如何用eBPF實現(xiàn)一個學習型網(wǎng)橋

eBPF技術風靡當下，eBPF字節(jié)碼正以星火燎原之勢被HOOK在Linux內(nèi)核中越來越多的位置，在這些HOOK點上，我們可以像編寫普通應用程序一樣編寫內(nèi)核的HOOK程序，與以往為了實現(xiàn)一個功能動輒patch一整套邏輯框架代碼(比如Netfilter)相比，eBPF的工作方式非常靈活。

我們先來看一下目前eBPF的一些重要HOOK點：

將來這個is_XXX序列肯定會不斷增加，布滿整個內(nèi)核（有點密集恐懼癥癥狀了...）。

本文將描述如何用eBPF實現(xiàn)一個學習型網(wǎng)橋的快速轉發(fā)，并將其部署在XDP。

在開始之前，為了讓所有人都能看懂本文，我們先來回顧一些前置知識，如果暫時還不懂這些前置知識，沒關系，先把程序run起來是一個很好的起點，如果到時候你覺得沒意思，再放棄也不遲。

前置知識

什么是BPF和eBPF

簡單來講，BPF是一套完整的 計算機體系結構 。和x86，ARM這些類似，BPF包含自己的指令集和運行時邏輯，同理，就像在x86平臺編程，最終要落實到x86匯編指令一樣，BPF字節(jié)碼也可以看成是匯編指令的序列。我們通過tcpdump的-d/-dd參數(shù)可見一斑：

[root@localhost ~]# tcpdump -i any tcp and host 1.1.1.1 -d

(000) ldh [14]

(001) jeq #0x86dd jt 10 jf 2

(002) jeq #0x800 jt 3 jf 10

(003) ldb [25]

(004) jeq #0x6 jt 5 jf 10

(005) ld [28]

(006) jeq #0x1010101 jt 9 jf 7

(007) ld [32]

(008) jeq #0x1010101 jt 9 jf 10

(009) ret #262144

(010) ret #0

[root@localhost ~]#

BPF的歷史非常古老，早在1992年就被構建出來了，其背后的思想是， “與其把數(shù)據(jù)包復制到用戶空間執(zhí)行用戶態(tài)程序過濾，不如把過濾程序灌進內(nèi)核去。”

遺憾的是，BPF后來并沒有大行其道，只是被應用于非常有限的并不起眼的比如抓包層面。因此，由于它的語法并不復雜，人們直接手寫B(tài)PF匯編指令碼經(jīng)簡單封裝即可生成最終的字節(jié)碼。

當人們認識到BPF非常強壯的功能并準備將其大用時，指令系統(tǒng)以及操作系統(tǒng)內(nèi)核均已經(jīng)持續(xù)進化了好多年，這意味著簡單的BPF不能再滿足需要，它需要 “被復雜化” 。

于是就出現(xiàn)了eBPF，即extended BPF?？傮w而言，eBPF相比BPF有了以下改進：1. 更復雜的指令系統(tǒng)。2. 更多可調用的函數(shù)。3. ...詳情可參見下面的鏈接：https://lwn.net/Articles/740157/

就像匯編語言進化到C語言一樣，直接手寫eBPF字節(jié)碼顯得即笨拙又低效，于是人們開始使用C語言直接編寫eBPF程序，然后用編譯器將其編譯成eBPF字節(jié)碼。遺憾的是，目前eBPF體系結構還不被gcc支持，不過很快就會支持了。我們不得不使用 特定的編譯器 來編譯eBPF的C代碼，比如clang。

什么是XDP

XDP，即eXpress Data Path，它其實是位于網(wǎng)卡驅動程序里的一個快速處理數(shù)據(jù)包的HOOK點，為什么快？基于以下兩點：

數(shù)據(jù)包處理位置非常底層，避開了很多內(nèi)核skb處理開銷。

可以將很多處理邏輯Offload到網(wǎng)卡硬件。

顯而易見，在XDP這個HOOK點灌進來一點eBPF字節(jié)碼，將是一件令人愉快的事情。

學習型網(wǎng)橋

Linux的Bridge模塊就是一個學習型網(wǎng)橋，其實就是一個現(xiàn)代交換式以太網(wǎng)交換機，它可以從端口學習到MAC地址，在內(nèi)部生成MAC/端口映射表，以優(yōu)化轉發(fā)效率。

本文我們將用eBPF實現(xiàn)的網(wǎng)橋就是一個學習型網(wǎng)橋，并且它的數(shù)據(jù)路徑和控制路徑相分離，用eBPF字節(jié)碼實現(xiàn)的正是其數(shù)據(jù)路徑，它將被灌入XDP，而控制路徑則由一個用戶態(tài)程序實現(xiàn)。

