eBPF学习记录（一）eBPF介绍

一、什么是eBPF

eBPF，从它的全称“扩展的伯克利数据包过滤器 (Extended Berkeley Packet Filter)” 来看，它是一种数据包过滤技术，是从 BPF (Berkeley Packet Filter) 技术扩展而来的。BPF 提供了一种在内核事件和用户程序事件发生时安全注入代码的机制，这就让非内核开发人员也可以对内核进行控制。随着内核的发展，BPF 逐步从最初的数据包过滤扩展到了网络、内核、安全、跟踪等，而且它的功能特性还在快速发展中，这种扩展后的 BPF 被简称为 eBPF。实际上，现代内核所运行的都是 eBPF，如果没有特殊说明，内核和开源社区中提到的 BPF 等同于 eBPF。
在 eBPF 之前，内核模块是注入内核的最主要机制。由于缺乏对内核模块的安全控制，内核的基本功能很容易被一个有缺陷的内核模块破坏。而 eBPF 则借助即时编译器（JIT），在内核中运行了一个虚拟机，保证只有被验证安全的 eBPF 指令才会被内核执行。同时，因为 eBPF 指令依然运行在内核中，无需向用户态复制数据，这就大大提高了事件处理的效率。正是由于这些突出的特性，eBPF 现如今已经在故障诊断、网络优化、安全控制、性能监控等领域获得大量应用。

二、eBPF 的发展历程

其实eBPF 是从 BPF (Berkeley Packet Filter) 技术扩展而来的，它的历史十分悠长。
1992 年：BPF 全称 Berkeley Packet Filter，诞生初衷提供一种内核中自定义报文过滤的手段（类汇编），提升抓包效率。（tcpdump）
1997 年：Linux 2.1.75 首次引入BPF技术，将高性能的BSD包过滤机制BPF带入Linux。
2011 年：Linux kernel 3.2 版本对 BPF 进行重大改进，引入 BPF JIT（即时编译器），使其性能得到大幅提升。
2014 年：Linux kernel 3.15 版本，BPF 扩展成 eBPF，其功能范畴扩展至：内核跟踪、性能调优、协议栈 QoS 等方面。与之配套改进包括：扩展 BPF ISA 指令集、提供高级语言（C）编程手段、提供 MAP 机制、提供 Help 机制、引入 Verifier 机制等。
2015 年：BCC（BPF Complier Collection）提供了一系列基于eBPF的工具和库函数，大大简化了eBPF程序的开发和运行。同年的Linux 4.1也开始支持kprobe和cls_bpf（用于tc）。
2016 年：linux kernel 4.8 版本，eBPF 支持 XDP，进一步拓展该技术在网络领域的应用。随后 Netronome 公司提出 eBPF 硬件卸载方案。同时也带来了跟踪点、perf事件和cgroups的支持，丰富了eBPF的事件源。
2017 年：BPF成为内核独立的子模块，并支持了KLTS、bpftool、libbpf等。Netfix、Fackbook、Coundfare等公司开始将eBPF用于跟踪、DDOS防御、4层负载均衡。
2018 年：linux kernel 4.18 版本，引入 BTF，将内核中 BPF 对象（Prog/Map）由字节码转换成统一结构对象，这有利于 eBPF 对象与 Kernel 版本的配套管理，为 eBPF 的发展奠定基础。同时，bpftrace和bpffiler项目也正式发布。
2018 年：从 kernel 4.20 版本开始，eBPF 成为内核最活跃的项目之一，新增特性包括：sysctrl hook、flow dissector、struct_ops、lsm hook、ring buffer 等。场景范围覆盖容器、安全、网络、跟踪等。
2019 年：BPF新增了尾调用和热更新的支持，GCC也开始支持BPF编译。Cilum 1.6发布基于BPF的服务发现代理（完全替换基于iptables的kubeproxy）。
2020 年：Google和Facebook为BPF新增LSM和TCP拥塞控制的支持，主流云厂商开始通过SRIOV支持XDP；微软基于eBPF开始为window监控工具Sysmon增加Linux支持。
2021 年：BPF开始支持内核函数调用，eBPF生态非常活跃；微软发布Window eBPF，并与Facebook、Google、Lsovalent、Netfilx等一起成立eBPF基金会；Cilium发布基于eBPF的Server Mesh（取代代理）。

