eBPF 概述，第 1 部分：介绍

原文链接： https://www.collabora.com/news-and-blog/blog/2019/04/05/an-ebpf-overview-part-1-introduction/

作者：Adrian Ratiu
译者：狄卫华
注：本文已取得作者本人的翻译授权

1. 前言

有兴趣了解更多关于 eBPF 技术的底层细节？那么请继续移步，我们将深入研究 eBPF 的底层细节，从其虚拟机机制和工具，到在远程资源受限的嵌入式设备上运行跟踪。

注意：本系列博客文章将集中在 eBPF 技术，因此对于我们来讲，文中 BPF 和 eBPF 等同，可相互使用。BPF 名字/缩写已经没有太大的意义，因为这个项目的发展远远超出了它最初的范围。BPF 和 eBPF 在该系列中会交替使用。

第 1 部分和第 2 部分为新人或那些希望通过深入了解 eBPF 技术栈的底层技术来进一步了解 eBPF 技术的人提供了深入介绍。
第 3 部分是对用户空间工具的概述，旨在提高生产力，建立在第 1 部分和第 2 部分中介绍的底层虚拟机机制之上。
第 4 部分侧重于在资源有限的嵌入式系统上运行 eBPF 程序，在嵌入式系统中完整的工具链技术栈（BCC/LLVM/python 等）是不可行的。我们将使用占用资源较小的嵌入式工具在 32 位 ARM 上交叉编译和运行 eBPF 程序。只对该部分感兴趣的读者可选择跳过其他部分。
第 5 部分是关于用户空间追踪。到目前为止，我们的努力都集中在内核追踪上，所以是时候我们关注一下用户进程了。

如有疑问时，可使用该流程图：

2. eBPF 是什么？

eBPF 是一个基于寄存器的虚拟机，使用自定义的 64 位 RISC 指令集，能够在 Linux 内核内运行即时本地编译的 "BPF 程序"，并能访问内核功能和内存的一个子集。这是一个完整的虚拟机实现，不要与基于内核的虚拟机（KVM）相混淆，后者是一个模块，目的是使 Linux 能够作为其他虚拟机的管理程序。eBPF 也是主线内核的一部分，所以它不像其他框架那样需要任何第三方模块（LTTng 或 SystemTap），而且几乎所有的 Linux 发行版都默认启用。熟悉 DTrace 的读者可能会发现 DTrace/BPFtrace 对比非常有用。

在内核内运行一个完整的虚拟机主要是考虑便利和安全。虽然 eBPF 程序所做的操作都可以通过正常的内核模块来处理，但直接的内核编程是一件非常危险的事情 - 这可能会导致系统锁定、内存损坏和进程崩溃，从而导致安全漏洞和其他意外的效果，特别是在生产设备上（eBPF 经常被用来检查生产中的系统），所以通过一个安全的虚拟机运行本地 JIT 编译的快速内核代码对于安全监控和沙盒、网络过滤、程序跟踪、性能分析和调试都是非常有价值的。部分简单的样例可以在这篇优秀的 eBPF 参考中找到。

基于设计，eBPF 虚拟机和其程序有意地设计为不是图灵完备的：即不允许有循环（正在进行的工作是支持有界循环【译者注：已经支持有界循环，#pragma unroll 指令】），所以每个 eBPF 程序都需要保证完成而不会被挂起、所有的内存访问都是有界和类型检查的（包括寄存器，一个 MOV 指令可以改变一个寄存器的类型）、不能包含空解引用、一个程序必须最多拥有 BPF_MAXINSNS 指令（默认 4096）、"主"函数需要一个参数（context）等等。当 eBPF 程序被加载到内核中，其指令被验证模块解析为有向环状图，上述的限制使得正确性可以得到简单而快速的验证。

译者注： BPF_MAXINSNS 这个限制已经被放宽至 100 万条指令（BPF_COMPLEXITY_LIMIT_INSNS），但是非特权执行的 BPF 程序这个限制仍然会保留。

历史上，eBPF (cBPF) 虚拟机只在内核中可用，用于过滤网络数据包，与用户空间程序没有交互，因此被称为 "伯克利数据包过滤器"【译者注：早期的 BPF 实现被称为经典 cBPF】。从内核 v3.18（2014 年）开始，该虚拟机也通过 bpf() syscall 和uapi/linux/bpf.h 暴露在用户空间，这导致其指令集在当时被冻结，成为公共 ABI，尽管后来仍然可以（并且已经）添加新指令。