如何編譯eBPF程序

理論的學習自在平時，當打開電腦的時候，最快的速度run起來一些東西令人愉悅。我們不想花大量的時間在環(huán)境的搭建上。對于eBPF程序，內(nèi)核源碼樹的samples/bpf目錄將是一個非常好的起點。

以我自己的環(huán)境為例，我使用的是Ubuntu 19.10發(fā)行版，5.3.0-19-generic內(nèi)核，安裝源碼后，編譯之，最后編譯samples/bpf即可：

root@zhaoya-VirtualBox:/usr/src/linux-source-5.3.0/linux-source-5.3.0/samples/bpf# make

make -C ../../ /usr/src/linux-source-5.3.0/linux-source-5.3.0/samples/bpf/ BPF_SAMPLES_PATH=/usr/src/linux-source-5.3.0/linux-source-5.3.0/samples/bpf

make[1]: Entering directory '/usr/src/linux-source-5.3.0/linux-source-5.3.0'

CALL scripts/checksyscalls.sh

CALL scripts/atomic/check-atomics.sh

DESCEND objtool

...

samples/bpf目錄下的代碼都是比較典型的范例，我們照貓畫虎就能實現(xiàn)我們想要的功能。

大體上，每一個范例均由兩個部分組成：

XXX_kern.c文件：eBPF字節(jié)碼本身。

XXX_user.c文件：用戶態(tài)控制程序，控制eBPF字節(jié)碼的注入，更新。

即然我們要實現(xiàn)一個網(wǎng)橋，那么文件名我們可以確定為：

xdpbridgekern.c

xdpbridgeuser.c

同時我們修改Makefile文件，加入這兩個文件即可：

root@zhaoya-VirtualBox: samples/bpf# cat Makefile

...

hostprogs-y += xdp2

hostprogs-y += xdp_bridge

hostprogs-y += xdp_router_ipv4

...

xdp_bridge-objs := xdp_bridge_user.o

xdp_router_ipv4-objs := xdp_router_ipv4_user.o

...

always += xdp2_kern.o

always += xdp_bridge_kern.o

always += xdp_router_ipv4_kern.o

網(wǎng)橋XDP快速轉發(fā)的實現(xiàn)

對上述前置知識有了充分的理解之后，代碼就非常簡單了，我們剩下的工作就是填充xdpbridgekern.c和xdpbridgeuser.c兩個C文件，然后make它們。

我們先來看xdpbridgekern.c文件：

// xdp_bridge_kern.c

#include

#include

#include "bpf_helpers.h"

// mac_port_map保存該交換機的MAC/端口映射

struct bpf_map_def SEC("maps") mac_port_map = {

.type = BPF_MAP_TYPE_HASH,

.key_size = sizeof(long),

.value_size = sizeof(int),

.max_entries = 100,

};

// 以下函數(shù)是網(wǎng)橋轉發(fā)路徑的eBPF主函數(shù)實現(xiàn)

SEC("xdp_br")

int xdp_bridge_prog(struct xdp_md *ctx)

{

void *data_end = (void *)(long)ctx->data_end;

void *data = (void *)(long)ctx->data;

long dst_mac = 0;

int in_index = ctx->ingress_ifindex, *out_index;

// data即數(shù)據(jù)包開始位置

struct ethhdr *eth = (struct ethhdr *)data;

char info_fmt[] = "Destination Address: %lx Redirect to:[%d] From:[%d] ";

// 畸形包必須丟棄，否則無法通過內(nèi)核的eBPF字節(jié)碼合法性檢查

if (data + sizeof(struct ethhdr) > data_end) {

return XDP_DROP;

}

// 獲取目標MAC地址

__builtin_memcpy(&dst_mac, eth->h_dest, 6);

// 在MAC/端口映射表里查找對應該MAC的端口

out_index = bpf_map_lookup_elem(&mac_port_map, &dst_mac);

if (out_index == NULL) {

// 如若找不到，則上傳到慢速路徑，必要時由控制路徑更新MAC/端口表項。

return XDP_PASS;

}

// 非Hairpin下生效

if (in_index == *out_index) { // Hairpin ?

return XDP_DROP;

}

// 簡單打印些調試信息

bpf_trace_printk(info_fmt, sizeof(info_fmt), dst_mac, *out_index, in_index);

// 轉發(fā)到出端口

return bpf_redirect(*out_index, 0);

