eBPF 入门开发实践指南一：介绍 eBPF 的基本概念、常见的开发工具

eBPF 入门开发实践指南一：介绍 eBPF 的基本概念、常见的开发工具
- 1. 为什么会有 eBPF 技术？
  - 1.1. 起源
  - 1.2. 执行逻辑
  - 1.3. 架构
    - 1.3.1. 寄存器设计
    - 1.3.2. 指令编码格式
  - 1.4. 本节参考文章
- 2. 如何使用eBPF编程
- 编写 eBPF 程序
  - 2.1. BCC
  - 2.2. libbpf-bootstrap
  - 2.3 eunomia-bpf
- 参考资料

1. 为什么会有 eBPF 技术？

Linux内核一直是实现监控/可观测性、网络和安全功能的理想地方，但是直接在内核中进行监控并不是一个容易的事情。在传统的Linux软件开发中，实现这些功能往往都离不开修改内核源码或加载内核模块。修改内核源码是一件非常危险的行为，稍有不慎可能便会导致系统崩溃，并且每次检验修改的代码都需要重新编译内核，耗时耗力。

加载内核模块虽然来说更为灵活，不需要重新编译源码，但是也可能导致内核崩溃，且随着内核版本的变化，模块也需要进行相应的修改，否则将无法使用。

在这一背景下，eBPF技术应运而生。它是一项革命性技术，能在内核中运行沙箱程序（sandbox programs），而无需修改内核源码或者加载内核模块。用户可以使用其提供的各种接口，实现在内核中追踪、监测系统的作用。

1.1. 起源

eBPF的雏形是BPF(Berkeley Packet Filter, 伯克利包过滤器)。BPF于 1992年被Steven McCanne和Van Jacobson在其论文提出。二人提出BPF的初衷是是提供一种新的数据包过滤方法，该方法的模型如下图所示。 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-XIZDUQCR-1674473742716)(…/imgs/original_bpf.png)]

相较于其他过滤方法，BPF有两大创新点，首先是它使用了一个新的虚拟机，可以有效地工作在基于寄存器结构的CPU之上。其次是其不会全盘复制数据包的所有信息，只会复制相关数据，可以有效地提高效率。这两大创新使得BPF在实际应用中得到了巨大的成功，在被移植到Linux系统后，其被上层的libcap 和tcpdump等应用使用，是一个性能卓越的工具。

传统的BPF是32位架构，其指令集编码格式为：

16 bit: 操作指令
8 bit: 下一条指令跳向正确目标的偏移量
8 bit: 下一条指令跳往错误目标的偏移量

经过十余年的沉积后，2013年，Alexei Starovoitov对BPF进行了彻底地改造，改造后的BPF被命名为eBPF(extended BPF)，于Linux Kernel 3.15中引入Linux内核源码。 eBPF相较于BPF有了革命性的变化。首先在于eBPF支持了更多领域的应用，它不仅支持网络包的过滤，还可以通过 kprobe，tracepoint,lsm等Linux现有的工具对响应事件进行追踪。另一方面，其在使用上也更为灵活，更为方便。同时，其JIT编译器也得到了升级，解释器也被替换，这直接使得其具有达到平台原生的执行性能的能力。

1.2. 执行逻辑

eBPF在执行逻辑上和BPF有相似之处，eBPF也可以认为是一个基于寄存器的，使用自定义的64位RISC指令集的微型"虚拟机"。它可以在Linux内核中，以一种安全可控的方式运行本机编译的eBPF程序并且访问内核函数和内存的子集。

在写好程序后，我们将代码使用llvm编译得到使用BPF指令集的ELF文件，解析出需要注入的部分后调用函数将其注入内核。用户态的程序和注入内核态中的字节码公用一个位于内核的eBPF Map进行通信，实现数据的传递。同时，为了防止我们写入的程序本身不会对内核产生较大影响，编译好的字节码在注入内核之前会被eBPF校验器严格地检查。

eBPF程序是由事件驱动的，我们在程序中需要提前确定程序的执行点。编译好的程序被注入内核后，如果提前确定的执行点被调用，那么注入的程序就会被触发，按照既定方式处理。

1.3. 架构

1.3.1. 寄存器设计

eBPF有11个寄存器，分别是R0~R10，每个寄存器均是64位大小，有相应的32位子寄存器，其指令集是固定的64位宽。

1.3.2. 指令编码格式

eBPF指令编码格式为：

8 bit: 存放真实指令码
4 bit: 存放指令用到的目标寄存器号
4 bit: 存放指令用到的源寄存器号
16 bit: 存放偏移量，具体作用取决于指令类型
32 bit: 存放立即数

1.4. 本节参考文章

A thorough introduction to eBPF bpf简介 bpf架构知识

2. 如何使用eBPF编程

原始的eBPF程序编写是非常繁琐和困难的。为了改变这一现状， llvm于2015年推出了可以将由高级语言编写的代码编译为eBPF字节码的功能，同时，其将bpf() 等原始的系统调用进行了初步地封装，给出了libbpf库。这些库会包含将字节码加载到内核中的函数以及一些其他的关键函数。在Linux的源码包的samples/bpf/目录下，有大量Linux 提供的基于libbpf的eBPF样例代码。

一个典型的基于 libbpf 的eBPF程序具有*_kern.c和*_user.c两个文件， *_kern.c中书写在内核中的挂载点以及处理函数，*_user.c中书写用户态代码，完成内核态代码注入以及与用户交互的各种任务。更为详细的教程可以参考该视频然而由于该方法仍然较难理解且入门存在一定的难度，因此现阶段的eBPF程序开发大多基于一些工具，比如：

BCC
BPFtrace
libbpf-bootstrap

以及还有比较新的工具，例如 eunomia-bpf.

