Coolbpf 最新特性系列解读：eNetSTL 网络功能加速库在龙蜥社区开源 原创

背景

​​龙蜥社区系统运维联盟​​（以下简称“联盟”）的主要工作是通过与信通院、高校、平台和运维厂商等通力合作，围绕 OS 业务系统和运维系统进行评测标准和评测系统的建立。Coolbpf 作为系统运维联盟评测系统数据采集的基础组件，同时也是 SysOM 运维系统节点端的 eBPF 数据采集平台，根据联盟工作和业务发展需要，于近期做了非常多的更新，引入了多个开源特性以及新开发特性，支持了 eNetSTL 软件网络功能、用户态 userprobe 功能（bpftime，不需要经过用户态和内核态的切换，降低开销）、eBPF 抓包功能（rdump）、多语言持续剖析 profiler 功能等。

就在 9 月份举行的云栖大会上，龙蜥社区发布了​​ eBPF 技术实践白皮书​​也介绍了上述的某些功能，得到了广大技术人的支持和好评。

《 eBPF 技术实践白皮书》下载地址为：

​​https://openanolis.cn/assets/static/eBPF_technical_practice.pdf​​

另外，由于 eBPF 技术的普及和广泛应用于实际生产中，编译环境的搭建已经相当成熟，并且由于 3.10 等低内核版本已逐渐迁移到 4.19 甚至 5.10 版本，Coolbpf 也考虑把远程编译和低版本驱动特性移除。未来 Coolbpf 将更聚焦于具体功能的提供，比如用户态 probe 功能、软件网络功能、profiling 等功能，通过 lib 库等形式服务于上层的特定应用，让开发者不再纠结于系统底层细粒度的指标采集，而更专注于自己业务的应用开发，直接调用 Coolbpf 的库函数就能满足业务需求。

Coolbpf 的特性组织如下图所示：

但针对大家使用频率非常高的 btf 下载服务不会停更，以方便在不默认发布 btf 文件的 4.19 及部分 5.10 内核版本使用 eBPF，而不用自己去生成 btf 文件。从发布至今， btf 下载网站的调用量在 200 多万次。

btf 下载网站：​​https://mirrors.openanolis.cn/coolbpf/btf/​​

针对 Coolbpf 最近的更新，我们将通过系列文章的形式，介绍每一个功能和使用方式。首先，我们来介绍一下由东南大学沈典教授团队（作者：沈典、杨彬、杨翰林、赵伦祺）贡献的 eNetSTL 软件网络功能加速库。目前代码已合入​​https://gitee.com/anolis/coolbpf​​。eNetSTL 首次使用 kfunc 技术提供软件网络功能库，如 switch、路由器，引起工业和学术界非常广泛的关注。对于需要更多访问内核数据结构的代码组织，如 virtio-net、io 队列轮询等工具，也可以参考 eNetSTL 的实现基于 kfunc 进行功能编写。

eNetSTL 软件网络功能库

eNetSTL 是基于 eBPF kfunc 和 kptr 技术的 eBPF 网络功能加速库，它通过抽象某些无法实现或实现起来性能未达标的公共功能到 eNetSTL 中，实现在不修改 eBPF 基础架构 (例如指令集）的前提下加速基于 eBPF 的网络功能。详细的介绍请参考​​《eBPF 技术实践白皮书》​​。

eNetSTL 将上述通用的模式抽象并实现为一系列高性能低开销的 API。在解决问题的同时，避免代码过度膨胀。eNetSTL 基于 eBPF 的 kernel function (kfunc) 和  kernel pointer (kptr) 技术实现，并将 API 实现在内核模块中，从而避免了内核的修改。目前 eNetSTL 的设计除了使用 kfunc 和 kptr 接口外，其他部分是 self-contain 的，因此能保持较好的内核版本的兼容性。

