笔者在很早之前就看eBPF这类似的文章，那时候看这个技术一脸懵逼，不知道它是用来做什么，可以解决什么问题。所以也没有太关注这个技术。很庆幸最近刚好有机会研究这个技术。

什么是BPF

「BPF的全称是Berkaley Packet Filter,即伯克利报文过法器，它的设计思想来源于 1992 年Steven McCanne和Van Jacobson写的一篇论文“The BSD packet filter. A New architecture for user-level packet apture" (《BSD数据包过滤器:一种用于用户级数据包捕获的新休系结构》)。最初，BPF是在 BSD 内核实现的，后来，由于其出色的设计思想，其他操作系统也将其引入包括 Linux。」

(资料图片)

「在这篇论文中，作者描述了他们如何在Unix内核实现网络数据包过滤，这种新的技术比当时最先进的数据包过滤技术快20倍。如下图来源于论文：」

「通俗易懂的理解上图，BPF是作为网络报文传输的旁路链路，当接收到的网络报文到达内阁驱动程序后，网络报文在传输给网络协议栈的同时，会额外将网络报文的副本传输给BPF。之后网络报文会经过BPF程序的内部逻辑进行过滤，最终再送到用户程序。」

「BPF 在数据包过滤上引入了两大革新：」

一个新的虚拟机（VM）设计，可以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，最大程度地减少BPF处理的数据，提高处理效率。

「我们熟悉的tcpdump就是基于BPF技术，好比一个神器站另外一个神器的绝作。」

什么是eBPF

BPF发展到现在名称升级为eBPF： 「extended Berkeley Packet Filter」。它演进成为了一套通用执行引擎，提供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。其使用场景不再仅仅是网络分析，可以基于eBPF开发性能分析、系统追踪、网络优化等多种类型的工具和平台。

eBPF原理

** eBPF技术架构图：**

eBPF主要分为用户空间程序与内核程序两大部分：

在用户空间，程序通过LLVM/Clang被编译成eBPF可接受的字节码并提交到内核，以及负责读取内核回传的消息事件或统计信息。eBPF提供了两种内核态与用户态传递数据的方式，内核态可以将自定义perf_event消息事件发往用户态，或用户态通过文件描述符读写存储在内核中的k/v Map数据。

在内核空间，为了稳定与安全，eBPF接收的字节码首先会交给Verifier进行安全验证，如验证程序循环次数，数组越界问题，无法访问的指令等等。只有校验通过的字节码才会提交到内核自带编译器或JIT编译器编译成可直接执行的机器指令。同时，eBPF对提交程序提出限制，如程序大小限制，最大可使用堆栈大小限制，可调用函数限制，循环次数限制等。

从上面的架构图可以看出，eBPF在内核态会依赖内核探针进行工作，其中kprobes实现内核函数动态跟踪；uprobes实现用户函数动态跟踪；tracepoints是内核中的静态跟踪点；perf_events支持定时采样和PMC。

eBPF环境搭建

为了有一个eBPF程序编写验证的平台，我在ubuntu22.04中搭建了eBPF环境，ubuntu22.04安装流程在这里不在过多的介绍。「以下的操作都在root用户下执行」

更新系统的包索引和包列表：

#aptupdate

编译 BPF 程序需要系统安装必备的 linux-headers包：

#sudoaptinstalllinux-headers-$(uname-r)

安装eBPF依赖工具：

#aptinstall-ybisonflexbuild-essentialgitcmakemakelibelf-devstracetarlibfl-devlibssl-devlibedit-devzlib1g-devpythonpython3-distutils

安装LLVM，并检查一下版本：

#aptinstallllvm#llc-versionUbuntuLLVMversion14.0.0.....wasm32-WebAssembly32-bitwasm64-WebAssembly64-bitx86-32-bitX86:Pentium-Proandabovex86-64-64-bitX86:EM64TandAMD64xcore-XCore#

安装Clang，并检查一下版本：

#aptinstallclang#clang-versionUbuntuclangversion14.0.0-1ubuntu1Target:x86_64-pc-linux-gnuThreadmodel:posixInstalledDir:/usr/bin#

查看但钱ubuntu的内核版本，安装对应的内核源码，并解压源码：

#apt-cachesearchlinux-sourcelinux-source-LinuxkernelsourcewithUbuntupatcheslinux-source-5.19.0-Linuxkernelsourceforversion5.19.0withUbuntupatches#aptinstalllinux-source-5.19.0#cd/usr/src#tar-jxvflinux-source-5.19.0.tar.bz2#cdlinux-source-5.19.0

编译内核源码的bpf模块，如果没有报错，说明已经完成环境搭建：

#cp-v/boot/config-$(uname-r).config#makeoldconfig&&makeprepare#makeheaders_install#apt-getinstalllibcap-dev#makeM=samples/bpfCCsamples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/cgroup_helpers.oCCsamples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.oCCsamples/bpf/cookie_uid_helper_example.oCCsamples/bpf/cpustat_user.oCCsamples/bpf/fds_example.o....WARNING:Symbolversiondump"Module.symvers"ismissing.Modulesmaynothavedependenciesormodversions.Youmaygetmanyunresolvedsymbolwarnings.