编写 eBPF 程序

eBPF 程序由内核态部分和用户态部分构成。内核态部分包含程序的实际逻辑，用户态部分负责加载和管理内核态部分。使用 eunomia-bpf 开发工具，只需编写内核态部分的代码。

内核态部分的代码需要符合 eBPF 的语法和指令集。eBPF 程序主要由若干个函数组成，每个函数都有其特定的作用。可以使用的函数类型包括：

kprobe：插探函数，在指定的内核函数前或后执行。
tracepoint：跟踪点函数，在指定的内核跟踪点处执行。
raw_tracepoint：原始跟踪点函数，在指定的内核原始跟踪点处执行。
xdp：网络数据处理函数，拦截和处理网络数据包。
perf_event：性能事件函数，用于处理内核性能事件。
kretprobe：函数返回插探函数，在指定的内核函数返回时执行。
tracepoint_return：跟踪点函数返回，在指定的内核跟踪点返回时执行。
raw_tracepoint_return：原始跟踪点函数返回，在指定的内核原始跟踪

2.1. BCC

BCC全称为BPF Compiler Collection，该项目是一个python库，包含了完整的编写、编译、和加载BPF程序的工具链，以及用于调试和诊断性能问题的工具。

自2015年发布以来，BCC经过上百位贡献者地不断完善后，目前已经包含了大量随时可用的跟踪工具。其官方项目库提供了一个方便上手的教程，用户可以快速地根据教程完成BCC入门工作。

用户可以在BCC上使用Python、Lua等高级语言进行编程。相较于使用C语言直接编程，这些高级语言具有极大的便捷性，用户只需要使用C来设计内核中的 BPF程序，其余包括编译、解析、加载等工作在内，均可由BCC完成。

然而使用BCC存在一个缺点便是在于其兼容性并不好。基于BCC的 eBPF程序每次执行时候都需要进行编译，编译则需要用户配置相关的头文件和对应实现。在实际应用中，相信大家也会有体会，编译依赖问题是一个很棘手的问题。也正是因此，在本项目的开发中我们放弃了BCC，选择了可以做到一次编译-多次运行的libbpf-bootstrap工具。

2.2. libbpf-bootstrap

libbpf-bootstrap是一个基于libbpf库的BPF开发脚手架，从其 github 上可以得到其源码。

libbpf-bootstrap综合了BPF社区过去多年的实践，为开发者提了一个现代化的、便捷的工作流，实现了一次编译，重复使用的目的。

基于libbpf-bootstrap的BPF程序对于源文件有一定的命名规则，用于生成内核态字节码的bpf文件以.bpf.c结尾，用户态加载字节码的文件以.c结尾，且这两个文件的前缀必须相同。

基于libbpf-bootstrap的BPF程序在编译时会先将*.bpf.c文件编译为对应的.o文件，然后根据此文件生成skeleton文件，即*.skel.h，这个文件会包含内核态中定义的一些数据结构，以及用于装载内核态代码的关键函数。在用户态代码include此文件之后调用对应的装载函数即可将字节码装载到内核中。同样的，libbpf-bootstrap也有非常完备的入门教程，用户可以在该处得到详细的入门操作介绍。

2.3 eunomia-bpf

开发、构建和分发 eBPF 一直以来都是一个高门槛的工作，使用 BCC、bpftrace 等工具开发效率高、可移植性好，但是分发部署时需要安装 LLVM、Clang等编译环境，每次运行的时候执行本地或远程编译过程，资源消耗较大；使用原生的 CO-RE libbpf时又需要编写不少用户态加载代码来帮助 eBPF 程序正确加载和从内核中获取上报的信息，同时对于 eBPF 程序的分发、管理也没有很好地解决方案。

eunomia-bpf 是一个开源的 eBPF 动态加载运行时和开发工具链，是为了简化 eBPF 程序的开发、构建、分发、运行而设计的，基于 libbpf 的 CO-RE 轻量级开发框架。

使用 eunomia-bpf ，可以：

在编写 eBPF 程序或工具时只编写内核态代码，自动获取内核态导出信息；
使用 WASM 进行用户态交互程序的开发，在 WASM 虚拟机内部控制整个 eBPF 程序的加载和执行，以及处理相关数据；
eunomia-bpf 可以将预编译的 eBPF 程序打包为通用的 JSON 或 WASM 模块，跨架构和内核版本进行分发，无需重新编译即可动态加载运行。

eunomia-bpf 由一个编译工具链和一个运行时库组成, 对比传统的 BCC、原生 libbpf 等框架，大幅简化了 eBPF 程序的开发流程，在大多数时候只需编写内核态代码，即可轻松构建、打包、发布完整的 eBPF 应用，同时内核态 eBPF 代码保证和主流的 libbpf, libbpfgo, libbpf-rs 等开发框架的 100% 兼容性。需要编写用户态代码的时候，也可以借助 Webassembly 实现通过多种语言进行用户态开发。和 bpftrace 等脚本工具相比, eunomia-bpf 保留了类似的便捷性, 同时不仅局限于 trace 方面, 可以用于更多的场景, 如网络、安全等等。

eunomia-bpf 项目 Github 地址: https://github.com/eunomia-bpf/eunomia-bpf
gitee 镜像: https://gitee.com/anolis/eunomia

参考资料

eBPF 介绍：https://ebpf.io/
BPF Compiler Collection (BCC)：https://github.com/iovisor/bcc
eunomia-bpf：https://github.com/eunomia-bpf/eunomia-bpf

完整的教程和源代码已经全部开源，可以在 https://github.com/eunomia-bpf/bpf-developer-tutorial 中查看。

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