eNetSTL 包含的内容如下图所示：

具体来说，eNetSTL 包含以下内容：

1. Memory wrapper：支持在 eBPF 中使用非连续内存的同时，不破坏 eBPF 提供的安全保证。

2. 算法：包括位运算、基于 SIMD 的并行 hash 计算和并行比较算法。

3. 数据结构：list bucket 数据结构，支持 GEO (几何随机数) 分布的随机数池。

其中 Memory wrapper 的实现充分利用了 kfunc 和 kptr 技术。其主要设计包括：

1. 通过用一个 proxy kptr 来管理所有新分配的 node kptr，避免 BPF MAP 中只能保存静态数量的 kptr。

2. 由 eNetSTL 管理所有的底层指针，通过 kfunc 实现节点到节点的指针路由，通过给 kfunc 增加 KF_ACQUIRE tag 来安全获取下一个节点的指针，并在 eBPF 中直接访问该指针，例如 a->b。

下面是 Memory wrapper 的部分 API：

目前，Coolbpf 中的 eNetSTL 包含了一组提升基于 eBPF 实现的网络功能性能的算法，包括位运算、基于 SIMD 的并行 hash 计算和并行比较算法。其他组件正在进行工程化适配，未来 Coolbpf 中的 eNetSTL 功能也会不断更新。

使用eNetSTL方式

编译驱动

编译 eNetSTL 驱动需要以下工具：

• 安装 gcc 工具
• 安装 kernel-devel 和 kernel-headers
• 安装 pahole（用来生成 BTF 信息）

安装完上面的编译环境后，使用命令 cd bpf_kernel_modules/eNetSTL && make 来编译驱动。编译后生成驱动文件是 bpf_kernel_modules/eNetSTL/eNetSTL.ko。通过命令 insmod eNetSTL.ko 来安装该驱动。

编译样例程序

编译 eNetSTL 样例程序需要以下工具：

• 安装 llvm/clang
• 安装 rust 编译工具，Coolbpf 需要 rust 环境支持。

安装完上面的编译环境后，使用命令 mkdir build && cd build 来创建编译目录，然后通过命令 cmake -DBUILD_EXAMPLE=on .. 来开启样例程序的编译，完成编译前的配置。其次，运行 make 执行编译。最后，编译生成的 eNetSTL 程序所在路径是 build/tools/examples/eNetSTL/enetstl_countmin_sketch 和 build/tools/examples/eNetSTL/enetstl_cuckoo_hash。

运行 enetstl_countmin_sketch

enetstl_countmin_sketch 工具利用了 eNetSTL 内核驱动，该内核驱动通过 eBPF kfunc 实现了 Count-Min Sketch 算法。Count-Min Sketch 是一种概率型数据结构，它主要用于处理大规模数据流中的频率估计问题。以下是该工具的运行输出示例，显示了它已成功通过测试用例，这表明 eNetSTL 功能正在正常运行。

# build/tools/examples/eNetSTL/enetstl_countmin_sketch
test:PASS:bpf_prog_test_run_opts res 0 nsec
test:PASS:enetstl_countmin_sketch_bpf:test_countmin 0 nsec

运行 enetstl_cuckoo_hash

enetstl_cuckoo_hash 工具利用了 eNetSTL 内核驱动，该内核驱动通过 eBPF kfunc 实现了 cuckoo hash 算法。cuckoo hash 算法是一种使用两个哈希函数和动态冲突解决机制的哈希表技术，提供快速的查找和删除操作。以下是该工具的运行输出示例，显示了它已成功通过测试用例，这表明 eNetSTL 功能正在正常运行。

# build/tools/examples/eNetSTL/enetstl_cuckoo_hash
test:PASS:bpf_prog_test_run_opts res 0 nsec
test:PASS:enetstl_cuckoo_hash_bpf:test_cuckoo_hash 0 nsec

以上内容介绍了 Coolbpf 最近做的一些特性更新，并且详细介绍了 eNetSTL 功能和使用方式，更多信息请参考 Coolbpf 项目源码。在后续的文章中，我们将介绍 libprofiler、rdump、bpftime 等功能，请持续关注龙蜥不迷路。

—— 完 ——