Linux eBPF解析

 

今天，我们来了解下 linux 系统的革命性通用执行引擎-eBPF，之所以聊着玩意，因为它确实牛逼，作为一项底层技术，在现在的云原生生态领域中起着举足轻重的作用。截至目前，业界使用范围最广的 K8S CNI 网络方案 Calico 已宣布支持 eBPF，而作为第一个实现了Kube-Proxy 所有功能的 K8S 网络方案——Cilium 也是基于 eBPF 技术。因此，只有了解其底层机制，才能有助于更好、更易地融入容器生态中。

作为一种颠覆性技术，eBPF 最早出现在 3.18 内核中，eBPF 新的设计针对现代硬件进行了优化，所以 eBPF 生成的指令集比旧的 BPF 解释器生成的机器码执行得更快。扩展版本也增加了虚拟机中的寄存器数量，将原有的 2 个 32 位寄存器增加到 10 个 64 位寄存器。由于寄存器数量和宽度的增加，开发人员可以使用函数参数自由交换更多的信息，编写更复杂的程序。总之，这些改进使得 eBPF 版本的速度比原来的 BPF 提高了 4 倍。

基于原本的想法，eBPF 实现的最初目标是优化处理网络过滤器的内部 BPF 指令集。然而，作为 BPF 技术的转折点，eBPF 已经开始扩展至用户空间。使得 eBPF 不再局限于网络栈，已经成为内核顶级的子系统。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。

具体参考如下示意图：

 

eBPF 是一套通用执行引擎，提供了可基于系统或程序事件高效安全执行特定代码的通用能力，通用能力的使用者不再局限于内核开发者，除此之外，eBPF 可由执行字节码指令、存储对象和 Helper 帮助函数组成，字节码指令在内核执行前必须通过 BPF 验证器 Verfier 的验证，同时在启用 BPF JIT 模式的内核中，会直接将字节码指令转成内核可执行的本地指令运行。

同时，eBPF 也逐渐在观测（跟踪、性能调优等）、安全和网络等领域发挥重要的角色。Facebook�.NETFlix 、CloudFlare 等知名互联网公司内部广泛采用基于 eBPF 技术的各种程序用于性能分析、问题排查、负载均衡、DDoS 攻击预防等等，据相关信息显示，在 Facebook 的机器上内置一系列基于 eBPF 的相关工具集。

相对于系统的性能分析和观测，eBPF 技术在网络技术中的表现，更为抢眼，BPF 技术与 XDP（eXpress Data Path） 和 TC（Traffic Control） 组合可以实现功能更加强大的网络功能，更可为 SDN 软件定义网络提供基础支撑。XDP 只作用与网络包的 Ingress 层面，BPF 钩子位于网络驱动中尽可能早的位置，无需进行原始包的复制就可以实现最佳的数据包处理性能，挂载的 BPF 程序是运行过滤的理想选择，可用于丢弃恶意或非预期的流量、进行 DDOS 攻击保护等场景；而 TC Ingress 比 XDP 技术处于更高层次的位置，BPF 程序在 L3 层之前运行，可以访问到与数据包相关的大部分元数据，是本地节点处理的理想的地方，可以用于流量监控或者 L3/L4 的端点策略控制，同时配合 TC egress 则可实现对于容器环境下更高维度和级别的网络结构。关于 XDP 技术架构，可参考如下结构示意图：

 

基于 Linux 系统生态体系，eBPF 有着得天独厚的优势，高效、生产安全且内核中内置，特别的可以在内核中完成数据分析聚合比如直方图，与将数据发送到用户空间分析聚合相比，能够节省大量的数据复制传递带来的 CPU 消耗。在解析 eBPF 之前，首先，我们先看下BPF 架构示意图，具体如下所示：

 

接下来基于上述架构图，我们可以清晰的看到，BPF 主要工作在内核层，其本质是类 Unix 系统上数据链路层的一种原始接口，提供原始链路层封包的收发。BPF 在数据包过滤上引入了两大革新：

• 全新的虚拟机 (VM) 设计模型，能够有效地工作在基于寄存器结构的 CPU 之上
• 应用程序使用缓存只复制与过滤数据包相关的数据，不会复制数据包的所有信息。这样可以最大程度地减少BPF 处理的数据量

