一.背景及导言

在当今数字化的世界中，网络通信的高性能和低延迟对于许多应用至关重要。而用户态网络协议栈通过摆脱传统内核态协议栈的限制，为实现更快速、灵活的数据包处理提供了新的可能性。本文将深入探讨基于DPDK的用户态UDP网络协议栈的设计、实现。

传统的内核态协议栈在处理网络通信时通常伴随着较大的性能开销，而用户态网络协议栈的崛起为高性能应用带来了全新的解决方案。DPDK，作为一款用于高性能数据平面应用的工具包，为用户态网络协议栈的实现提供了强大的支持。通过将网络协议栈移植到用户态，我们可以更灵活地优化数据包处理、提高吞吐量，并有效降低处理延迟。

二.协议栈架构设计

网络协议栈整体大致架构如下图所示：

1. 数据包接收和发送引擎

数据包接收和发送引擎负责从网络接口接收数据包，并将数据包发送到目标地址。通过DPDK提供的高性能数据包I/O接口，实现对多队列的支持，以提高并行性和吞吐量。

从网卡接收原始数据放入in_ring:
rte_eth_rx_burst();
从out_ring中取出数据通过网卡发送:
rte_eth_tx_burst();

while(1) {// rxstruct rte_mbuf *rx[BURST_SIZE];// 内存池//接收unsigned num_recvd = rte_eth_rx_burst(gDpdkPortId, 0, rx, BURST_SIZE);if(num_recvd > BURST_SIZE) {rte_exit(EXIT_FAILURE, "Error receiving from eth\n");} else if(num_recvd > 0) {//入队列rte_ring_sp_enqueue_burst(ring->in, (void**)rx, num_recvd, NULL);}// txstruct rte_mbuf *tx[BURST_SIZE];//出队列unsigned nb_tx = rte_ring_sc_dequeue_burst(ring->out, (void**)tx, BURST_SIZE,NULL);if(nb_tx > 0) {//发送rte_eth_tx_burst(gDpdkPortId, 0, tx, nb_tx);unsigned i = 0;for(;i < nb_tx; i++) {rte_pktmbuf_free(tx[i]);}}static uint64_t prev_tsc = 0, cur_tsc;uint64_t diff_tsc;cur_tsc = rte_rdtsc();diff_tsc = cur_tsc - prev_tsc;if(diff_tsc > TIMER_RESOLUTION_CYCLES) {rte_timer_manage();prev_tsc = cur_tsc;}}

2. 协议解析

协议解析模块负责对接收到的UDP数据包进行解析，提取出源和目标端口号、校验和等关键信息。采用高效的解析算法，确保对数据包的处理不成为性能瓶颈。
从原始数据包中解析以太网头:

struct rte_ether_hdr *ehdr = rte_pktmbuf_mtod(mbufs[i],struct rte_ether_hdr*);

从原始数据包中(偏移以太网头)解析arp头:

struct rte_arp_hdr *ahdr = rte_pktmbuf_mtod_offset(mbufs[i],struct rte_arp_hdr *,sizeof(struct rte_ether_hdr));

从原始数据包中解析IP头:

struct rte_ipv4_hdr *iphdr = rte_pktmbuf_mtod_offset(mbufs[i], struct rte_ipv4_hdr *, sizeof(struct rte_ether_hdr));

通过IP头中的网络类型协议可以得知该数据包是UDP，TCP或ICMP包,通过类型强制转换可以得到相对应的数据包协议头。
通过IP头偏移1位强转可得到UDP/TCP头:

struct rte_udp_hdr *udphdr = (struct rte_udp_hdr *)(iphdr + 1);

通过IP头偏移1位强转可得到ICMP头:

struct rte_icmp_hdr *icmphdr = (struct rte_icmp_hdr *)(iphdr + 1);

不同的数据包调用不同的函数处理，通过对数据包的解析可以得到我们想要的IP地址，端口号，以太网地址，数据等。

3. 数据包处理逻辑

数据包处理逻辑包括各种应用层的逻辑，如数据包过滤、路由决策等。这一部分需要具体根据应用场景进行定制，以满足不同需求。
当用户接收并处理完数据包后得到新的用户数据需要发送，此时我们只需要逆向操作接收数据包的过程即可。
一个UDP数据帧组成结构如图所示，在用户数据上添加UDP头，在此基础上再添加IP头，最后再添加以太网头，一个UDP数据帧就组装完毕，就可直接通过网卡发送。

