使用 Rust 在 eBPF 中捕获性能： XDP 程序

云云众生s

发布于 2024-03-27 20:56:34

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使用 Rust 在 eBPF 中捕获性能： XDP 程序

eBPF 中的 XDP 程序允许进行非常高效的、自定义的数据包处理。eBPF XDP 程序在数据包到达内核网络堆栈之前运行。

翻译自 Catch Performance in eBPF with Rust: XDP Programs 。

这是五部分系列文章中的第二部分。在此阅读第一部分。

在这个系列中，我们学习了 eBPF 是什么，以及与之相关的工具，为什么 eBPF 性能很重要，以及如何使用连续基准测试来跟踪性能。在本系列的这一篇文章中，我们将讨论如何使用 Aya 在 Rust 中创建一个基本的 eBPF XDP 程序。该项目的所有源代码都是开源的，可以在 GitHub 上获取。

eBPF XDP 程序允许进行非常高效的、自定义的数据包处理。eBPF XDP 程序在数据包到达内核的网络堆栈之前运行。eBPF XDP 程序可以执行四种不同的操作：

XDP_PASS：将数据包传递给正常的网络堆栈进行处理。数据包内容可以被修改。
XDP_DROP：丢弃数据包并不对其进行处理。这是最快的操作。
XDP_TX：将数据包转发到它所在的相同网络接口。数据包内容可以被修改。
XDP_ABORTED：在处理过程中出现错误，因此丢弃数据包并不进行处理。这表示 eBPF 程序中的错误。

在我们的基本示例中，如果一切顺利，我们只会执行第一个操作 XDP_PASS ，因为我们更关注的是脚手架和进程间通信，而不是数据包处理逻辑。我们的初始版本的 eBPF XDP 应用程序只会记录接收到的每个数据包的 IPv4 源地址。

让我们首先看一下内核方面的代码：

#[xdp(name = fun_xdp)]
pub fn fun_xdp(ctx: XdpContext) -> u32 {
    match try_fun_xdp(&ctx) {
        Ok(ret) => ret,
        Err(_) => xdp_action::XDP_ABORTED,
    }
}

逐行解释：

这是一个 Aya 宏，告诉我们我们正在创建一个名为 fun_xdp 的 eBPF XDP 程序。
我们的 eBPF XDP 程序的函数定义。它以上下文作为唯一参数输入。上下文告诉我们内核提供给我们的所有信息，并返回一个无符号 32 位整数。
有一个名为 try_fun_xdp 的辅助函数，我们将在下面讨论。根据它的返回值，如果返回 Ok ，则一切正常，我们返回给定的值。否则，如果得到一个 Err ，我们中止执行。

现在让我们来看一下 try_fun_xdp 函数：

fn try_fun_xdp(ctx: &XdpContext) -> Result<u32, ()> {
    let eth_hdr: *const EthHdr = unsafe { ptr_at(ctx, 0)? };
    unsafe {
        let EtherType::Ipv4 = (*eth_hdr).ether_type else {
            return Ok(xdp_action::XDP_PASS);
        };
    }
    let ipv4_hdr: *const Ipv4Hdr = unsafe { ptr_at(ctx, EthHdr::LEN)? };
    let source_addr = unsafe { (*ipv4_hdr).src_addr };
    info!(ctx, "IPv4 Source Address: {}", source_addr);
    Ok(xdp_action::XDP_PASS)
}

逐行解释：

try_fun_xdp 函数接受一个对上下文的引用，并返回一个 Result ，其中包含一个 Ok 的无符号 32 位整数值或一个空的 Err 。
从上下文中获取以太网头部。注意这里的 unsafe 的 ptr_at 辅助函数，我们接下来会讨论它。
接下来的操作在 Rust 编译器中也被认为是 unsafe 的，因此我们必须显式地选择它们。
对于我们的基本示例，我们只关心 IPv4 ，因此对于其他情况，我们只需要将数据包传递出去。
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提取 IPv4 头部。再次使用 unsafe 的 ptr_at 辅助函数。
从 IPv4 头部获取源地址。
记录 IPv4 的源地址。
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返回通过！
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最后让我们看一下 ptr_at 辅助函数：