}

char _license[] SEC("license") = "GPL";

這里有必要說一下內(nèi)核對eBPF程序的合法性檢查，這個檢查一點都不多余，它確保你的eBPF代碼是安全的。這樣才不會造成內(nèi)核數(shù)據(jù)結構被破壞掉，否則，如果任意eBPF程序都能注入內(nèi)核，那結局顯然是細思極恐的。

現(xiàn)在繼續(xù)我們的用戶態(tài)C代碼：

// xdp_bridge_user.c

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include "bpf_util.h"

int flags = XDP_FLAGS_UPDATE_IF_NOEXIST;

static int mac_port_map_fd;

static int *ifindex_list;

// 退出時卸載掉XDP的eBPF字節(jié)碼

static void int_exit(int sig)

{

int i = 0;

for (i = 0; i < 2; i++) {

bpf_set_link_xdp_fd(ifindex_list[i], -1, 0);

}

exit(0);

}

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

{

int sock, i;

char buf[1024];

char filename[64];

static struct sockaddr_nl g_addr;

struct bpf_object *obj;

struct bpf_prog_load_attr prog_load_attr = {

// prog_type指明eBPF字節(jié)碼注入的位置，我們網(wǎng)橋的例子中當然是XDP

.prog_type = BPF_PROG_TYPE_XDP,

};

int prog_fd;

snprintf(filename, sizeof(filename), "xdp_bridge_kern.o");

prog_load_attr.file = filename;

// 載入eBPF字節(jié)碼

if (bpf_prog_load_xattr(&prog_load_attr, &obj, &prog_fd)) {

return 1;

}

mac_port_map_fd = bpf_object__find_map_fd_by_name(obj, "mac_port_map");

ifindex_list = (int *)calloc(2, sizeof(int *));

// 我們的例子中僅僅支持兩個端口的網(wǎng)橋，事實上可以多個。

ifindex_list[0] = if_nametoindex(argv[1]);

ifindex_list[1] = if_nametoindex(argv[2]);

for (i = 0; i < 2/*total */; i++) {

// 將eBPF字節(jié)碼注入到感興趣網(wǎng)卡的XDP

if (bpf_set_link_xdp_fd(ifindex_list[i], prog_fd, flags) < 0) {

printf("link set xdp fd failed ");

return 1;

}

}

signal(SIGINT, int_exit);

bzero(&g_addr, sizeof(g_addr));

g_addr.nl_family = AF_NETLINK;

g_addr.nl_groups = RTM_NEWNEIGH;

if ((sock = socket(AF_NETLINK, SOCK_DGRAM, NETLINK_ROUTE)) < 0) {

int_exit(0);

return -1;

}

if (bind(sock, (struct sockaddr *) &g_addr, sizeof(g_addr)) < 0) {

int_exit(0);

return 1;

}

// 持續(xù)監(jiān)聽socket，捕獲Linux網(wǎng)橋上傳的notify信息，從而更新，刪除eBPF的map里特定的MAC/端口表項

while (1) {

int len;

struct nlmsghdr *nh;

struct ndmsg *ifimsg ;

int ifindex = 0;

unsigned char *cmac;

unsigned long lkey = 0;

len = recv(sock, buf, sizeof(buf), 0);

if (len <= 0) continue;

for (nh = (struct nlmsghdr *)buf; NLMSG_OK(nh, len); nh = NLMSG_NEXT(nh, len)) {

ifimsg = NLMSG_DATA(nh) ;

if (ifimsg->ndm_family != AF_BRIDGE) {

continue;

}

// 獲取notify信息中的端口

ifindex = ifimsg->ndm_ifindex;

for (i = 0; i < 2; i++) {

if (ifindex == ifindex_list[i]) break;

}

if (i == 2) continue;

// 獲取notify信息中的MAC地址

cmac = (unsigned char *)ifimsg + sizeof(struct ndmsg) + 4;

memcpy(&lkey, cmac, 6);

if (nh->nlmsg_type == RTM_DELNEIGH) {

bpf_map_delete_elem(mac_port_map_fd, (const void *)&lkey);

printf("Delete XDP bpf map-[HW Address:Port] item Key:[%lx] Value:[%d] ", lkey, ifindex);

} else if (nh->nlmsg_type == RTM_NEWNEIGH) {

bpf_map_update_elem(mac_port_map_fd, (const void *)&lkey, (const void *)&ifindex, 0);

printf("Update XDP bpf map-[HW Address:Port] item Key:[%lx] Value:[%d] ", lkey, ifindex);

