Využití XDP pro akceleraci směrování v jádře systému Linux

Abstract

Tradičné smerovanie paketov v jadre Linuxu naráža na výkonnostné limity pri vysokých prenosových rýchlostiach. Táto diplomová práca sa zameriava na akceleráciu pomocou eXpress Data Path (XDP) pomocou nástroja xdp-forward a porovnáva jeho výkon so štandardným smerovaním v jadre. Počas vývoja boli identifikované chýbajúce funkcionality, najmä podpora VLAN a integrácia s Netfiltrom. V rámci práce boli navrhnuté dva prístupy k implementácii VLAN: jeden využíva upravené jadro pre prístup k chýbajúcim informáciám cez bpf_fib_lookup, druhý používa eBPF mapy, čo umožňuje kompatibilitu aj s neupraveným jadrom. Výkonnostné testy ukázali, že xdp-forward dokáže zvýšiť rýchlosť spracovania paketov až štvornásobne v porovnaní s bežným smerovaním, pričom výsledky závisia od použitého hardvéru. Práca sa venuje aj možnostiam ďalšieho rozvoja, ako sú fronty v rámci XDP či hardvérové zrýchlenie, hoci podpora zo strany sieťových kariet je zatiaľ obmedzená.

Traditional Linux kernel packet forwarding faces performance constraints at high network speeds. This thesis evaluates eXpress Data Path (XDP) acceleration through xdp-forward, comparing its performance against standard kernel forwarding. Missing features were identified, primarily VLAN support and Netfilter integration. As part of this thesis, two VLAN implementation approaches were developed: one using a patched kernel for direct information retrieval using bpf_fib_lookup, and another using eBPF maps for unpatched kernel compatibility. Performance tests demonstrate xdp-forward increases packet forwarding rates up to four times over conventional kernel paths, with results varying by hardware configuration. This thesis also discusses future work, including XDP queuing mechanisms and hardware offloading possibilities, though current NIC support remains limited.