因为内核内的 eBPF 实现是根据 GPLv2 授权的，它不能轻易地被非 GPL 用户重新分发，所以也有一个替代的 Apache 授权的用户空间 eBPF 虚拟机实现，称为 "uBPF"。撇开法律条文不谈，基于用户空间的实现对于追踪那些需要避免内核-用户空间上下文切换成本的性能关键型应用很有用。

3. eBPF 是怎么工作的？

eBPF 程序在事件触发时由内核运行，所以可以被看作是一种函数挂钩或事件驱动的编程形式。从用户空间运行按需 eBPF 程序的价值较小，因为所有的按需用户调用已经通过正常的非 VM 内核 API 调用（"syscalls"）来处理，这里 VM 字节码带来的价值很小。事件可由 kprobes/uprobes、tracepoints、dtrace probes、socket 等产生。这允许在内核和用户进程的指令中钩住（hook）和检查任何函数的内存、拦截文件操作、检查特定的网络数据包等等。一个比较好的参考是 Linux 内核版本对应的 BPF 功能。

如前所述，事件触发了附加的 eBPF 程序的执行，后续可以将信息保存至 map 和环形缓冲区（ringbuffer）或调用一些特定 API 定义的内核函数的子集。一个 eBPF 程序可以链接到多个事件，不同的 eBPF 程序也可以访问相同的 map 以共享数据。一个被称为 "program array" 的特殊读/写 map 存储了对通过 bpf() 系统调用加载的其他 eBPF 程序的引用，在该 map 中成功的查找则会触发一个跳转，而且并不返回到原来的 eBPF 程序。这种 eBPF 嵌套也有限制，以避免无限的递归循环。

运行 eBPF 程序的步骤：

用户空间将字节码和程序类型一起发送到内核，程序类型决定了可以访问的内核区域【译者注：主要是 BPF 帮助函数的各种子集】。
内核在字节码上运行验证器，以确保程序可以安全运行（kernel/bpf/verifier.c）。
内核将字节码编译为本地代码，并将其插入（或附加到）指定的代码位置。【译者注：如果启用了 JIT 功能，字节码编译为本地代码】。
插入的代码将数据写入环形缓冲区或通用键值 map。
用户空间从共享 map 或环形缓冲区中读取结果值。

map 和环形缓冲区结构是由内核管理的（就像管道和 FIFO 一样），独立于挂载的 eBPF 或访问它们的用户程序。对 map 和环形缓冲区结构的访问是异步的，通过文件描述符和引用计数实现，可确保只要有至少一个程序还在访问，结构就能够存在。加载的 JIT 后代码通常在加载其的用户进程终止时被删除，尽管在某些情况下，它仍然可以在加载进程的生命期之后继续存在。

为了方便编写 eBPF 程序和避免进行原始的 bpf()系统调用，内核提供了方便的 libbpf 库，包含系统调用函数包装器，如 bpf_load_program 和结构定义（如 bpf_map），在 LGPL 2.1 和 BSD 2-Clause 下双重许可，可以静态链接或作为 DSO。内核代码也提供了一些使用 libbpf 简洁的例子，位于目录 samples/bpf/ 中。

4. 样例学习

内核开发者非常可怜，因为内核是一个独立的项目，因而没有用户空间诸如 Glibc、LLVM、JavaScript 和 WebAssembly 诸如此类的好东西! - 这就是为什么内核中 eBPF 例子中会包含原始字节码或通过 libbpf 加载预组装的字节码文件。我们可以在 sock_example.c 中看到这一点，这是一个简单的用户空间程序，使用 eBPF 来计算环回接口上统计接收到 TCP、UDP 和 ICMP 协议包的数量。