按UDP数据帧结构从用户数据从上往下依次组包。

!](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/ede89757233f4dca8eff2eec63826075.png)

//1 etherstruct rte_ether_hdr *eth = (struct rte_ether_hdr*)msg;rte_memcpy(eth->s_addr.addr_bytes, src_mac, RTE_ETHER_ADDR_LEN);//源Mac地址rte_memcpy(eth->d_addr.addr_bytes, dst_mac, RTE_ETHER_ADDR_LEN);//目的Mac地址eth->ether_type = htons(RTE_ETHER_TYPE_IPV4);//类型

//2 iphdrstruct rte_ipv4_hdr *ip = (struct rte_ipv4_hdr*)(msg + sizeof(struct rte_ether_hdr));ip->version_ihl = 0x45; //4位版本,4位首部长度ip->type_of_service = 0;//服务类型ip->total_length = htons(length - sizeof(struct rte_ether_hdr));//总长度ip->packet_id = 0;//16位标识ip->fragment_offset = 0;//偏移ip->time_to_live = 64; //TTLip->next_proto_id = IPPROTO_UDP;//8位协议ip->src_addr = sip;ip->dst_addr = dip;ip->hdr_checksum = 0;ip->hdr_checksum = rte_ipv4_cksum(ip);//首部校验和

//3 udpstruct rte_udp_hdr *udp = (struct rte_udp_hdr*)(msg + sizeof(struct rte_ether_hdr) + sizeof(struct rte_ipv4_hdr));udp->src_port = sport;//源端口udp->dst_port = dport;//目的端口uint16_t udplen = length - sizeof(struct rte_ether_hdr) - sizeof(struct rte_ipv4_hdr);udp->dgram_len = htons(udplen);//长度rte_memcpy((uint8_t*)(udp + 1), data, udplen);udp->dgram_cksum = 0;udp->dgram_cksum = rte_ipv4_udptcp_cksum(ip, udp);//校验和

所有数据包都有以太网头,IP头和arp头为第二层,TCP UDP ICMP为第三次,数据组包的时候只需根据需求选择不同的协议填空即可。

三.网络函数编写

定义主机，包括：唯一标识符，IP地址，Mac地址，协议，recvbuf,senfbuf,互斥锁，条件变量，链表结构。

struct localhost {int fd;uint32_t localip;uint8_t localmac[RTE_ETHER_ADDR_LEN];uint16_t localport;uint8_t protocol;struct rte_ring *recvbuf;struct rte_ring *sendbuf;struct localhost *prev;struct localhost *next;pthread_cond_t cond;pthread_mutex_t mutex;
};static struct localhost *lhost = NULL;

使用Hook自定义网络编程函数，或自定义网络函数名。

1.socket

static int 
socket(__attribute__((unused))int domain, int type, __attribute__((unused))int protocol) {int fd = get_fd_frombitmap();struct localhost *host = rte_malloc("localhost", sizeof(struct localhost), 0);if(host == NULL) {return -1;}memset(host, 0, sizeof(struct localhost));host->fd = fd;if(type == SOCK_DGRAM) {host->protocol = IPPROTO_UDP;} host->recvbuf =  rte_ring_create("recv buf",RING_SIZE,rte_socket_id(),RING_F_SP_ENQ | RING_F_SC_DEQ);if(host->recvbuf == NULL) {rte_free(host);return -1;}host->sendbuf =  rte_ring_create("send buf",RING_SIZE,rte_socket_id(),RING_F_SP_ENQ | RING_F_SC_DEQ);if(host->sendbuf == NULL) {rte_ring_free(host->recvbuf);rte_free(host);return -1;}pthread_cond_t blank_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;rte_memcpy(&host->cond, &blank_cond, sizeof(pthread_cond_t));pthread_mutex_t blank_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;rte_memcpy(&host->mutex, &blank_mutex, sizeof(pthread_mutex_t));LL_ADD(host, lhost);return fd;
}

