【C/C++】从 DPDK 收包到用户态 TCP/IP 协议栈：一个 ustack 示例拆解

SilentSlot2026-06-30 12:46

【C/C++】从 DPDK 收包到用户态 TCP/IP 协议栈：一个 ustack 示例拆解

1. 先把边界说清楚：DPDK 不是协议栈

Linux 内核网络路径大致是：

text 复制代码 
电信号 -> 网卡 -> 网卡驱动 -> TCP/IP 协议栈 -> POSIX API -> APP

DPDK 做的事情，是让应用绕过内核协议栈，直接从网卡收发包。它更像"高速收包/发包工具箱"，不是完整 TCP/IP 协议栈。真正的以太网、ARP、IP、UDP、TCP 解析和 socket 语义，仍然要由用户态程序自己实现。

这个 ustack 示例的分层可以理解成：

text 复制代码 
网卡队列 -> DPDK PMD -> rte_mbuf -> ring -> 协议解析 -> UDP/TCP/KNI -> 应用 API

2. DPDK 初始化：EAL、mempool、网卡队列

用户态协议栈启动时，第一步不是 socket()，而是初始化 DPDK 的运行环境和 mbuf 内存池。

代码片段来自 ustack-main/tcp.c：

c 复制代码 
if (rte_eal_init(argc, argv) < 0) {
    rte_exit(EXIT_FAILURE, "Error with EAL init\n");
}

struct rte_mempool *mbuf_pool = rte_pktmbuf_pool_create("mbuf pool", NUM_MBUFS,
    0, 0, RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE, rte_socket_id());
if (mbuf_pool == NULL) {
    rte_exit(EXIT_FAILURE, "Could not create mbuf pool\n");
}

这里的 rte_mbuf 可以类比内核协议栈里的 sk_buff：它不是单纯的数据指针，而是"报文数据 + 元信息"的载体。DPDK 收到包后，应用拿到的不是裸字节数组，而是一个个 struct rte_mbuf *。

网卡端口初始化的核心逻辑如下：

c 复制代码 
static void ng_init_port(struct rte_mempool *mbuf_pool) {
    uint16_t nb_sys_ports = rte_eth_dev_count_avail();
    if (nb_sys_ports == 0) {
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "No Supported eth found\n");
    }

    const int num_rx_queues = 1;
    const int num_tx_queues = 1;
    struct rte_eth_conf port_conf = port_conf_default;
    rte_eth_dev_configure(gDpdkPortId, num_rx_queues, num_tx_queues, &port_conf);

    rte_eth_rx_queue_setup(gDpdkPortId, 0, 1024,
        rte_eth_dev_socket_id(gDpdkPortId), NULL, mbuf_pool);

    rte_eth_tx_queue_setup(gDpdkPortId, 0, 1024,
        rte_eth_dev_socket_id(gDpdkPortId), &txq_conf);

    rte_eth_dev_start(gDpdkPortId);
}

这段代码做了三件关键事：

  1. 检查当前系统是否有 DPDK 可用网卡。
  2. 配置 1 个 RX 队列和 1 个 TX 队列。
  3. 把 RX 队列挂到前面创建的 mbuf_pool 上。

如果要把性能扩展到多核，后面通常会改成多 RX/TX 队列，让不同 lcore 轮询不同队列。这也是为什么虚拟机环境里经常建议使用 vmxnet3 这类更适合多队列的虚拟网卡。

3. 主循环：网卡收包进 in ring，out ring 再发回网卡

示例代码没有把所有逻辑都堆在主循环里，而是用两个 ring 做解耦：

  • ring->in：主循环从网卡收到包后塞进去。
  • ring->out：协议栈或应用构造好回包后塞进去。
  • pkt_process：另一个 lcore 从 in ring 拿包，做协议分发。

主循环代码节选：

c 复制代码 
while (1) {
    struct rte_mbuf *rx[BURST_SIZE];
    unsigned num_recvd = rte_eth_rx_burst(gDpdkPortId, 0, rx, BURST_SIZE);

    if (num_recvd > 0) {
        rte_ring_sp_enqueue_burst(ring->in, (void **)rx, num_recvd, NULL);
    }

    struct rte_mbuf *tx[BURST_SIZE];
    unsigned nb_tx = rte_ring_sc_dequeue_burst(ring->out, (void **)tx, BURST_SIZE, NULL);
    if (nb_tx > 0) {
        rte_eth_tx_burst(gDpdkPortId, 0, tx, nb_tx);

        for (unsigned i = 0; i < nb_tx; i++) {
            rte_pktmbuf_free(tx[i]);
        }
    }
}

