网络编程之XDP技术介绍
一、简介
XDP：eXpress Data Path，快速数据面，听名字是不是很高大上。其实它就是一个快速处理Rx数据包的数据面技术。为什么现在对数据处理如此敏感？原因非常简单，随着网络的不断覆盖社会的各个层面，海量的数据不断出现，而处理这些数据就要求一个字，快。
无论是Linux亦或是Windows，它们都产生于早期的计算机系统，对快速的网络数据处理，大多天生就带有一些不足，这也导致了很多的问题。一般来说，操作系统的特点就是要有相当大的通用性，而这种通用性往往也是性能的瓶颈，这个瓶颈自然也包括网络数据通信。如果说早期的网络尚未普及阶段，数据的量对计算机来说还是可以承受的，但随着网络带宽的不断增加，大型网站的不断出现，导致大规模的并发不断出现，从而使得数据量以无法想象的速度快速增长。通用型的设计在面对这些场景时往往力不从心。
当双11和618的同时支付数量不断上升到一个新层面时，当大量的在线视频用户不断突破上限时…,新的技术需求已经涌现。而针对这些需求，除了应用层、中间层的不断发展，对操作系统也不可避免的提出了更高的技术要求。虽然做为操作系统稳定压倒一切，但稳定不代表不前进。
在前面的文章“eBPF介绍”中就已经对eBPF进行了初步的分析。而此篇的XDP技术就是基于此技术的。
二、原理
在早期的网络编程中，一般能到C1K就已经不错了，后来提高到C10K，C100K，C1000K…可以负责任的说，这个数字一定会继续发展下去。那么，传统的Linux系统对网络协议栈的处理未免有些跟不上潮流。当各种的优化，不管是从硬件还是驱动还是OS还是应用层，都无能为力时，但网卡的性能还在不断增加，传输速率从10G到100G而且还在不断的增加时，新的技术就会应运而生。Intel公司率先提出了自己的解决方案DPDK，但做一家知名的大公司与开源的Linux天生就不会合群的，你有的，Linux一定也会有的，这也就是David S. Miller说的那句名言“DPDK is not Linux”。随着Linux技术准备完成，在Linux4.8以上版本，提供了XDP技术支持。
XDP可以理解成一个Linux内核网络栈的最底层的数据处理机制，利用钩子为BPF提供了一个加载的入口。而这个入口可以直接操作数据而无需劳动内核其它的部分。说的简单一些，去一家公司办事，在门口就被拦了下来，能处理就处理，不能处理的再按套路来。这样，就灵活快捷了很多。XDP只能用来处理Rx路径上的数据包而不会处理Tx路径上的数据包。
XDP有三种处理模式：
1、offload（卸载）模式即网卡需要支持将XDP程序直接运行到网卡上。这种械是最强的编程模式，它可以直接在最原始的网络数据入口处对数据进行处理（过滤、丢弃等），其效率和速度当然是最好的，但缺点是它需要硬件的支持即NIC的支持，这个就比较麻烦了。一般来说，硬件厂商是无利不起早的，所以这个模式目前还有点难缠。
2、native（原生或者本地）模式，相对于上面的处理，退而求其次，运行在网卡驱动中，而这种层级，也是相当底层的，处理数据的性能也非常高。相对来说，驱动做为一种固件，升级还是比硬件升级容易不少，所以在这种模式下支持XDP程序的网卡还是有不少。
3、generic（通用）模式，一听通用，大家可能明白了，这就是一种兼容模式。也就是说网卡不支持，驱动不支持都没事儿，反正现在是虚拟的设备横行。没有可以模拟出一个来，但这样一来，对内核的要求就高了。当然，模拟的总归不如真实的，直接的表现就是性能会显著降低。网上的资料其与native模式大约有10倍左右的差距。
XDP通过上述的方式提供了内核网络栈的可编程机会并且解决了使用kernel bypass出现的一些问题，这才是重点。
三、优点和缺点
一个技术不可能光有优点也不可能光有缺点，对XDP而言也是如此：
XDP的优点主要有：
1、对网络数据处理及时、快捷
2、性能高度优化
3、支持指令虚拟机（BPF）
4、可扩展
5、可编程
6、不需要专门的硬件
7、不需要kernel bypass（或者说Linux自己的kernel bypass）
8、与传统网络协议栈（TCP/IP）很好融合
XDP的缺点：
1、通用性差，毕竟XDP是专用的
2、XDP没有缓存队列，所以可能在Tx和Rx不匹配时，可能丢包
3、对IP分片支持不友好
四、应用
明白了XDP的优势，就可以有针对性的在相应的场景下应用：
1、防火墙，各种数据过滤
2、阻止一些网络攻击，如DDoS
3、处理网络的负载均衡
4、高并发处理（如交易、金融等）
5、网络数据采集（采样和统计分析等）
五、总结
我们学习了很多的Linux的相关的新技术，这次又是XDP。网络技术的不断前进最主要的原因是需求的爆发式增长，为了解决问题，各种技术不断的涌现，有临时的，有侧重一点的，有关心一层的，诸多种类，不一而足。学习一个技术点，然后将其它相关的技术点整合成线，最终融合成面，那么对这些相关的技术的整体综合运用就会得心应手。