如何用eBPF实现一个学习型网桥

eBPF技术风靡当下，eBPF字节码正以星火燎原之势被HOOK在Linux内核中越来越多的位置，在这些HOOK点上，我们可以像编写普通应用程序一样编写内核的HOOK程序，与以往为了实现一个功能动辄patch一整套逻辑框架代码(比如Netfilter)相比，eBPF的工作方式非常灵活。

我们先来看一下目前eBPF的一些重要HOOK点：
 

将来这个is_XXX序列肯定会不断增加，布满整个内核（有点密集恐惧症症状了...）。

本文将描述如何用eBPF实现一个学习型网桥的快速转发，并将其部署在XDP。

在开始之前，为了让所有人都能看懂本文，我们先来回顾一些前置知识，如果暂时还不懂这些前置知识，没关系，先把程序run起来是一个很好的起点，如果到时候你觉得没意思，再放弃也不迟。

前置知识

什么是BPF和eBPF

简单来讲，BPF是一套完整的 计算机体系结构 。和x86，ARM这些类似，BPF包含自己的指令集和运行时逻辑，同理，就像在x86平台编程，最终要落实到x86汇编指令一样，BPF字节码也可以看成是汇编指令的序列。我们通过tcpdump的-d/-dd参数可见一斑：

[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的历史非常古老，早在1992年就被构建出来了，其背后的思想是， “与其把数据包复制到用户空间执行用户态程序过滤，不如把过滤程序灌进内核去。”

遗憾的是，BPF后来并没有大行其道，只是被应用于非常有限的并不起眼的比如抓包层面。因此，由于它的语法并不复杂，人们直接手写BPF汇编指令码经简单封装即可生成最终的字节码。

当人们认识到BPF非常强壮的功能并准备将其大用时，指令系统以及操作系统内核均已经持续进化了好多年，这意味着简单的BPF不能再满足需要，它需要 “被复杂化” 。

于是就出现了eBPF，即extended BPF。总体而言，eBPF相比BPF有了以下改进：1. 更复杂的指令系统。2. 更多可调用的函数。3. ...详情可参见下面的链接：https://lwn.net/Articles/740157/

就像汇编语言进化到C语言一样，直接手写eBPF字节码显得即笨拙又低效，于是人们开始使用C语言直接编写eBPF程序，然后用编译器将其编译成eBPF字节码。遗憾的是，目前eBPF体系结构还不被gcc支持，不过很快就会支持了。我们不得不使用 特定的编译器 来编译eBPF的C代码，比如clang。

什么是XDP

XDP，即eXpress Data Path，它其实是位于网卡驱动程序里的一个快速处理数据包的HOOK点，为什么快？基于以下两点：

数据包处理位置非常底层，避开了很多内核skb处理开销。

可以将很多处理逻辑Offload到网卡硬件。

显而易见，在XDP这个HOOK点灌进来一点eBPF字节码，将是一件令人愉快的事情。

学习型网桥

Linux的Bridge模块就是一个学习型网桥，其实就是一个现代交换式以太网交换机，它可以从端口学习到MAC地址，在内部生成MAC/端口映射表，以优化转发效率。

本文我们将用eBPF实现的网桥就是一个学习型网桥，并且它的数据路径和控制路径相分离，用eBPF字节码实现的正是其数据路径，它将被灌入XDP，而控制路径则由一个用户态程序实现。

如何编译eBPF程序

理论的学习自在平时，当打开电脑的时候，最快的速度run起来一些东西令人愉悦。我们不想花大量的时间在环境的搭建上。对于eBPF程序，内核源码树的samples/bpf目录将是一个非常好的起点。

以我自己的环境为例，我使用的是Ubuntu 19.10发行版，5.3.0-19-generic内核，安装源码后，编译之，最后编译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目录下的代码都是比较典型的范例，我们照猫画虎就能实现我们想要的功能。

大体上，每一个范例均由两个部分组成：

XXX_kern.c文件：eBPF字节码本身。

XXX_user.c文件：用户态控制程序，控制eBPF字节码的注入，更新。

即然我们要实现一个网桥，那么文件名我们可以确定为：

xdpbridgekern.c

xdpbridgeuser.c

同时我们修改Makefile文件，加入这两个文件即可：

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

网桥XDP快速转发的实现

对上述前置知识有了充分的理解之后，代码就非常简单了，我们剩下的工作就是填充xdpbridgekern.c和xdpbridgeuser.c两个C文件，然后make它们。

