddr_in));

42. proxyaddr1.sin_family = AF_INET;

43. proxyaddr1.sin_port = htons(port1);

44. proxyaddr1.sin_addr = *((struct in_addr *)proxy1->h_addr);

45. bzero(&proxyaddr2, sizeof(struct sockaddr_in));

46. proxyaddr2.sin_family = AF_INET;

47. proxyaddr2.sin_port = htons(port2);

48. proxyaddr2.sin_addr = *((struct in_addr *)proxy2->h_addr);

49. connect(proxysd1, (struct sockaddr *)&proxyaddr1, sizeof(struct sockaddr));

50. connect(proxysd2, (struct sockaddr *)&proxyaddr2, sizeof(struct sockaddr));

51. while (1) {

52. FD_SET(proxysd1, &rset);

53. FD_SET(proxysd2, &rset);

54. select(maxfd, &rset, NULL, NULL, NULL);

55. memset(buf, 0, MAXSIZE);

56. if (FD_ISSET(proxysd1, &rset)) {

57. ret = recv(proxysd1, buf, MAXSIZE, 0);

58. printf("%d --> %d proxy string:%s\n", proxysd1, proxysd2, buf);

59. send(proxysd2, buf, ret, 0);

60. }

61. if (FD_ISSET(proxysd2, &rset)) {

62. ret = recv(proxysd2, buf, MAXSIZE, 0);

63. printf("%d --> %d proxy string:%s\n", proxysd2, proxysd1, buf);

64. send(proxysd1, buf, ret, 0);

65. }

66. }

67. return 0;

68. }

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：

1. 写一个在socket之间转发数据的eBPF程序，并编译成字节码。

2. 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：

1. // sockmap_kern.c

2. #include <uapi/linux/bpf.h>

3. #include "bpf_helpers.h"

4. #include "bpf_endian.h"

5. struct bpf_map_def SEC("maps") proxy_map = {

6. .type = BPF_MAP_TYPE_HASH,

7. .key_size = sizeof(unsigned short),

8. .value_size = sizeof(int),

9. .max_entries = 2,

10. };

11. struct bpf_map_def SEC("maps") sock_map = {

12. .type = BPF_MAP_TYPE_SOCKMAP,

13. .key_size = sizeof(int),

14. .value_size = sizeof(int),

15. .max_entries = 2,

16. };

17. SEC("prog_parser")

18. int bpf_prog1(struct __sk_buff *skb)

19. {

20. return skb->len;

21. }

22. SEC("prog_verdict")

23. int bpf_prog2(struct __sk_buff *skb)

24. {

25. __u32 *index = 0;

26. __u16 port = (__u16)bpf_ntohl(skb->remote_port);

27. char info_fmt[] = "data to port [%d]\n";

28. bpf_trace_printk(info_fmt, sizeof(info_fmt), port);

29. index = bpf_map_lookup_elem(&proxy_map, &port);

30. if (index == NULL)

31. return 0;

32. return bpf_sk_redirect_map(skb, &sock_map, *index, 0);

33. }

34. 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：

1. 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：

1. // sockmap_user.c

2. #include <stdio.h>

3. #include <stdlib.h>

4. #include <sys/socket.h>

5. #include <sys/select.h>

6. #include <unistd.h>

7. #include <netdb.h>

8. #include <signal.h>

9. #include "bpf_load.h"

10. #include "bpf_util.h"

11. #define MAXSIZE 1024

12. char buf[MAXSIZE];

13. static int proxysd1, proxysd2;

14. static int sockmap_fd, proxymap_fd, bpf_prog_fd;

15. static int progs_fd[2];

16. static int key, val;

17. static unsigned short key16;

18. static int ctrl = 0;

19. static void int_handler(int a)

20. {

21. close(proxysd1);

22. close(proxysd2);

23. exit(0);

24. }

25. // 可以通过发送HUP信号来打开和关闭sockmap offload功能

26. static void hup_handler(int a)

27. {

28. if (ctrl == 1) {

29. key = 0;

30. bpf_map_update_elem(sockmap_fd, &key, &proxysd1, BPF_ANY);

31. key = 1;

32. bpf_map_update_elem(sockmap_fd, &key, &proxysd2, BPF_ANY);

33. ctrl = 0;

34. } else if (ctrl == 0){

35. key = 0;

36. bpf_map_delete_elem(sockmap_fd, &key);

37. key = 1;

38. bpf_map_delete_elem(sockmap_fd, &key);

39. ctrl = 1;

40. }

41. }

42. int main(int argc, char **argv)

43. {

44. char filename[256];

45. snprintf(filename, sizeof(filename), "%s_kern.o", argv[0]);

46. struct bpf_object *obj;

47. struct bpf_program *prog;

48. struct bpf_prog_load_attr prog_load_attr = {

49. .prog_type = BPF_PROG_TYPE_SK_SKB,

50. };

51. int ret;

52. struct sockaddr_in proxyaddr1, proxyaddr2;

53. struct hostent *proxy1, *proxy2;

54. unsigned short port1, port2;

55. fd_set rset;

56. int maxfd = 10;

57. if (argc != 5) {

58. exit(1);

59. }

60. prog_load_attr.file = filename;

61. signal(SIGINT, int_handler);