基于这些巨大的改进，目前，几乎所有的 （类）Unix 系统都选择采用 BPF 作为网络数据包过滤技术，直到今天，许多 Unix 内核的派生系统中（包括 Linux 内核）仍基于此实现方式。举个简单的示例，Linux 操作系统上的 Tcpdump 底层采用的就是 BPF 作为包过滤技术。

接下来，我们再了解下 eBPF 的整体架构，具体如下图所示：

 

基于上述架构图，我们可以看到，整个 eBPF 主要分为 2 部分组件：User Program （用户空间程序）和 Kernel （内核程序）。针对两部分组件，简要介绍如下：

User Program （用户空间程序）：负责加载 BPF 字节码至内核，基于特殊场景需求，也可能需要负责读取内核回传的统计信息或者事件详情。

Kernel （内核程序）：内核中的 BPF 字节码负责在内核中执行特定事件，基于特定场景需要，也会将执行的结果通过 Maps 或者 Perf-Event 事件发送至用户空间。

在此架构参考示意图中，用户空间程序与内核 BPF 字节码程序可以基于 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。

我们再看下 User Program （用户空间程序）与 Kernel （内核程序）的 BPF 字节码交互的流程，具体如下所示：

1、在User Program （用户空间程序）中，基于LLVM 或者 GCC 工具将编写的 BPF 代码程序编译成 BPF 字节码

2、使用加载程序 Loader 将字节码加载至内核，内核使用验证器（Verfier） 组件保证执行字节码的安全性，以避免对内核造成灾难，在确认字节码安全后将其加载对应的内核模块执行；BPF 观测技术相关的程序类型可能是
Kprobes/Uprobes/Tracepoint/Perf_events 中的一个或多个。

针对 BPF 相关的程序类型进行简要解析，具体如下：

Kprobes：实现内核中动态跟踪。Kprobes 可以跟踪到 Linux 内核中的导出函数入口或返回点，但是不是稳定 ABI 接口，可能会因为内核版本变化导致，导致跟踪失效。

Uprobes：用户级别的动态跟踪。与 Kprobes 类似，只是跟踪用户程序中的函数。

Tracepoints：内核中静态跟踪。tracepoints 是内核开发人员维护的跟踪点，能够提供稳定的 ABI 接口，但是由于是研发人员维护，数量和场景可能受限。

Perf_events：定时采样和 PMC。

3、内核中运行的 BPF 字节码程序可以使用两种方式将测量数据回传至用户空间，具体，Maps 方式可用于将内核中实现的统计摘要信息（比如测量延迟、堆栈信息）等回传至用户空间；Perf-event 则用于将内核采集的事件实时发送至用户空间，用户空间程序实时读取分析。

从本质上来讲，eBPF 催生了一种全新的软件开发方式。基于这种方式，我们不仅能够对内核行为进行编程，而且依据场景需求还能编写跨多个子系统的处理逻辑，而传统上这些子系统是完全独立、 无法用一套逻辑来处理的。

当前，市面上eBPF 相关的知名的开源项目包括但不限于以下：

1、Facebook 高性能 4 层负载均衡器 Katran。

2、Cilium 为下一代微服务 ServiceMesh 所打造的具备 API 感知和安全高效的容器网络方案，底层主要使用 XDP 和 TC 等相关技术。

3、CloudFlare 公司开源的 eBPF Exporter 和 bpf-tools：eBPF Exporter 将 eBPF 技术与监控 Prometheus 紧密结合起来，而bpf-tools 可用于网络问题分析和排查。

4、IO Visor 项目开源的 BCC、 BPFTrace 和 Kubectl-Trace：BCC 提供了更高阶的抽象，可以让用户采用 Python/ target=_blank class=infotextkey>Python、C++ 和 Lua 等高级语言快速开发 BPF 程序；BPFTrace 采用类似于 awk 语言快速编写 eBPF 程序；Kubectl-Trace 则提供了在 kubernetes 集群中使用 BPF 程序调试的方便操作。

由于 eBPF 还在快速发展期，内核中的功能也日趋增强及完善，因此，在实际的业务场景中，我们一般推荐基于 Linux 4.4+ (4.9 以上效能会更佳) 内核的来使用 eBPF。部分 Linux Event 和 BPF 版本支持见下图：