这个结构很适合教学：主循环只管高速搬运，协议处理线程只管理解报文。后续要做 DDOS 检测、ACL、防火墙、用户态 TCP，都可以挂在中间的协议处理层。

4. 协议分发：Ethernet -> IPv4 -> UDP/TCP/KNI

pkt_process() 是用户态协议栈真正开始"像协议栈一样工作"的地方。

代码节选：

c 复制代码 
static int pkt_process(void *arg) {
    struct rte_mempool *mbuf_pool = (struct rte_mempool *)arg;
    struct inout_ring *ring = ringInstance();

    while (1) {
        struct rte_mbuf *mbufs[BURST_SIZE];
        unsigned num_recvd = rte_ring_mc_dequeue_burst(
            ring->in, (void **)mbufs, BURST_SIZE, NULL);

        for (unsigned i = 0; i < num_recvd; i++) {
            struct rte_ether_hdr *ehdr =
                rte_pktmbuf_mtod(mbufs[i], struct rte_ether_hdr *);

            if (ehdr->ether_type == rte_cpu_to_be_16(RTE_ETHER_TYPE_IPV4)) {
                struct rte_ipv4_hdr *iphdr = rte_pktmbuf_mtod_offset(
                    mbufs[i], struct rte_ipv4_hdr *, sizeof(struct rte_ether_hdr));

                ng_arp_entry_insert(iphdr->src_addr, ehdr->s_addr.addr_bytes);

                if (iphdr->next_proto_id == IPPROTO_UDP) {
                    udp_process(mbufs[i]);
                } else if (iphdr->next_proto_id == IPPROTO_TCP) {
                    ng_tcp_process(mbufs[i]);
                } else {
                    rte_kni_tx_burst(global_kni, mbufs, num_recvd);
                }
            }
        }

        udp_out(mbuf_pool);
        ng_tcp_out(mbuf_pool);
    }
}

这段逻辑很直观：

  1. 先看二层 ether_type，只处理 IPv4。
  2. 取出三层 rte_ipv4_hdr。
  3. 顺手把源 IP 和源 MAC 写入 ARP 表。
  4. 根据 next_proto_id 分发到 UDP 或 TCP。
  5. 不认识的包交给 KNI，让内核继续处理。

KNI 这一层在教学里很有价值：不是所有协议都必须用户态自己写。你可以先实现 UDP/TCP 主路径，不关心的报文交回内核，降低调试难度。

5. UDP 入应用缓冲：从报文变成 recv 能读的数据

UDP 的接收路径体现了"协议栈"和"应用 API"之间的分界。

代码节选：

c 复制代码 
static int udp_process(struct rte_mbuf *udpmbuf) {
    struct rte_ipv4_hdr *iphdr = rte_pktmbuf_mtod_offset(
        udpmbuf, struct rte_ipv4_hdr *, sizeof(struct rte_ether_hdr));
    struct rte_udp_hdr *udphdr = (struct rte_udp_hdr *)(iphdr + 1);

    struct localhost *host = get_hostinfo_fromip_port(
        iphdr->dst_addr, udphdr->dst_port, iphdr->next_proto_id);
    if (host == NULL) {
        rte_pktmbuf_free(udpmbuf);
        return -3;
    }

    struct offload *ol = rte_malloc("offload", sizeof(struct offload), 0);
    ol->dip = iphdr->dst_addr;
    ol->sip = iphdr->src_addr;
    ol->sport = udphdr->src_port;
    ol->dport = udphdr->dst_port;
    ol->protocol = IPPROTO_UDP;
    ol->length = ntohs(udphdr->dgram_len);

    ol->data = rte_malloc("unsigned char*",
        ol->length - sizeof(struct rte_udp_hdr), 0);
    rte_memcpy(ol->data, (unsigned char *)(udphdr + 1),
        ol->length - sizeof(struct rte_udp_hdr));

    rte_ring_mp_enqueue(host->rcvbuf, ol);

    pthread_mutex_lock(&host->mutex);
    pthread_cond_signal(&host->cond);
    pthread_mutex_unlock(&host->mutex);

    rte_pktmbuf_free(udpmbuf);
    return 0;
}

这里发生了一次语义转换：

text 复制代码 
rte_mbuf 中的完整以太网帧
    -> 提取 IPv4/UDP 头
    -> 找到绑定了目标 IP/端口的 localhost
    -> 拷贝 payload 到 offload
    -> 放入 host->rcvbuf
    -> 唤醒正在 nrecvfrom 等待的应用线程