62. signal(SIGHUP, hup_handler);

63. // 这部分增加的代码引入了ebpf/sockmap逻辑

64. bpf_prog_load_xattr(&prog_load_attr, &obj, &bpf_prog_fd);

65. sockmap_fd = bpf_object__find_map_fd_by_name(obj, "sock_map");

66. proxymap_fd = bpf_object__find_map_fd_by_name(obj, "proxy_map");

67. prog = bpf_object__find_program_by_title(obj, "prog_parser");

68. progs_fd[0] = bpf_program__fd(prog);

69. bpf_prog_attach(progs_fd[0], sockmap_fd, BPF_SK_SKB_STREAM_PARSER, 0);

70. prog = bpf_object__find_program_by_title(obj, "prog_verdict");

71. progs_fd[1] = bpf_program__fd(prog);

72. bpf_prog_attach(progs_fd[1], sockmap_fd, BPF_SK_SKB_STREAM_VERDICT, 0);

73. proxysd1 = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

74. proxysd2 = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

75. proxy1 = gethostbyname(argv[1]);

76. port1 = atoi(argv[2]);

77. proxy2 = gethostbyname(argv[3]);

78. port2 = atoi(argv[4]);

79. bzero(&proxyaddr1, sizeof(struct sockaddr_in));

80. proxyaddr1.sin_family = AF_INET;

81. proxyaddr1.sin_port = htons(port1);

82. proxyaddr1.sin_addr = *((struct in_addr *)proxy1->h_addr);

83. bzero(&proxyaddr2, sizeof(struct sockaddr_in));

84. proxyaddr2.sin_family = AF_INET;

85. proxyaddr2.sin_port = htons(port2);

86. proxyaddr2.sin_addr = *((struct in_addr *)proxy2->h_addr);

87. connect(proxysd1, (struct sockaddr *)&proxyaddr1, sizeof(struct sockaddr));

88. connect(proxysd2, (struct sockaddr *)&proxyaddr2, sizeof(struct sockaddr));

89. key = 0;

90. bpf_map_update_elem(sockmap_fd, &key, &proxysd1, BPF_ANY);

91. key = 1;

92. bpf_map_update_elem(sockmap_fd, &key, &proxysd2, BPF_ANY);

93. key16 = port1;

94. val = 1;

95. bpf_map_update_elem(proxymap_fd, &key16, &val, BPF_ANY);

96. key16 = port2;

97. val = 0;

98. bpf_map_update_elem(proxymap_fd, &key16, &val, BPF_ANY);

99. // 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。

100. while (1) {

101. FD_SET(proxysd1, &rset);

102. FD_SET(proxysd2, &rset);

103. select(maxfd, &rset, NULL, NULL, NULL);

104. memset(buf, 0, MAXSIZE);

105. if (FD_ISSET(proxysd1, &rset)) {

106. ret = recv(proxysd1, buf, MAXSIZE, 0);

107. printf("%d --> %d proxy string:%s\n", proxysd1, proxysd2, buf);

108. send(proxysd2, buf, ret, 0);

109. }

110. if (FD_ISSET(proxysd2, &rset)) {

111. ret = recv(proxysd2, buf, MAXSIZE, 0);

112. printf("%d --> %d proxy string:%s\n", proxysd2, proxysd1, buf);

113. send(proxysd1, buf, ret, 0);

114. }

115. }

116. return 0;

117. }

同样的，为了和eBPF程序配套，我们在Makefile中增加下面的行：

1. hostprogs-y += sockmap

2. 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：

1. -rwxr-xr-x 1 root root 366840 12月 20 09:43 sockmap

2. -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：

1. enum bpf_prog_type {

2. BPF_PROG_TYPE_UNSPEC,

3. BPF_PROG_TYPE_SOCKET_FILTER,

4. BPF_PROG_TYPE_KPROBE,

5. BPF_PROG_TYPE_SCHED_CLS,

6. BPF_PROG_TYPE_SCHED_ACT,

7. BPF_PROG_TYPE_TRACEPOINT,

8. BPF_PROG_TYPE_XDP,

9. BPF_PROG_TYPE_PERF_EVENT,

10. BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SKB,

11. BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SOCK,

12. BPF_PROG_TYPE_LWT_IN,

13. BPF_PROG_TYPE_LWT_OUT,

14. BPF_PROG_TYPE_LWT_XMIT,

15. BPF_PROG_TYPE_SOCK_OPS,

16. BPF_PROG_TYPE_SK_SKB,

17. BPF_PROG_TYPE_CGROUP_DEVICE,

18. BPF_PROG_TYPE_SK_MSG,

19. BPF_PROG_TYPE_RAW_TRACEPOINT,

20. BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SOCK_ADDR,

21. BPF_PROG_TYPE_LWT_SEG6LOCAL,

22. BPF_PROG_TYPE_LIRC_MODE2,

23. BPF_PROG_TYPE_SK_REUSEPORT,

24. BPF_PROG_TYPE_FLOW_DISSECTOR,

25. BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SYSCTL,

26. BPF_PROG_TYPE_RAW_TRACEPOINT_WRITABLE,

27. BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SOCKOPT,

28. };

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。

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浙江温州皮鞋湿，下雨进水不会胖。

（完）

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