}

}

}

}

用戶態(tài)程序同樣很容易理解。

數(shù)據(jù)面和控制面分離，這是網(wǎng)絡設備的標準路數(shù)，幾十年前就這樣了，如今我們也能簡單實現(xiàn)一個了，很有趣不是嗎？

run起來

執(zhí)行make之后，我們可以得到可執(zhí)行文件xdpbridge以及eBPF字節(jié)碼文件xdpbridge_kern.o，在當前目錄下直接執(zhí)行即可：

root@zhaoya-VirtualBox:samples/bpf# ./xdp_bridge enp0s9 enp0s10

在另一個終端查看eBPF字節(jié)碼里的map，即MAC/端口映射表：

root@zhaoya-VirtualBox:/home/zhaoya# bpftool p |tail -n 4

166: xdp name xdp_bridge_prog tag 956a68e9ac54a0b3 gpl

loaded_at 2019-11-08T01:14:46+0800 uid 0

xlated 576B jited 340B memlock 4096B map_ids 105

btf_id 114

root@zhaoya-VirtualBox:/home/zhaoya# bpftool map dump id 105

Found 0 elements

root@zhaoya-VirtualBox:/home/zhaoya#

OK，一切順利?，F(xiàn)在讓我們正式用它搭建一個網(wǎng)橋吧。

暫時X掉xdp_bridge程序的運行，讓我們一步一步來。

首先構建下面的拓撲：

中間的Linux Bridge主機（后面簡稱主機B）的enp0s9，enp0s10網(wǎng)卡將是我們注入eBPF字節(jié)碼的位置。

現(xiàn)在讓我們在主機B上創(chuàng)建一個標準的Linux網(wǎng)橋：

brctl addbr br0;

brctl addif br0 enp0s9;

brctl addif br0 enp0s10;

ifconfig br0 up;

在主機H1和主機H2的enp0s9上配置同網(wǎng)段的地址：

H1-enp0s9:40.40.40.201/24

H2-enp0s9:40.40.40.100/24

互相ping確認是通的，并且主機B的enp0s9/enp0s10可以抓到雙向包，這說明主機B的Linux標準網(wǎng)橋工作是OK的。

接下來，停掉這一切，把br0也刪除掉。重新運行xdpbridge程序，確認OK后創(chuàng)建Linux標準網(wǎng)橋，從H1來ping H2，很暢通，同時我們會發(fā)現(xiàn)主機B的xdpbridge程序的輸出：

root@zhaoya-VirtualBox:/usr/src/linux-source-5.3.0/linux-source-5.3.0/samples/bpf# ./xdp_bridge enp0s9 enp0s10

Update XDP bpf map-[HW Address:Port] item Key:[683dbb270008] Value:[4]

Update XDP bpf map-[HW Address:Port] item Key:[683dbb270008] Value:[4]

Update XDP bpf map-[HW Address:Port] item Key:[e7f09f270008] Value:[5]

Update XDP bpf map-[HW Address:Port] item Key:[e7f09f270008] Value:[5]

Update XDP bpf map-[HW Address:Port] item Key:[e6f09f270008] Value:[4]

很顯然，eBPF的map學習到了新的MAC地址，我們可以用bpftool確認：

root@zhaoya-VirtualBox:~# bpftool p |tail -n 4

170: xdp name xdp_bridge_prog tag 956a68e9ac54a0b3 gpl

loaded_at 2019-11-08T01:26:19+0800 uid 0

xlated 576B jited 340B memlock 4096B map_ids 107

btf_id 117

root@zhaoya-VirtualBox:~# bpftool map dump id 107

key: 08 00 27 9f f0 e7 00 00 value: 05 00 00 00

key: 08 00 27 9f f0 e6 00 00 value: 04 00 00 00

key: 08 00 27 bb 3d 68 00 00 value: 04 00 00 00

Found 3 elements

此時，主機B的enp0s9和enp0s10就抓不到任何H1和H2之間單播包了。廣播包仍然會被上傳到慢速路徑被標準Linux網(wǎng)橋處理。

我們看trace日志：

root@zhaoya-VirtualBox:~# cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe

-0 [003] ..s. 44274.198178: 0: Destination Address: e6f09f270008 Redirect to:[4] From:[5]

...

雖然主機B的網(wǎng)卡上沒有抓到包，但如何確保數(shù)據(jù)包真的就是從XDP的eBPF字節(jié)碼轉發(fā)走的而不是直接飛過去的呢？

很好的問題，這作為下一個練習不是更好嗎？嗯，你應該試試加一個統(tǒng)計功能，而這個并不復雜。