我们先来看xdpbridgekern.c文件：

// xdp_bridge_kern.c

#include

#include

#include "bpf_helpers.h"

// mac_port_map保存该交换机的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,

};

// 以下函数是网桥转发路径的eBPF主函数实现

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即数据包开始位置

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

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

// 畸形包必须丢弃，否则无法通过内核的eBPF字节码合法性检查

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

return XDP_DROP;

}

// 获取目标MAC地址

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

// 在MAC/端口映射表里查找对应该MAC的端口

out_index = bpf_map_lookup_elem(&mac_port_map, &dst_mac);

if (out_index == NULL) {

// 如若找不到，则上传到慢速路径，必要时由控制路径更新MAC/端口表项。

return XDP_PASS;

}

// 非Hairpin下生效

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

return XDP_DROP;

}

// 简单打印些调试信息

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

// 转发到出端口

return bpf_redirect(*out_index, 0);

}

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

这里有必要说一下内核对eBPF程序的合法性检查，这个检查一点都不多余，它确保你的eBPF代码是安全的。这样才不会造成内核数据结构被破坏掉，否则，如果任意eBPF程序都能注入内核，那结局显然是细思极恐的。

现在继续我们的用户态C代码：

// 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;

// 退出时卸载掉XDP的eBPF字节码

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字节码注入的位置，我们网桥的例子中当然是XDP

.prog_type = BPF_PROG_TYPE_XDP,

};

int prog_fd;

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

prog_load_attr.file = filename;

// 载入eBPF字节码

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 *));

// 我们的例子中仅仅支持两个端口的网桥，事实上可以多个。

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

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

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

// 将eBPF字节码注入到感兴趣网卡的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;

}

// 持续监听socket，捕获Linux网桥上传的notify信息，从而更新，删除eBPF的map里特定的MAC/端口表项

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;

}

// 获取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;

// 获取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);

}

}

}

}

用户态程序同样很容易理解。

数据面和控制面分离，这是网络设备的标准路数，几十年前就这样了，如今我们也能简单实现一个了，很有趣不是吗？

run起来

执行make之后，我们可以得到可执行文件xdpbridge以及eBPF字节码文件xdpbridge_kern.o，在当前目录下直接执行即可：

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

在另一个终端查看eBPF字节码里的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，一切顺利。现在让我们正式用它搭建一个网桥吧。

暂时X掉xdp_bridge程序的运行，让我们一步一步来。

首先构建下面的拓扑：

中间的Linux Bridge主机（后面简称主机B）的enp0s9，enp0s10网卡将是我们注入eBPF字节码的位置。

现在让我们在主机B上创建一个标准的Linux网桥：

brctl addbr br0;

brctl addif br0 enp0s9;

brctl addif br0 enp0s10;

ifconfig br0 up;

在主机H1和主机H2的enp0s9上配置同网段的地址：

H1-enp0s9:40.40.40.201/24

H2-enp0s9:40.40.40.100/24

互相ping确认是通的，并且主机B的enp0s9/enp0s10可以抓到双向包，这说明主机B的Linux标准网桥工作是OK的。

接下来，停掉这一切，把br0也删除掉。重新运行xdpbridge程序，确认OK后创建Linux标准网桥，从H1来ping H2，很畅通，同时我们会发现主机B的xdpbridge程序的输出：

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]

很显然，eBPF的map学习到了新的MAC地址，我们可以用bpftool确认：

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

此时，主机B的enp0s9和enp0s10就抓不到任何H1和H2之间单播包了。广播包仍然会被上传到慢速路径被标准Linux网桥处理。

我们看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]

...

虽然主机B的网卡上没有抓到包，但如何确保数据包真的就是从XDP的eBPF字节码转发走的而不是直接飞过去的呢？

很好的问题，这作为下一个练习不是更好吗？嗯，你应该试试加一个统计功能，而这个并不复杂。