eBPF原理及实践：什么是eBPF

Posted 2023-09-15 11:57 +0800 by ZhangJie ‐ 1 min read

eBPF是一项革命性的内核技术，它允许开发人员编写自定义的代码，然后被内核动态加载后执行，以此来改变内核的执行行为。它的这个特点能够帮助实现高性能网络、更好的可观测性、更细致的安全分析工具。

eBPF的前身：bpf ##

1、eBPF的前身是bpf（BSD Packet Filter），最早它在1993年论文中有Lawrence Berkeley National Laboratory的Steven McCanne和Van Jacobson提出，它是一种类似字节码虚拟机的东西，有自己的指令集，你可以通过它来编写程序然后交给这个小的虚拟机去执行，这个指令集非常像汇编。比如你可以用它来写包过滤的逻辑（接受或者拒绝一个网络分组）。在这篇论文中可以找到其他一些更加复杂的示例程序，论文名：The BSD Packet Filter: A New Architecture for User-level Packet Capture。

2、1997年，Linux内核版本2.1.75首次引入了BPF，BPF也就开始成为了Berkeley Packet Filter的简称，主要用在tcpdump这些工具中来实现高效的网络包的跟踪。

3、时间快进到2012年，Linux内核版本3.5中引入了seccomp-bpf，它能够控制是否允许用户态应用程序执行系统调用，举个例子，我们启动一个docker容器，如果不添加特殊的选项控制，在docker容器内部去调试程序的时候是执行不了的，因为Linux系统中程序调试需要利用系统调用ptrace，但是ptrace往往都是被默认不允许的，发挥作用的就是seccomp-bpf，这里有一篇文章介绍了seccomp+ptrace调试原理的文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/606317619。seccomp-bpf是首次开始将bpf从包过滤这个范畴开始向其他范畴扩展。到今天发展到eBPF这个阶段，其实与最早的“包过滤”已经没有多大关系了。

从BPF到eBPF ##

随着BPF在Linux内核中的演进，到了2014年，从版本3.18开始可以使用eBPF将来称呼这项技术，全程就是extended BPF，这包含了几个比较明显的改变：

• BPF指令级对64位机器做了高度的优化，解释器也基本上重写了；
• eBPF中增加了maps，BPF程序执行时可以访问它记录一些数据，这些数据可以在BPF程序间共享，也可以允许用户态程序访问它获取结果；
• 增加了bpf()系统调用，用户态程序通过它可以和eBPF程序进行交互，比如加载到内核、从内核卸载、访问maps数据等；
• 增加了bpf_这样的一些helper函数；
• 增加了eBPF程序验证器，验证安全的程序才可以被执行；

这是eBPF首次正式放出，但是不是结束，此后就开始了它的快速发展之路。

eBPF到生产系统 ##

这里介绍下eBPF技术演进过程中的一些关键事件：

• 2005年Linux中就引入了特性kprobe，它允许在任意指令地址处设置trap，当执行到此处时允许回调用户自定义的函数。开发人员可以编写内核模块，将其中的函数设置为kprobe的回调以执行调试。 ps: 调试器一般也是使用这种指令patch的方式，区别在于kprobe回调函数是内核处理的，而调试器tracee执行时触发断点是内核通过信号通知tracer由tracer来执行的。
• 2015年的时候允许将eBPF程序连接到kprobe，kprobe可以回调eBPF程序了，这使得在Linux中tracing变得简单，为了更好的追踪Linux内核网络栈的各类事件，Linux中开始增加各种hooks允许eBPF程序进行更细致的观测。
• 2016年，Netflix的工程师Gregg大佬公开了他和团队在eBPF基础上的大量性能观测工具及实践，让基础设施、运维领域认识到了eBPF在这方面的巨大潜力。
• 2017年，Facebook开源了Katran这个基于eBPF的高性能L4负载均衡器，也是这一年，Liz Rice这位女强人对此也产生了浓厚的兴趣，并开始研究。 ps: Liz Rice 经常做些技术方面的分享，目前是 the chief open source officer with eBPF specialists at Isovalent, 也是 the Cilium cloud native networking, security and observability project 的创建者.
• 2018年，Netflix、Meta的几个工程师为Linux eBPF做了大量贡献，使得eBPF成为了Linux内核的一个独立子系统，同年BTF（bpf type format）成为了ebpf的格式类型，使得ebpf程序更加兼容。
• 2020年，Linux内核支持了LSM BPF允许将eBPF程序和Linux安全模型LSM（Linux Security Model）连接起来，这意味着eBPF的用途又进一步清晰了、扩大了，就是安全工具、网络、可观测性。
• 近些年，更是有越来越多的项目诞生，cilium、aya等等，很多开发者都对此做出了贡献，业界的实践也越来越多、越来越成熟。

起名有点难 ##

到现在的话，ebpf中的字母e已经没有太大意义了，它已经不仅仅是对bpf的扩展了，它成为了一个独立的子系统。现在提起ebpf的时候，有些人也会用bpf来称呼。但是在Linux内核中，包括操作ebpf程序的系统调用bpf()以及相关的helper函数bpf_xxx，都是直接以bpf来称呼的，这说明Linux内核开发人员已经认可了bpf来代指ebpf，它的含义已经变了，直接代指这个子系统了。但是在Linux内核社区外，还有些人会使用ebpf来称呼，比如ebpf.io这类站点。

eBPF诞生崛起的原因 ##

前面的介绍，让大家知道了ebpf演进过程中的一些关键事件，不禁要问为什么它会诞生？或者说它有哪些优点？

关心点：内核系统调用 ##

大家对Linux内核可能比较陌生，但是对操作系统应该不陌生，毕竟大学都学过。用户程序在执行某些操作时，离不开操作系统的支持，操作系统充当的就是用户程序、硬件之间的一个服务人员，用户程序和服务人员之间传话的窗口就是syscall（系统调用）。