 

除上述较为知名的 eBPF 相关的开源项目外，还有越来越多的新兴项目如雨后脆笋一样开始蓬勃发展，并逐步在各种社区布局、开发以及优化完善，成为一股暖流，冲向广阔的市场。

接下来，我们针对 eBPF 所涉及的各方面进行简要解析，主要从网络、安全、性能追踪以及观测及监控等4个维度进行，具体如下所示。

网络

其实，刚才前面针对网络这部分已经有所描述，现在对其进行简要概括，具体，eBPF 的两大特色：可编程和高性能，使它能满足所有的网络包处理需求。可编程意味着无需离开内核中的包处理上下文，就能添加额外的协议解析器或任何转发逻辑， 以满足不断变化的需求。高性能的 JIT 编译器使 eBPF 程序能达到几乎与原生编译的内核态代码一样的执行性能。

安全

eBPF 能够观测和理解所有的系统调用的能力，以及在 Packet 层和 Socket 层审视所有的网络操作的能力，基于此两者相结合，为系统安全提供了革命性的新思路。在此革命未发生之前，传统模式是基于系统调用过滤、网络层过滤和进程上下文跟踪是在完全独立的系统中完成的，而 eBPF 的出现则统一了可观测性和各层面的控制能力，使得我们有更加丰富的上下文和更精细的控制能力， 因而能创建更加安全的系统。

性能追踪

eBPF 程序能够加载到 Trace points、内核及用户空间应用程序中的 Probe points， 这种能力使我们对应用程序的运行时行为（Runtime Behavior）和系统本身 （System Itself）提供了史无前例的可观测性。应用端和系统端的这种观测能力相结合， 能在排查系统性能问题时提供强大的能力和独特的信息。BPF 使用了很多高级数据结构， 因此能非常高效地导出有意义的可观测数据，而不是像很多同类系统一样导出海量的原始采样数据。

观测及监控

相比于操作系统提供的静态计数器（Counters、Gauges），eBPF 能在内核中收集和聚合自定义 Metric， 并能从不同数据源来生成可观测数据。这既扩展了可观测性的深度，也显著减少了整体系统开销， 因为现在可以选择只收集需要的数据，并且后者是直方图或类似的格式，而非原始采样数据。

上面讲述了 eBPF 的相关特性以及优点，最后，我们再了解下在基于当前的技术以及业务场景下，eBPF 应用的局限性，具体如下：

1、现有的环境下，eBPF 程序不能调用任意的内核参数，只限于内核模块中列出的 BPF Helper 函数。

2、eBPF 字节码大小最初被限制为 4096 条指令，截止到内核 Linux 5.8 版本， 当前已将放宽至 100 万指令（
BPF_COMPLEXITY_LIMIT_INSNS），可参考源码所示：include/linux/bpf.h，对于无权限的BPF程序，仍然保留 4096 条限制 ( BPF_MAXINSNS )；新版本的 eBPF 也支持了多个 eBPF 程序级联调用，虽然传递信息存在某些限制，但是可以通过组合实现更加强大的功能。

3、eBPF 堆栈大小被限制在 MAX_BPF_STACK，截止到内核 Linux 5.8 版本，被设置为 512；可参考源码所示： include/linux/filter.h，这个限制特别是在栈上存储多个字符串缓冲区时：一个char[256]缓冲区会消耗这个栈的一半。目前没有计划增加这个限制，解决方法是改用 bpf 映射存储，它实际上是无限的。

4、eBPF 程序不允许包含无法到达的指令，防止加载无效代码，延迟程序的终止。

5、eBPF 程序中循环次数限制且必须在有限时间内结束，这主要是用来防止在 kprobes 中插入任意的循环，导致锁住整个系统；解决办法包括展开循环，并为需要循环的常见用途添加辅助函数。Linux 5.3 在 BPF 中包含了对有界循环的支持，它有一个可验证的运行时间上限。

综上所述，虽然 eBPF 技术在当前的环境下影响力强大，但是为了保证内核的处理安全和及时响应，内核中的 eBPF 技术也被进行着诸多的限制，或许，随着技术的发展和内核演进，基于 eBPF，我们可能会找出一个更为性价比的综合解决方案。

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