eBPF：程序员角度的内核执行程序

一、引言 eBPF（extended Berkeley Packet Filter）是一种允许软件开发人员在内核中编写程序的技术，而不需要重新编译和重启系统。通过调用内核函数，这些程序可以收集关键性能指标。在本文中，我们将使用libbpf库来描述和讨论eBPF的体系结构，以及它的核心组件。我们还将探讨eBPF程序与典型用户空间C程序之间的关键区别，并介绍一些真实世界的eBPF用例。 二、致谢 在开始正文之前，我要向Quentin Monnet表示感谢，他在验证论文正确性以及提供有价值的反馈方面做出了巨大的贡献。感谢他的帮助，使得本文能够更加完善和准确。 三、介绍 在1992年，Berkeley Packet Filter（BPF）作为一种高效的网络数据包过滤器出现 [4, 11]。网络数据包过滤器是一种网络安全机制，通过检查数据包在通过过滤器时的流动来控制网络的流入和流出。BPF的作者描述它比现有技术快20倍。BPF与先前的系统不同之处在于，在基于寄存器的CPU上构建的虚拟机中运行程序，并具有不需要复制所有信息以做出决策的能力。 然而，随着时间的推移，大量的应用场景涉及到对内核的扩展和定制化需求，BPF面临着一些限制。为了解决这些限制，eBPF技术应运而生。eBPF不仅可以执行网络数据包过滤，还可以扩展到其他领域，如系统跟踪、安全监控和性能分析等。eBPF通过引入安全策略和虚拟机技术，使得程序的执行更加可靠和安全。 四、eBPF的核心组件和体系结构 eBPF的核心组件包括虚拟机、JIT编译器和安全检查器。虚拟机负责执行eBPF程序，并提供对内核的访问。JIT编译器将eBPF程序转换为本地机器码，以提高执行性能。安全检查器确保eBPF程序只能访问允许的资源，并防止恶意程序对系统产生负面影响。 eBPF的体系结构由eBPF程序、eBPF虚拟机和内核功能组成。eBPF程序是由C语言编写的，使用特定的eBPF指令集。这些指令集被翻译成BPF指令，然后由eBPF虚拟机执行。eBPF程序可以通过调用内核函数来访问内核资源，并收集关键性能指标。 五、eBPF程序与典型用户空间C程序的区别 eBPF程序与典型的用户空间C程序有着一些关键区别。首先，eBPF程序必须是可验证的，以确保其不会对系统的稳定性和安全性造成威胁。其次，eBPF程序只能访问被内核允许的资源，且只能执行一些特定的操作。此外，eBPF程序需要通过特定的编译器进行编译，以生成可以在eBPF虚拟机上执行的代码。 另一个重要的区别是，eBPF程序的执行是透明的，不会对系统的正常运行造成任何影响。eBPF程序在内核中运行，可以作为一种补充来收集关键性能指标，而无需重新编译和重启系统。 六、eBPF的真实世界用例 eBPF在真实世界中有许多用例。其中之一是系统跟踪和调试。通过使用eBPF程序，我们可以捕获系统中发生的事件，以便进行故障排除和性能优化。另一个用例是网络分析和安全监控。eBPF程序可以捕获网络数据包，并进行实时分析和检测恶意行为。 此外，eBPF还可以在容器和云环境中使用。通过定义一些监控规则，eBPF程序可以实时监测容器的运行状态和性能指标，以及云环境中的资源使用情况。这为运维人员提供了更好的可见性和控制性。 七、总结 本文从程序员的角度出发，对eBPF进行了介绍和总结。我们讨论了eBPF的体系结构和核心组件，以及与典型用户空间C程序的区别。我们还探讨了eBPF在真实世界中的一些用例。然而，本文并未讨论性能数据或正式证明，仅仅是对阅读eBPF教材、博客文章、eBPF样本和内核代码的无数小时的总结。通过阅读本文，读者可以对eBPF有一个初步的了解，并进一步探索该领域的更多细节和应用。