良许Linux教程网 Linux教程 Linux经典的几款收包引擎

Linux经典的几款收包引擎

本文列举四个比较经典的 Linux 收包引擎,如果还有其他你觉得ok的可以留言。这四个分别是:
Linux学习

  • libpcap/libpcap-mmap
  • PF_RING
  • DPDK
  • xdp

libpcap

libpcap的包捕获机制是在数据链路层增加一个旁路处理,不干扰系统自身的网路协议栈的处理,对发送和接收的数据包通过Linux内核做过滤和缓冲处理,最后直接传递给上层应用程序。

  1. 数据包到达网卡设备。

  2. 网卡设备依据配置进行DMA操作。( 「第1次拷贝」 :网卡寄存器->内核为网卡分配的缓冲区ring buffer)

  3. 网卡发送中断,唤醒处理器。

  4. 驱动软件从ring buffer中读取,填充内核skbuff结构( 「第2次拷贝」 :内核网卡缓冲区ring buffer->内核专用数据结构skbuff)

  5. 接着调用netif_receive_skb函数:

    • 5.1 如果有抓包程序,由网络分接口进入BPF过滤器,将规则匹配的报文拷贝到系统内核缓存 ( 「第3次拷贝」 )。BPF为每一个要求服务的抓包程序关联一个filter和两个buffer。BPF分配buffer 且通常情况下它的额度是4KB the store buffer 被使用来接收来自适配器的数据;the hold buffer被使用来拷贝包到应用程序。
    • 5.2 处理数据链路层的桥接功能;
    • 5.3 根据skb->protocol字段确定上层协议并提交给网络层处理,进入网络协议栈,进行高层处理。
  6. libpcap绕过了Linux内核收包流程中协议栈部分的处理,使得用户空间API可以直接调用套接字PF_PACKET从链路层驱动程序中获得数据报文的拷贝,将其从内核缓冲区拷贝至用户空间缓冲区( 「第4次拷贝」

libpcap-mmap

libpcap-mmap是对旧的libpcap实现的改进,新版本的libpcap基本都采用packet_mmap机制。PACKET_MMAP通过mmap,减少一次内存拷贝( 「第4次拷贝没有了」 ),减少了频繁的系统调用,大大提高了报文捕获的效率。

PF_RING

我们看到之前libpcap有4次内存拷贝。libpcap_mmap有3次内存拷贝。PF_RING提出的核心解决方案便是减少报文在传输过程中的拷贝次数。

我们可以看到,相对与libpcap_mmap来说,pfring允许用户空间内存直接和rx_buffer做mmap。这又减少了一次拷贝 (「libpcap_mmap的第2次拷贝」 :rx_buffer->skb)

PF-RING ZC实现了DNA(Direct NIC Access 直接网卡访问)技术,将用户内存空间映射到驱动的内存空间,使用户的应用可以直接访问网卡的寄存器和数据。

通过这样的方式,避免了在内核对数据包缓存,减少了一次拷贝( 「libpcap的第1次拷贝」 ,DMA到内核缓冲区的拷贝)。这就是完全的零拷贝。

其缺点是,只有一个 应用可以在某个时间打开DMA ring(请注意,现在的网卡可以具有多个RX / TX队列,从而就可以在每个队列上同时一个应用程序),换而言之,用户态的多个应用需要彼此沟通才能分发数据包。

DPDK

pf-ring zc和dpdk均可以实现数据包的零拷贝,两者均旁路了内核,但是实现原理略有不同。pf-ring zc通过zc驱动(也在应用层)接管数据包,dpdk基于UIO实现。

1 UIO+mmap 实现零拷贝(zero copy)

UIO(Userspace I/O)是运行在用户空间的I/O技术。Linux系统中一般的驱动设备都是运行在内核空间,而在用户空间用应用程序调用即可,而UIO则是将驱动的很少一部分运行在内核空间,而在用户空间实现驱动的绝大多数功能。采用Linux提供UIO机制,可以旁路Kernel,将所有报文处理的工作在用户空间完成。

2 UIO+PMD 减少中断和CPU上下文切换

DPDK的UIO驱动屏蔽了硬件发出中断,然后在用户态采用主动轮询的方式,这种模式被称为PMD(Poll Mode Driver)。

与DPDK相比,pf-ring(no zc)使用的是NAPI polling和应用层polling,而pf-ring zc与DPDK类似,仅使用应用层polling。

3 HugePages 减少TLB miss

在操作系统引入MMU(Memory Management Unit)后,CPU读取内存的数据需要两次访问内存。第一次要查询页表将逻辑地址转换为物理地址,然后访问该物理地址读取数据或指令。

为了减少页数过多,页表过大而导致的查询时间过长的问题,便引入了TLB(Translation Lookaside Buffer),可翻译为地址转换缓冲器。TLB是一个内存管理单元,一般存储在寄存器中,里面存储了当前最可能被访问到的一小部分页表项。

引入TLB后,CPU会首先去TLB中寻址,由于TLB存放在寄存器中,且其只包含一小部分页表项,因此查询速度非常快。若TLB中寻址成功(TLB hit),则无需再去RAM中查询页表;若TLB中寻址失败(TLB miss),则需要去RAM中查询页表,查询到后,会将该页更新至TLB中。

而DPDK采用HugePages ,在x86-64下支持2MB、1GB的页大小,大大降低了总页个数和页表的大小,从而大大降低TLB miss的几率,提升CPU寻址性能。

4 其它优化

  • SNA(Shared-nothing Architecture),软件架构去中心化,尽量避免全局共享,带来全局竞争,失去横向扩展的能力。NUMA体系下不跨Node远程使用内存。
  • SIMD(Single Instruction Multiple Data),从最早的mmx/sse到最新的avx2,SIMD的能力一直在增强。DPDK采用批量同时处理多个包,再用向量编程,一个周期内对所有包进行处理。比如,memcpy就使用SIMD来提高速度。
  • cpu affinity:即 CPU 亲和性

XDP

xdp代表eXpress数据路径,使用ebpf 做包过滤,相对于dpdk将数据包直接送到用户态,用用户态当做快速数据处理平面,xdp是在驱动层创建了一个数据快速平面。在数据被网卡硬件dma到内存,分配skb之前,对数据包进行处理。

请注意,XDP并没有对数据包做Kernel bypass,它只是提前做了一点预检而已。

相对于DPDK,XDP具有以下优点:

  • 无需第三方代码库和许可
  • 同时支持轮询式和中断式网络
  • 无需分配大页
  • 无需专用的CPU
  • 无需定义新的安全网络模型

XDP的使用场景包括:

  • DDoS防御
  • 防火墙
  • 基于XDP_TX的负载均衡
  • 网络统计
  • 复杂网络采样
  • 高速交易平台

以上就是良许教程网为各位朋友分享Linux经典的几款收包引擎。想要了解更多Linux相关知识记得关注公众号“良许Linux”,或扫描下方二维码进行关注,更多干货等着你!
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良许

作者: 良许

良许,世界500强企业Linux开发工程师,公众号【良许Linux】的作者,全网拥有超30W粉丝。个人标签:创业者,CSDN学院讲师,副业达人,流量玩家,摄影爱好者。
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