eBPF样例编写

在内核源码的samples/bpf目录下提供了很多实例供我们学习，通过目录下的makefile就可以构建里面的bpf程序，如果我们用 C 语言编写的 BPF 程序编译可以直接在该目录提供的环境中进行编译。

samples/bpf 下的程序一般组成方式是 xxx_user.c 和 xxx_kern.c：

xxx_user.c：为用户空间的程序用于设置 BPF 程序的相关配置、加载 BPF 程序至内核、设置 BPF 程序中的 map 值和读取 BPF 程序运行过程中发送至用户空间的消息等。目前 xxx_user.c 与 xxx_kern.c 程序在交互实现都是基于 bpf() 系统调用完成的。直接使用 bpf() 系统调用涉及的参数和细节比较多，使用门槛较高，因此为了方便用户空间程序更加易用，内核提供了 libbpf 库封装了对于 bpf() 系统调用的细节。xxx_kern.c：为 BPF 程序代码，通过 clang 编译成字节码加载至内核中，在对应事件触发的时候运行，可以接受用户空间程序发送的各种数据，并将运行时产生的数据发送至用户空间程序。

编写一个样例流程，在目录samples/bpf中新建两个文件：youyeetoo_user.c和youyeetoo_kern.c，并且在makefile中加入构建：

youyeetoo_user.c的内容：

#include#include#include#include"trace_helpers.h"intmain(intac,char**argv){structbpf_link*link=NULL;structbpf_program*prog;structbpf_object*obj;charfilename[256];snprintf(filename,sizeof(filename),"%s_kern.o",argv[0]);obj=bpf_object__open_file(filename,NULL);if(libbpf_get_error(obj)){fprintf(stderr,"ERROR:openingBPFobjectfilefailedn");return0;}prog=bpf_object__find_program_by_name(obj,"bpf_prog");if(!prog){fprintf(stderr,"ERROR:findingaproginobjfilefailedn");gotocleanup;}/*loadBPFprogram*/if(bpf_object__load(obj)){fprintf(stderr,"ERROR:loadingBPFobjectfilefailedn");gotocleanup;}link=bpf_program__attach(prog);if(libbpf_get_error(link)){fprintf(stderr,"ERROR:bpf_program__attachfailedn");link=NULL;gotocleanup;}read_trace_pipe();cleanup:bpf_link__destroy(link);bpf_object__close(obj);return0;}

youyeetoo_kern.c的内容：

#include#include#include#includeSEC("tracepoint/syscalls/sys_enter_execve")intbpf_prog1(structpt_regs*ctx){charfmt[]="youyeetoo%s!n";charcomm[16];bpf_get_current_comm(&comm,sizeof(comm));bpf_trace_printk(fmt,sizeof(fmt),comm);return0;}char_license[]SEC("license")="GPL";u32_versionSEC("version")=LINUX_VERSION_CODE;

Makefile 文件修改:

#diff-uMakefile.oldMakefile---Makefile.old2021-09-2603:16:16.883348130+0000+++Makefile2021-09-2603:20:46.732277872+0000@@-55,6+55,7@@tprogs-y+=xdp_sample_pktstprogs-y+=ibumadtprogs-y+=hbm+tprogs-y+=youyeetoo#LibbpfdependenciesLIBBPF=$(TOOLS_PATH)/lib/bpf/libbpf.a@@-113,6+114,7@@xdp_sample_pkts-objs:=xdp_sample_pkts_user.oibumad-objs:=ibumad_user.ohbm-objs:=hbm.o$(CGROUP_HELPERS)+youyeetoo-objs:=youyeetoo_user.o$(TRACE_HELPERS)#Tellkbuildtoalwaysbuildtheprogramsalways-y:=$(tprogs-y)@@-174,6+176,7@@always-y+=hbm_out_kern.oalways-y+=hbm_edt_kern.oalways-y+=xdpsock_kern.o+always-y+=youyeetoo_kern.oifeq($(ARCH),arm)#Stripallexcept-D__LINUX_ARM_ARCH__optionneededtohandlelinux

eBPF样例验证

编译样例：

#makeM=samples/bpfCCsamples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/cgroup_helpers.oCCsamples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.oCCsamples/bpf/cookie_uid_helper_example.oCCsamples/bpf/cpustat_user.oCCsamples/bpf/fds_example.o....LDsamples/bpf/youyeetooCLANG-bpfsamples/bpf/youyeetoo_kern.oWARNING:Symbolversiondump"Module.symvers"ismissing.Modulesmaynothavedependenciesormodversions.Youmaygetmanyunresolvedsymbolwarnings.

在samples/bpf下查看编译结果，可以看到youyeetoo可执行文件：

#ls-alyouyeetoo*-rwxr-xr-x1rootroot4079766月919:08youyeetoo-rw-r--r--1rootroot4516月910:44youyeetoo_kern.c-rw-r--r--1rootroot52166月919:08youyeetoo_kern.o-rw-r--r--1rootroot9976月910:40youyeetoo_user.c-rw-r--r--1rootroot33606月919:08youyeetoo_user.o

在ubuntu中运行两个终端，用来测试youyeetoo：在终端以运行youyeetoo可执行文件，在终端2中执行任意命令，在终端1查看程序是否能够监测到，如果成功监测到新进程运行便会输出一条“bpf_trace_printk: Hello”

原文标题：基于ubuntu22.04-深入浅出 eBPF

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