二、背景与动机
基于软件的数据包处理至关重要，相关研究也层出不穷。本节将回顾现有工作，并指出LinuxFP旨在填补的关键空白。
A. 快速软件数据包处理
我们首先关注软件数据包处理在性能方面取得的进展。该领域研究成果丰硕，以下重点介绍三项标志性技术：
Click 模块化路由器
Click模块化路由器[32]旨在解决传统路由器封闭、缺乏灵活性的问题。它提供了一个框架，允许开发者或管理员通过组合称为“元素”的模块来构建数据包处理流水线。开发者也可以通过编写新的C++类元素来扩展功能。尽管Click的设计初衷是灵活性，但其性能表现同样出色——比执行类似功能的Linux内核网络栈快4倍。作者将此归功于对数据包和I/O处理的优化。Click的意义在于，它为网络研究者提供了一个完整的框架，便于快速创建高性能网络应用，并催生了大量后续研究。
DPDK
数据平面开发套件（DPDK）[21]是一个用户态数据包处理框架。它在安全性、易调试性方面更具优势。尽管Click也能在用户态运行，但其性能远低于内核态。DPDK通过一组库优化了用户态网络性能，核心是内核旁路技术和高效的数据结构。开发者可利用DPDK库构建定制化的处理流水线。
eBPF/XDP
DPDK的主要问题在于，其通过绕过内核来换取高性能，但这牺牲了与Linux网络栈的深度融合能力。eBPF是一种能在内核多个钩子点安全加载代码的技术。在网络层面，快速数据路径（XDP）[30]提供了一个早期钩子，用于构建高性能数据路径。其加载的代码由内核验证器保证安全，并能通过helper函数或标准接口与内核其他部分交互（如查询FIB、将数据包上送协议栈）。可以说，XDP兼具了Click的可扩展性、DPDK的高性能以及内核的交互性。
然而，Click、DPDK和XDP都属于“使能技术”，而非完整的平台。它们提供了构建流水线的能力，但若要形成一个包含控制平面和完整数据平面功能的可用平台，仍需要大量额外且艰巨的工作。
B. 数据包处理平台
为此，一些项目致力于提供开箱即用的完整解决方案。
VPP
向量包处理器（VPP）[9]是一个运行在用户态的L2-L4网络协议栈。它类似于一个即插即用的网络设备（如交换机、路由器），具备固定的数据平面，可通过CLI或API进行配置。VPP基于DPDK构建，并采用向量处理（包批处理）技术以实现高性能。它内置了丰富的功能，支持虚拟交换机、路由器、防火墙和负载均衡器等用例。
Polycube
Polycube[37]是一个基于eBPF技术构建的平台，其数据平面直接运行在内核中。它同样具备一个固定的数据平面，提供IP转发、负载均衡、过滤等基础功能，并通过自定义CLI进行配置。
分析
从某种程度上说，VPP和Polycube都是Linux网络栈的替代方案。尽管VPP运行于Linux之上，Polycube运行于内核之中，但它们与Linux原生的网络处理流水线交互甚少。这带来两个主要弊端：首先，它们与成熟的Linux网络管理生态（如netlink、iproute2）及大量依赖此生态的控制平面软件（如FRR）不兼容，用户必须学习平台特定的管理接口。其次，平台开发者需要重新实现大量基础功能（如转发表查询、ARP/ICMP响应、路由协议），这是一项繁重的重复劳动。
简而言之，现有的替代方案对系统不透明，为了获得加速收益，整个应用环境都需要为特定平台进行改造。
图 1：Linux 转发处理的火焰图分析
C. Linux 网络栈中的热点区域
在自定义平台中完整复现Linux网络API是一项艰巨的任务。我们的思路并非重新造轮子，而是思考如何以最小的改动，将加速技术集成到现有Linux网络栈中，从而获得大部分性能收益。为了确定改动的关键位置，我们通过火焰图[29]等技术，在不同配置和流量模式下寻找代码执行中的“热点区域”。
以一个简单的IP转发配置为例，使用 ip route 命令后，我们观察到（如图1所示）大部分数据包遵循相同的函数调用序列。这一发现具有启发性：Linux网络处理确实存在热点，其具体位置取决于网络配置。表 I 总结了在桥接、转发、过滤和负载均衡场景下的分析结果。我们梳理了哪些功能可以通过“快速路径”加速以最大化性能，快速路径需要访问哪些内核状态，以及哪些功能应保留在“控制路径”或“慢速路径”中。这些观察构成了LinuxFP系统设计的基础。
表 I：不同数据包处理应用的加速模型
| 子系统 |
快速路径 (Fast Path) |
内核状态 (In-Kernel State) |
控制平面 + 慢路径 (Control Plane + Slow Path) |
| 桥接 |
解析、重写、FDB 查询/更新、转发 |
FDB、端口状态 |
管理FDB（老化）、处理FDB缺失（泛洪）、STP协议处理 |
| 转发 |
解析、重写、FIB 查询、转发 |
FIB、邻居表 |
ARP处理、IP（反）分片 |
| Netfilter |
解析、重写、连接跟踪查询/更新、允许/丢弃数据包 |
连接跟踪表、ACL规则 |
连接跟踪处理、IP（反）分片、处理复杂/不支持钩子的规则 |
| 负载均衡 (ipvs) |
解析、重写、连接跟踪查询/更新 |
连接跟踪表 |
连接跟踪处理、调度算法执行 |
参考相关:
| 
发表于 5 天前
|
查看: 16|
回复: 0