通常用户程序，并不会直接使用系统调用，或者说直接调用的场景比较少，大家一般是通过标准库或者其他库函数的方式来间接使用系统调用。以golang为例，所有网络层面的系统调用都被封装到了标准库net中。

系统调用，比大家的认识可能要复杂些，它包括阻塞性系统调用、非阻塞性系统调用，不同系统调用对程序执行的影响是不一样的，所以go为什么是一门工程化很好的语言，就是它在运行时层面屏蔽了这些，即使某个线程因为系统调用阻塞了，程序还可以继续跑。

因为系统调用如此重要，开发人员会想知道程序中到底在执行哪些系统调用，此时就会借助strace之类的一些工具来跟踪、统计系统调用的执行情况，这样我们能更好了解程序的执行情况。

困难点：内核增加功能 ##

Linux内核的代码规模已经达到了3kw+了，相当大的规模了，如果自己不是Linux内核开发人员或者说对感兴趣的模块不是不熟悉，你很难去修改它的。即使你修改了还要考虑另一个问题，你可能只解决了在你这个情景下、平台下的问题，但是Linux内核是一个通用操作系统，意味着我们的修改可能不一定能解决其他情景、平台下的问题。往往你修改个东西，要经过社区、Torvalds的同意才行，这个周期会非常常。根据统计，Linux内核社区贡献的所有patches也就只有1/3能够进入主线。

即使进入了这个主线，可能已经过去一段时间了，你还要考虑发行版的问题，因为我们大部分开发人员、企业使用的都是某个发行版，发行版使用的内核版本又不一样了，什么时候主线代码被发行版使用了发布了，你才能考虑升级机器上的操作系统。这里就又过去一段时间了。

也就是说，即使你发现内核代码有缺陷，或者想做功能扩展，即使你很有能力开发内核代码（大部分开发估计并不擅长还是需要多年沉淀才行），即使被合入主线、被发行版使用、机器也顺利升级了，但是时间不等人，这种方式满足不了需求方快速变化的需要。

困难点：内核模块扩展 ##

内核开发人员可以考虑通过内核模块的方式（但是开发内核模块也比较困难），来代替直接修改内核代码贡献到上游这个方式，这个路子更敏捷更快，时间成本大大缩短。

内核模块也可以动态加载、卸载，不需要升级系统时停止机器。

但是内核模块的安全性一直是大家比较担心的：

• 它运行在特权用户级别，
• 这个模块经过大家充分CR吗，有漏洞吗，会给攻击吗
• 这个作者值得信任吗
• 这个模块万一有bug会影响到整机稳定性吗

大家对于内核模块的使用慎之又慎，eBPF通过验证器来尽可能保证字节码程序的安全性，至少不会影响到内核本身的健壮性。又可以独立开发的方式来增强内核功能、快速响应需求变化，相比之下就有很大的吸引力。

优势：eBPF程序动态加载 ##

ebpf程序支持动态加载、移除，不需要升级内核来获得要扩展的特性，也不需要重启机器来应用这些特性，这对于进行性能方面的观测、实现并应用安全工具就非常好。

优势：eBPF程序的高性能 ##

ebpf程序（可能用c写、用rust写），写完的ebpf程序会被编译器编译为target为ebpf的字节码程序，被ebpf子系统加载后会被JIT（即时编译器）编译为机器指令，执行的是机器指令。

ebpf程序最终执行时，可以最小化用户态、内核态的频繁切换、减少上下文切换的开销，数据记录在ebpf maps，用户程序要获取数据就从ebpf maps中取。

所以ebpf程序的性能是比较高的。

优势：云原生领域 ##

在云原生领域，ebpf这种对业务代码无侵入、无需编排配置的方式，使得它在可观测性等方面具有很大的优势。

之前大伙也是一般通过sidecar（边车）模式来增强pod的功能，比如logging、trcacing等，servicemesh也会通过sidecar实现network的能力，sidecar有它的灵活性和优势，但是也有它的局限性：

• 添加sidecar时，要使其生效（如果一开始忘了加），pod必须整个重启；
• 需要修改k8s的编排配置的yaml来增加这个sidecar，尽管这个过程功过鼠标勾勾点点就可以、配置是自动化的，但是如果不小心勾选错误还是不会被织入这个sidecar；
• pod内如果有多个容器，有可能是需要指定启动顺序的，否则可能会发生竞态条件或者故障发生，这样的话也意味着pod启动更慢；
• servicemesh中通过sidecar来实现network的功能，所有的网络流量都需要经过一个pod中网络代理容器的中转，这增加了传输延迟，影响网络性能；

这些问题也确实是sidecar模式的一些问题，幸运的是ebpf作为一种平台能力，就可以比较好的解决这些问题。

本文小结 ##

这里介绍了什么是ebpf，包括它的前身、演进的一些关键过程，以及相对于传统的方式，当我们希望做些可观测性、内核功能增强、缺陷修复时相比修改主线内核、写内核模块所具有的一些优势。然后，如果能将ebpf作为一种平台能力进行建设，这将使得在可观测性、安全工具、网络性能优化方面做出一些比较大的效果，不管你的机器是裸金属机器、虚拟机，还是容器化应用，它都能统统搞定，而且不需要你侵入业务代码、部署配置也不需要重启机器、pod。