我们跳过微不足道的的 main 和 open_raw_sock 函数，而专注于神奇的代码 test_sock。

static int test_sock(void)
{
	int sock = -1, map_fd, prog_fd, i, key;
	long long value = 0, tcp_cnt, udp_cnt, icmp_cnt;

	map_fd = bpf_create_map(BPF_MAP_TYPE_ARRAY, sizeof(key), sizeof(value),	256, 0);
	if (map_fd < 0) {printf("failed to create map'%s'\n", strerror(errno));
		goto cleanup;
	}

	struct bpf_insn prog[] = {BPF_MOV64_REG(BPF_REG_6, BPF_REG_1),
		BPF_LD_ABS(BPF_B, ETH_HLEN + offsetof(struct iphdr, protocol) /* R0 = ip->proto */),
		BPF_STX_MEM(BPF_W, BPF_REG_10, BPF_REG_0, -4), /* *(u32 *)(fp - 4) = r0 */
		BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),
		BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -4), /* r2 = fp - 4 */
		BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_1, map_fd),
		BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),
		BPF_JMP_IMM(BPF_JEQ, BPF_REG_0, 0, 2),
		BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_1, 1), /* r1 = 1 */
		BPF_RAW_INSN(BPF_STX | BPF_XADD | BPF_DW, BPF_REG_0, BPF_REG_1, 0, 0), /* xadd r0 += r1 */
		BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_0, 0), /* r0 = 0 */
		BPF_EXIT_INSN(),};
	size_t insns_cnt = sizeof(prog) / sizeof(struct bpf_insn);

	prog_fd = bpf_load_program(BPF_PROG_TYPE_SOCKET_FILTER, prog, insns_cnt,
				   "GPL", 0, bpf_log_buf, BPF_LOG_BUF_SIZE);
	if (prog_fd < 0) {printf("failed to load prog'%s'\n", strerror(errno));
		goto cleanup;
	}

	sock = open_raw_sock("lo");

	if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_BPF, &prog_fd, sizeof(prog_fd)) < 0) {printf("setsockopt %s\n", strerror(errno));
		goto cleanup;
	}

首先，通过 libbpf API 创建一个 BPF map，该行为就像一个最大 256 个元素的固定大小的数组。按 IPROTO_* 定义的键索引网络协议（2 字节的 word），值代表各自的数据包计数（4 字节大小）。除了数组，eBPF 映射还实现了其他数据结构类型，如栈或队列。

接下来，eBPF 的字节码指令数组使用方便的内核宏进行定义。在这里，我们不会讨论字节码的细节（这将在第 2 部分描述机器后进行）。更高的层次上，字节码从数据包缓冲区中读取协议字，在 map 中查找，并增加特定的数据包计数。

然后 BPF 字节码被加载到内核中，并通过 libbpf 的 bpf_load_program 返回 fd 引用来验证正确/安全。调用指定了 eBPF 程序类型，这决定了它可以访问哪些内核子集。因为样例是一个 SOCKET_FILTER 类型，因此提供了一个指向当前网络包的参数。最后，eBPF 的字节码通过套接字层被附加到一个特定的原始套接字上，之后在原始套接字上接受到的每一个数据包运行 eBPF 字节码，无论协议如何。

剩余的工作就是让用户进程开始轮询共享 map 的数据。

	for (i = 0; i < 10; i++) {
		key = IPPROTO_TCP;
		assert(bpf_map_lookup_elem(map_fd, &key, &tcp_cnt) == 0);

		key = IPPROTO_UDP;
		assert(bpf_map_lookup_elem(map_fd, &key, &udp_cnt) == 0);

		key = IPPROTO_ICMP;
		assert(bpf_map_lookup_elem(map_fd, &key, &icmp_cnt) == 0);

		printf("TCP %lld UDP %lld ICMP %lld packets\n",
		       tcp_cnt, udp_cnt, icmp_cnt);
		sleep(1);
	}
}

5. 总结

第 1 部分介绍了 eBPF 的基础知识，我们通过如何加载字节码和与 eBPF 虚拟机通信的例子进行了讲述。由于篇幅限制，编译和运行例子作为留给读者的练习。我们也有意不去分析具体的 eBPF 字节码指令，因为这将是第 2 部分的重点。在我们研究的例子中，用户空间通过 libbpf 直接用 C 语言从内核虚拟机中读取 eBPF map 值（使用 10 次 1 秒的睡眠！），这很笨重，而且容易出错，而且很快就会变得很复杂，所以在第 3 部分，我们将研究更高级别的工具，通过脚本或特定领域的语言自动与虚拟机交互。