智汇华云 | eBPF介绍与使用

　　Linux在日常的使用中已经无处不在了，从人们的手机，到电视机，再到路由器，都运行在linux内核之上，而eBPF就是Linux内核的一把瑞士军刀，通过eBPF可以在linux内核中运行程序，运维人员可以使用它对linux内核进行监控，开发者可以使用它对linux内核功能进行定制修改，做到很多以前无法实现的功能。

　　官方的说法: eBPF is a revolutionary technology with origins in the Linux kernel that can run sandboxed programs in an operating system kernel.

　　个人认为，简单的说，eBPF可以理解为一个框架，通过这个框架，我们可以在内核中执行自己编写的程序代码。

　　eBPF基本概念

　　eBPF的前身是BPF(extended Berkeley Packet Filter)，BPF是内核中用来做高效过滤网络报文的，tcpdump里面就是用的BPF技术过滤报文。2014年内核3.18中eBPF第一次出现，此时的eBPF已经成为内核的顶级子系统，演进为一个通用执行引擎，允许用户在内核中运行自己的程序。

　　挂载点(Hook)eBPF程序基于事件触发，当内核代码走到对应的挂载点就会执行挂载在此处的eBPF程序。常见的挂载点有：系统调用，内核函数进入/退出，内核跟踪点，网络数据包等等。

　　映射(Maps)eBPF程序中用来存储数据，共享数据的结构体就是Maps，内核内置了多种类型的Maps给开发者使用，常见的有哈希表，数组，LRU，Ring buffer等等。

　　帮助函数(Helper Calls)内核为了保证安全，运行在内核中的eBPF程序只能调用当前内核版本预定义好的函数，不能随意调用其他内核函数，函数名称都是以bpf_开头命名。例如u32 bpf_get_smp_processor_id(void)，可以获取当前eBPF程序运行在哪个cpu上。

　　加载与验证(Loader & Verification)编写好的eBPF程序需要先通过编译，生成字节码，之后通过调用bpf系统调用将字节码加载到内核，此时内核会运行自己的验证器来检验eBPF程序，确保程序是安全的，有限循环的，不会把linux系统搞坏。

　　eBPF特点

　　强大的内核可编程性。随着内核版本的升级，内核中可以运行eBPF程序的地方越来越多，eBPF可以做的事情也越来越多。不同内核功能加入eBPF版本列表：

　　XDP(快速数据路径)Kernel 4.8

　　LIRC(红外)Kernel 4.18

　　限制100万条指令Kernel 5.2

　　Socket lookup(控制数据包入socket)Kernel 5.9

　　开发方便开发者不需要自己定义数据结构，直接使用现成的Maps进行存储共享数据，只需要关注具体的业务实现代码。由于eBPF程序先编译成字节码，之后内核自己校验通过之后再生成可用的内核代码，所以可以一次编译处处运行，不需要像内核模块一样，每次更新内核之后都要重新编译。

　　可以在x86上编译mips架构上运行的eBPF字节码。免去交叉编译的痛苦。

　　安全数据操作都是通过Maps，操作Maps的函数也是预先定义好的，不存在访问空指针。

　　eBPF使用

　　介绍了这么多eBPF的概念，接下来实际操作一下，看看eBPF程序如何编译和使用，这里采用原汁原味的linux源代码编译演示。

　　使用最新的archlinux系统，其他系统也差不多，稍微按照实际情况改一下。

　　# asp checkout linux# 准备linux内核源码

　　# makepkg -o -d –skippgpcheck# 下载linux源代码

　　# make mrproper

　　# zcat /proc/config.gz >.config

　　# make headers_install

　　# make modules_prepare

　　# make VMLINUX_BTF=/sys/kernel/btf/vmlinux M=samples/bpf

　　# asp checkout linux# 准备linux内核源码

　　# makepkg -o -d –skippgpcheck# 下载linux源代码

　　# make mrproper

　　# zcat /proc/config.gz >.config

　　# make headers_install

　　# make modules_prepare

　　# make VMLINUX_BTF=/sys/kernel/btf/vmlinux M=samples/bpf

　　这里把内核自带的bpf示例程序都编译出来了，在目录samples/bpf下面。

　　这里我们具体看一个sampleip的eBPF程序，看看eBPF程序是如何编写的

　　直接上代码：

　　首先17到23行定义了一个maps，叫ip_map，类型是哈希，键是u64，值是u32，最大长度8192。

　　之后定义了一个do_sample函数，函数参数类型是bpf_perf_event_data，里面有当前内核IP指令指针寄存器的内容。通过调用bpf_map_lookup_elem函数来更新ip_map。

　　运行内核编译好的sampleip程序，默认是采样5秒，每秒采样99次，程序结束后会把ip_map采集到的信息打印出来。

　　从这个实例中可以看出，开发的eBPF程序比传统的内核开发方便了很多，数据结构不用操心，可以调用的函数也不用操心，都是预先定义好的，只需要实现自己的业务逻辑即可。

　　eBPF使用场景

　　linux性能分析，性能调优上面的sampleip就是简单的内核性能分析，可以看出当前内核经常调用的函数。eBPF对于内核开销很小，可以在生产环境排查问题的时候进行精确定位，同时由于eBPF的安全性，不用担心会把内核搞挂。有兴趣的可以去看一下bcc，里面对于内核每个子系统都有对应的eBPF监控程序，非常方便。

　　linux网络加速eBPF在这个领域中也是牛的很，底层有XDP快速数据路径，可以直接在网卡收到数据包的同时进行处理，避免内核分配skb开销，可以用来实现DDos，负载均衡，性能媲美DPDK。再往上一点内核的tc也可以hook eBPF程序实现自定义流量分类，再向上的socket层还可以调用eBPF实现动态修改socket选项，甚至tcp的拥塞算法内核也提供了eBPF挂载的地方，可以自己实现一套新的拥塞算法。

　　安全管理systemd中使用eBPF控制服务可以监听的端口，libvirtd也使用eBPF进行设备的访问控制，社区还有eBPF控制进程允许访问的文件，允许读写哪些/sys文件。

　　eBPF的出现让Linux内核开发变得简单，降低了内核开发门槛，为普通人了解深入linux内核提供了途径，真的是一个革命性的发明，有linux的地方就有ebpf ^^。