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本文列舉四個比較經典的 Linux 收包引擎，如果還有其他你覺得ok的可以留言。這四個分別是：

libpcap/libpcap-mmap
PF_RING
DPDK
xdp

libpcap

libpcap的包捕獲機制是在數據鏈路層增加一個旁路處理，不干擾系統自身的網路協議棧的處理，對發送和接收的數據包通過Linux內核做過濾和緩沖處理，最后直接傳遞給上層應用程序。

數據包到達網卡設備。
網卡設備依據配置進行DMA操作。（?「第1次拷貝」?：網卡寄存器->內核為網卡分配的緩沖區ring buffer）
網卡發送中斷，喚醒處理器。
驅動軟件從ring buffer中讀取，填充內核skbuff結構（?「第2次拷貝」?：內核網卡緩沖區ring buffer->內核專用數據結構skbuff）
接著調用netif_receive_skb函數：
5.1 如果有抓包程序，由網絡分接口進入BPF過濾器，將規則匹配的報文拷貝到系統內核緩存 （?「第3次拷貝」?）。BPF為每一個要求服務的抓包程序關聯一個filter和兩個buffer。BPF分配buffer 且通常情況下它的額度是4KB the store buffer 被使用來接收來自適配器的數據；the hold buffer被使用來拷貝包到應用程序。
5.2 處理數據鏈路層的橋接功能；
5.3 根據skb->protocol字段確定上層協議并提交給網絡層處理，進入網絡協議棧，進行高層處理。
libpcap繞過了Linux內核收包流程中協議棧部分的處理，使得用戶空間API可以直接調用套接字PF_PACKET從鏈路層驅動程序中獲得數據報文的拷貝，將其從內核緩沖區拷貝至用戶空間緩沖區（?「第4次拷貝」?）

libpcap-mmap

libpcap-mmap是對舊的libpcap實現的改進，新版本的libpcap基本都采用packet_mmap機制。PACKET_MMAP通過mmap，減少一次內存拷貝（?「第4次拷貝沒有了」?），減少了頻繁的系統調用，大大提高了報文捕獲的效率。

PF_RING

我們看到之前libpcap有4次內存拷貝。libpcap_mmap有3次內存拷貝。PF_RING提出的核心解決方案便是減少報文在傳輸過程中的拷貝次數。

我們可以看到，相對與libpcap_mmap來說，pfring允許用戶空間內存直接和rx_buffer做mmap。這又減少了一次拷貝 （?「libpcap_mmap的第2次拷貝」：rx_buffer->skb）

PF-RING ZC實現了DNA（Direct NIC Access 直接網卡訪問）技術，將用戶內存空間映射到驅動的內存空間，使用戶的應用可以直接訪問網卡的寄存器和數據。

通過這樣的方式，避免了在內核對數據包緩存，減少了一次拷貝（?「libpcap的第1次拷貝」?，DMA到內核緩沖區的拷貝）。這就是完全的零拷貝。

其缺點是，只有一個 應用可以在某個時間打開DMA ring（請注意，現在的網卡可以具有多個RX / TX隊列，從而就可以在每個隊列上同時一個應用程序），換而言之，用戶態的多個應用需要彼此溝通才能分發數據包。

DPDK

pf-ring zc和dpdk均可以實現數據包的零拷貝，兩者均旁路了內核，但是實現原理略有不同。pf-ring zc通過zc驅動（也在應用層）接管數據包，dpdk基于UIO實現。

1 UIO+mmap 實現零拷貝（zero copy）

UIO（Userspace I/O）是運行在用戶空間的I/O技術。Linux系統中一般的驅動設備都是運行在內核空間，而在用戶空間用應用程序調用即可，而UIO則是將驅動的很少一部分運行在內核空間，而在用戶空間實現驅動的絕大多數功能。采用Linux提供UIO機制，可以旁路Kernel，將所有報文處理的工作在用戶空間完成。

2 UIO+PMD 減少中斷和CPU上下文切換

DPDK的UIO驅動屏蔽了硬件發出中斷，然后在用戶態采用主動輪詢的方式，這種模式被稱為PMD（Poll Mode Driver）。

與DPDK相比，pf-ring（no zc）使用的是NAPI polling和應用層polling，而pf-ring zc與DPDK類似，僅使用應用層polling。

3 HugePages 減少TLB miss

在操作系統引入MMU（Memory Management Unit）后，CPU讀取內存的數據需要兩次訪問內存。第一次要查詢頁表將邏輯地址轉換為物理地址，然后訪問該物理地址讀取數據或指令。

為了減少頁數過多，頁表過大而導致的查詢時間過長的問題，便引入了TLB(Translation Lookaside Buffer)，可翻譯為地址轉換緩沖器。TLB是一個內存管理單元，一般存儲在寄存器中，里面存儲了當前最可能被訪問到的一小部分頁表項。

引入TLB后，CPU會首先去TLB中尋址，由于TLB存放在寄存器中，且其只包含一小部分頁表項，因此查詢速度非常快。若TLB中尋址成功（TLB hit），則無需再去RAM中查詢頁表；若TLB中尋址失敗（TLB miss），則需要去RAM中查詢頁表，查詢到后，會將該頁更新至TLB中。

而DPDK采用HugePages ，在x86-64下支持2MB、1GB的頁大小，大大降低了總頁個數和頁表的大小，從而大大降低TLB miss的幾率，提升CPU尋址性能。

4 其它優化

SNA（Shared-nothing Architecture），軟件架構去中心化，盡量避免全局共享，帶來全局競爭，失去橫向擴展的能力。NUMA體系下不跨Node遠程使用內存。
SIMD（Single Instruction Multiple Data），從最早的mmx/sse到最新的avx2，SIMD的能力一直在增強。DPDK采用批量同時處理多個包，再用向量編程，一個周期內對所有包進行處理。比如，memcpy就使用SIMD來提高速度。
cpu affinity：即 CPU 親和性

XDP

xdp代表eXpress數據路徑，使用ebpf 做包過濾，相對于dpdk將數據包直接送到用戶態，用用戶態當做快速數據處理平面，xdp是在驅動層創建了一個數據快速平面。在數據被網卡硬件dma到內存，分配skb之前，對數據包進行處理。

請注意，XDP并沒有對數據包做Kernel bypass，它只是提前做了一點預檢而已。

相對于DPDK，XDP具有以下優點：

無需第三方代碼庫和許可
同時支持輪詢式和中斷式網絡
無需分配大頁
無需專用的CPU
無需定義新的安全網絡模型

XDP的使用場景包括：

DDoS防御
防火墻
基于XDP_TX的負載均衡
網絡統計
復雜網絡采樣
高速交易平臺

OK，以上就是今天的分享，如果你覺得還有其他的收包引擎，可以留言分享。

以上就是Linux經典的幾款收包引擎的詳細內容，更多請關注www.92cms.cn其它相關文章！