三、eBPF 是怎么工作的

eBPF 程序并不像常规的线程那样，启动后就一直运行在那里，它需要事件触发后才会执行。这些事件包括系统调用、内核跟踪点、内核函数和用户态函数的调用退出、网络事件，等等。借助于强大的内核态插桩（kprobe）和用户态插桩（uprobe），eBPF 程序几乎可以在内核和应用的任意位置进行插桩。
看到这个令人惊叹的能力，你一定有疑问：这会不会像内核模块一样，一个异常的 eBPF 程序就会损坏整个内核的稳定性呢？其实，确保安全和稳定一直都是 eBPF 的首要任务，不安全的 eBPF 程序根本就不会提交到内核虚拟机中执行。
如下图所示，通常我们借助 LLVM 把编写的 eBPF 程序转换为 BPF 字节码，然后再通过 bpf 系统调用提交给内核执行。内核在接受 BPF 字节码之前，会首先通过验证器对字节码进行校验，只有校验通过的 BPF 字节码才会提交到即时编译器执行。

如果 BPF 字节码中包含了不安全的操作，验证器会直接拒绝 BPF 程序的执行。比如，下面就是一些典型的验证过程：

只有特权进程才可以执行 bpf 系统调用；
BPF 程序不能包含无限循环；
BPF 程序不能导致内核崩溃；
BPF程序必须在有限时间内完成。
eBPF 程序以内核事件触发的方式运行，并且其运行过程包括编译、加载、验证和内核态执行等。为了保护内核的安全和稳定，如果编译后 BPF 字节码中包含了不安全的操作，验证阶段会直接拒绝 BPF 程序的执行。

四、eBPF的使用环境搭建

虽然 Linux 内核很早就已经支持了 eBPF，但很多新特性都是在 4.x 版本中逐步增加的。所以，想要稳定运行 eBPF 程序，内核至少需要 4.9 或者更新的版本，但是这里推荐使用5以上版本的linux内核。
然后就是安装开发工具：

sudo apt-get install -y  make clang llvm libelf-dev libbpf-dev bpfcc-tools libbpfcc-dev linux-tools-$(uname -r) linux-headers-$(uname -r)

linux-tools-$(uname -r)-generic  linux-cloud-tools-$(uname -r)-generic

编译内核BTF失败：

sudo apt install dwarves

五、eBPF程序开发流程

我们先来看一下eBPF程序的开发和执行过程。一般来说，这个过程分为以下 5 步：

使用 C 语言开发一个 eBPF 程序；
借助 LLVM 把 eBPF 程序编译成 BPF 字节码；
通过 bpf 系统调用，把 BPF 字节码提交给内核；
内核验证并运行 BPF 字节码，并把相应的状态保存到 BPF 映射中；
用户程序通过 BPF 映射查询 BPF 字节码的运行状态。

六、eBPF程序开发方式

我们需要全方位掌握 eBPF 程序的开发过程，就要学会三种一般eBPF 程序的开发方式：bpftrace、BCC 和 libbpf 这三种方式。这三种方式各有优缺点，在实际的生产环境中都有大量的应用：

bpftrace 通常用在快速排查和定位系统上，它支持用单行脚本的方式来快速开发并执行一个 eBPF 程序。不过，bpftrace
的功能有限，不支持特别复杂的 eBPF 程序，也依赖于 BCC 和 LLVM 动态编译执行。
BCC 通常用在开发复杂的 eBPF 程序中，其内置的各种小工具也是目前应用最为广泛的 eBPF 小程序。不过，BCC
也不是完美的，它依赖于 LLVM 和内核头文件才可以动态编译和加载 eBPF 程序。
libbpf 是从内核中抽离出来的标准库，用它开发的 eBPF 程序可以直接分发执行，这样就不需要每台机器都安装 LLVM
和内核头文件了。不过，它要求内核开启 BTF 特性，需要非常新的发行版才会默认开启。

在实际应用中，你可以根据你的内核版本、内核配置、eBPF 程序复杂度，以及是否允许安装内核头文件和 LLVM 等编译工具等，来选择最合适的方案。