2.bind

static int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,__attribute__((unused))socklen_t addrlen) {struct localhost *host = get_hostinfo_fromfd(sockfd);if(host == NULL) {return -1;}const struct sockaddr_in *laddr = (const struct sockaddr_in*)addr;host->localport = laddr->sin_port;rte_memcpy(&host->localip, &laddr->sin_addr.s_addr, sizeof(uint32_t));rte_memcpy(host->localmac, gSrcMac, RTE_ETHER_ADDR_LEN);return 0;
}

3.recvfrom

static ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, __attribute__((unused))int flags,struct sockaddr *src_addr, __attribute__((unused))socklen_t *addrlen){struct localhost *host = get_hostinfo_fromfd(sockfd);if(host == NULL) return -1;struct sockaddr_in *saddr = (struct sockaddr_in*)src_addr;//dequeuestruct offload *ol = NULL;unsigned char *ptr = NULL;int nb = -1;//阻塞pthread_mutex_lock(&host->mutex);while((nb = rte_ring_mc_dequeue(host->recvbuf,(void**)&ol)) < 0) {pthread_cond_wait(&host->cond, &host->mutex);}pthread_mutex_unlock(&host->mutex);saddr->sin_port = ol->sport;rte_memcpy(&saddr->sin_addr.s_addr, &ol->sip, sizeof(uint32_t));struct in_addr addr;addr.s_addr = ol->dip;printf("nrecvto ---> src: %s:%d \n", inet_ntoa(addr), ntohs(ol->dport));if(len < ol->length) { //一次无法接收全部数据rte_memcpy(buf, ol->data, len);ptr = rte_malloc("unsigned char *", ol->length - len, 0);rte_memcpy(ptr, ol->data + len, ol->length - len);ol->length -= len;rte_free(ol->data);ol->data = ptr;rte_ring_mp_enqueue(host->recvbuf, ol);return len;} else {rte_memcpy(buf, ol->data, ol->length);rte_free(ol->data);rte_free(ol);return ol->length;}
}

4.sendto

static ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, __attribute__((unused))int flags,const struct sockaddr *dest_addr, __attribute__((unused))socklen_t addrlen){struct localhost *host = get_hostinfo_fromfd(sockfd);if(host == NULL) return -1;const struct sockaddr_in *daddr = (const struct sockaddr_in*)dest_addr;struct offload *ol = rte_malloc("offload", sizeof(struct offload), 0);if(ol == NULL) {return -1;}ol->dip = daddr->sin_addr.s_addr;ol->dport = daddr->sin_port;ol->sip = host->localip;ol->sport = host->localport;ol->length = len;struct in_addr addr;addr.s_addr = ol->dip;printf("nsendto ---> src: %s:%d \n", inet_ntoa(addr), ntohs(ol->dport));ol->data = rte_malloc("ol data", len, 0);if(ol->data == NULL) {rte_free(ol);return -1;}rte_memcpy(ol->data, buf, len);rte_ring_mp_enqueue(host->sendbuf, ol);return len;   
}

5.close

static int nclose(int fd) {struct localhost *host = get_hostinfo_fromfd(fd);if(host == NULL) {return -1;}LL_REMOVE(host, lhost);if(host->recvbuf){rte_ring_free(host->recvbuf);}if(host->sendbuf){rte_ring_free(host->sendbuf);}rte_free(host);return 0;
}

四.总结

通过本文，我们深入研究了基于DPDK的用户态UDP网络协议栈的设计、实现。在整体设计思路上，我们采用了用户态网络协议栈的理念，通过将核心功能移至用户空间，结合DPDK的强大支持，实现了一个高性能、低延迟的数据包处理方案。

关键组成部分中，我们详细介绍了数据包接收和发送引擎、协议解析、数据包处理逻辑等模块。这些组成部分共同协作，使得用户态UDP网络协议栈能够在不同应用场景下发挥其优势。

整体架构图清晰展示了各个模块之间的关系，以及数据在协议栈中的流动路径。这有助于读者更好地理解我们设计的用户态UDP网络协议栈的整体结构。

通过对用户态UDP网络协议栈的研究，我们不仅深刻理解了其设计和实现，也为构建更高性能、更灵活的网络通信系统奠定了基础。未来，我们期待在这一基础上进一步优化和扩展，以满足不断发展的网络应用需求。

链接: 基于DPDK实现的UDP用户态网络协议栈完整代码