eBPF技术详解：概念、架构与优势

eBPF技术详解：概念、架构与优势

eBPF（扩展的伯克利数据包过滤器）是一种在Linux内核中运行的沙盒程序技术，它允许用户空间程序安全地扩展内核功能。本文将详细介绍eBPF的概念、架构、优势以及相关工具，帮助读者全面了解这一强大的技术。

什么是eBPF

eBPF 是什么呢？ 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。顾名思义BPF来源于伯克利大学，
最早应用于网络数据包过滤器，它比当时最先进的抓包技术快20倍，其主要得利于它的两个设计：

• 内核态引入一个新的虚拟机，所有指令都在内核虚拟机中运行。
• 用户态使用 BPF 字节码来定义过滤表达式，然后传递给内核，由内核虚拟机解释执行。
  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。
  eBPF 则是对对BPF的一些扩展，将原本单一的数据包过滤事件逐步扩展到了内核态函数、用户态函数、跟踪点、性能事件（perf_events）以及安全控制等。eBPF 不仅扩展了寄存器的数量，引入了全新的 BPF 映射存储。
  eBPF 程序架构强调安全性和稳定性，看上去更像内核模块，但与内核模块不同，eBPF 程序不需要重新编译内核，并且可以确保 eBPF 程序运行完成，而不会造成系统的崩溃。
  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。

eBPF架构

eBPF 分为用户空间程序和内核程序两部分：

• 用户空间程序负责加载 BPF 字节码至内核，如需要也会负责读取内核回传的统计信息或者事件详情
• 内核中的 BPF 字节码负责在内核中执行特定事件，如需要也会将执行的结果通过 maps 或者 perf-event 事件发送至用户空间
• 其中用户空间程序与内核 BPF 字节码程序可以使用 map 结构实现双向通信，这为内核中运行的 BPF 字节码程序提供了更加灵活的控制

交互流程如下所示：
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（不能包含无限循环、不能导致内核崩溃、必须在有限时间内完成），只有校验通过的 BPF 字节码才会提交到即时编译器执行。
BPF 程序可以利用 BPF 映射（map）进行存储，而用户程序通常也需要通过 BPF 映射同运行在内核中的 BPF 程序进行交互。如下图所示，在性能观测中，BPF 程序收集内核运行状态存储在映射中，用户程序再从映射中读出这些状态。

eBPF优势

2. 速度和性能。 eBPF 可以将数据包处理这项工作从内核空间转移到用户空间。同时，eBPF 还支持即时 (JIT) 编译器。在字节码被（JIT）编译完成后，会直接调用 eBPF，而不是对每个方法的字节码进行新的解释。
3. 低侵入性。 当作为调试器时，eBPF 不需要停止程序来观察其状态。
4. 安全。 程序被有效地沙箱化了，这意味着内核源代码仍然受到保护并保持不变。eBPF程序的验证步骤确保资源不会被运行无限循环的程序阻塞。
5. 方便。 创建hook内核函数的代码比构建和维护内核模块的工作要少。
6. 统一追踪。 eBPF 为我们提供了一个单一、强大且易于访问的流程跟踪框架，这增加了可见性和安全性。
7. 可编程性。 使用 eBPF 有助于在不添加额外层的情况下增加环境的功能丰富性。由于代码直接在内核中运行，因此可以在 eBPF 事件之间存储数据，而不是像其他跟踪器那样转储数据。
8. 表现力。 eBPF 具有丰富的表现力，能够执行通常只能在高级语言中才能找到的功能。

eBPF相关工具

• BCC
  BCC 是 BPF 的编译工具集合，前端提供 Python/Lua API，本身通过 C/C++ 语言实现，集成 LLVM/Clang 对 BPF 程序进行重写、编译和加载等功能， 提供一些更人性化的函数给用户使用。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。
• bpftrace
  bpftrace 在 eBPF 和 BCC 之上构建了一个简化的跟踪语言，通过简单的几行脚本，就可以实现复杂的跟踪功能。因此，在编写简单的 eBPF 程序，特别是编写的 eBPF 程序用于临时的调试和排错时，你可以考虑直接使用 bpftrace ，而不需要用 C 或 Python 去开发一个复杂的程序。

• libbpf
  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（如 RHEL 8.2+ 和 Ubuntu 20.10+ 等）。
• go libary
  使用这些 Go 语言开发库时需要注意，Go 开发库只适用于用户态程序中，可以完成 eBPF 程序编译、加载、事件挂载，以及 BPF 映射交互等用户态的功能，而内核态的 eBPF 程序还是需要使用 C 语言来开发的。