这就是用户态协议栈实现 recvfrom() 的基础。应用看到的是"某个 socket 收到了数据"，协议栈内部看到的是"某个 UDP 报文被解析并投递到对应接收队列"。

6. TCP 更复杂：它不只是多了一个头

UDP 只要找到端口，把 payload 投递到接收队列即可。TCP 不一样，TCP 要维护连接状态：

  • LISTEN
  • SYN_RCVD
  • ESTABLISHED
  • CLOSE_WAIT
  • LAST_ACK

示例代码里用 struct ng_tcp_stream 作为 TCB：

c 复制代码 
struct ng_tcp_stream {
    int fd;

    uint32_t dip;
    uint16_t dport;
    uint16_t sport;
    uint32_t sip;

    uint32_t snd_nxt;
    uint32_t rcv_nxt;

    NG_TCP_STATUS status;

    struct rte_ring *sndbuf;
    struct rte_ring *rcvbuf;

    pthread_cond_t cond;
    pthread_mutex_t mutex;
};

这里最重要的不是字段多少，而是含义：

  • sip/dip/sport/dport 确定一条连接。
  • snd_nxt/rcv_nxt 维护序列号和确认号。
  • status 决定当前收到 SYN、ACK、PSH、FIN 时该怎么处理。
  • sndbuf/rcvbuf 把协议栈线程和应用线程隔离开。

所以实现 TCP 的难点不在"能不能读出 TCP header"，而在状态机、重传、窗口、乱序、拥塞控制等一整套行为。这个示例先实现了教学主干，适合用来理解 TCP 协议栈的骨架。

7. VMware + DPDK 环境几个实战注意点

结合目录里的笔记，实验环境最容易卡在这些地方：

bash 复制代码 
# 查看网卡和队列/中断线索
ip -br link
cat /proc/interrupts | grep ens

# DPDK 19.08.2 常见环境变量
export RTE_SDK=/root/dpdk-stable-19.08.2/
export RTE_TARGET=x86_64-native-linux-gcc

# 编译老版本 DPDK 时，新的 GCC 可能需要
make EXTRA_CFLAGS="-fcommon" -j$(nproc)

虚拟机网络模式建议：

  • 桥接：虚拟机和物理网络同网段，但桥接 WLAN 时二层帧不一定稳定。
  • NAT：适合上网，不一定适合从主机直接构造二层包打进 DPDK。
  • Host-only：主机和 VM 在同一个干净的虚拟二层网络里，配静态 ARP 后更适合先跑通实验。

Windows 主机添加静态 ARP 的例子：

powershell 复制代码 
netsh interface ipv4 add neighbors 10 192.168.0.7 00-0C-29-5A-7A-0F

如果使用 VFIO，而 VMware 没暴露 IOMMU，可以临时打开 no-IOMMU 模式做实验：

bash 复制代码 
sudo modprobe vfio
echo 1 | sudo tee /sys/module/vfio/parameters/enable_unsafe_noiommu_mode
sudo modprobe vfio-pci

这只建议在实验环境里使用。生产环境绕过 IOMMU 的安全隔离是不合适的。

8. 总结

这个 ustack 示例最值得看的地方，是它把用户态协议栈拆成了几层很清楚的结构：

text 复制代码 
DPDK 收发包
  -> rte_mbuf 承载报文
  -> ring buffer 解耦线程
  -> Ethernet/IP/ARP/UDP/TCP 解析
  -> rcvbuf/sndbuf 承接应用 API
  -> KNI 兜底交回内核

写用户态协议栈时，DPDK 解决的是高速 I/O，真正决定系统行为的是协议栈本身：ARP 表怎么维护，UDP 怎么投递，TCP 状态机怎么推进，应用线程怎么被唤醒。把这些边界分清楚，后面再看 mTCP、F-Stack、VPP、lwIP，就不会只停留在"绕过内核很快"这一句口号上。

学习链接: https://github.com/0voice

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