#[inline(always)]
unsafe fn ptr_at<T>(ctx: &XdpContext, offset: usize) -> Result<*const T, ()> {
    let start = ctx.data();
    let end = ctx.data_end();
    let len = core::mem::size_of::<T>();
    if start + offset + len > end {
        return Err(());
    }

    Ok((start + offset) as _)
}

逐行解释：

因为这个操作将在许多地方进行并且在关键路径中，我们使用宏要求编译器始终内联我们的辅助函数。
这是一个不安全函数，从上下文中以特定的字节偏移量读取泛型类型 T 的数据。对于成功读取， Result 是一个指向 T 的指针的 Ok 。否则，返回一个空的 Err 。
上下文给定内存的起始地址。
上下文给定内存的结束地址。
泛型类型 T 的字节数。
如果起始地址、字节偏移量和T的长度之和大于结束地址，则返回一个空的 Err ，因为我们超出了上下文的界限。如果我们不进行此检查， eBPF 验证器会感到不安，并很可能使我们的构建失败。
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从上下文给定内存的特定字节 offset 处读取 T 。
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还有一个最后的函数：

#[panic_handler]
fn panic(_info: &core::panic::PanicInfo) -> ! {
    unsafe { core::hint::unreachable_unchecked() }
}

逐行解释：

定义一个自定义的 Rust panic 处理函数。
该函数接受 Rust panic 信息，但它从不使用。这个函数永远不应该返回。
给 Rust 编译器一个提示，表明这段代码应该是不可达的。也就是说，我们永远不希望发生 pani c。这是为了让 eBPF 验证器保持快乐的必要条件。
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现在转到用户空间的部分。让我们看看我们的 main 函数：

#[tokio::main]
async fn main() -> Result<(), anyhow::Error> {
    let opt = Opt::parse();
    env_logger::init();
    let mut bpf = Bpf::load(include_bytes_aligned!("../path/to/ebpf-bin"))?;
    BpfLogger::init(&mut bpf)?;
    let program: &mut Xdp = bpf.program_mut(fun_xdp).unwrap().try_into()?;
    program.load()?;
    program.attach(&opt.iface, XdpFlags::default())?;
    info!("Waiting for Ctrl-C...");
    signal::ctrl_c().await?;
    info!("Exiting...");
    Ok(())
}
#[derive(clap::Parser)]
struct Opt {
    #[clap(long)]
    iface: String,
}

逐行解释：

这个宏使用 tokio 创建了一个异步运行时来运行我们的程序。
一个异步的 main 函数。在 Rust 二进制文件中， main 函数是事实上的入口点。该函数的结果是一个空的 Ok 或使用 anyhow crate 捕获所有的 Err 。
解析传递给二进制文件的命令行参数。
为用户空间初始化日志记录。
加载我们编译的 eBPF 字节码。Aya 使得将我们的 eBPF 源代码重新编译为字节码变得容易，所以它会在编译用户空间代码之前自动进行。
从我们的 eBPF 程序中初始化日志记录。
从我们的 eBPF 字节码中获取 fun_xdp eBPF XDP 程序。
将 fun_xdp eBPF XDP 程序加载到内核中，使用默认标志。
将我们的 fun_xdp eBPF XDP 程序附加到一个由 iface 命令行参数设置的网络接口上。
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记录如何退出我们的程序。
等待用户输入 Ctrl + C 。
记录我们的程序正在退出。
以一个空的 Ok 作为我们的结果返回。
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这个宏使用 clap 来解析在 Opt 结构中定义的命令行参数。
命令行参数结构体名为 Opt 。
另一个宏，告诉 clap 这个字段应该作为长参数名进行解析，即 --iface 。
参数的名称是 iface ，其值为字符串。