目录
- eBPF是什么？
- eBPF是做什么的？可以解决什么问题？
- eBPF可以带来的解决方案是什么？
- eBPF的技术点
- eBPF hook
- eBPF Map
- eBPF Helper Function
- eBPF有什么限制吗？
前言
21年因为项目需求而要开发一个工具，可以满足：故障排查，问题分析，统计数据等需要。开始实现的比较简单，就是针对抓取的log数据进行各个维测数据的解析和处理。具有如下几种缺陷：
1、log内容主要还是借助于简单的printf和printk的内容，这类打印信息量不足。主要是release的版本不可能有太多此类的信息，否则会严重影响系统的性能。
2、信息量少也意味着无法有效支撑问题问题的相关信息追溯，无法进行有效的数据统计。因此很多监控和买点方案就无法有效实现。
3、无法将工具有效整合到整个软件开发工程中去。所以无法得到各个方面的资源支撑。所以工具必然不能得到很好地推广而进行迭代优化。
后来发现eBPF技术能够很好地满足需求。因此开始接触了eBPF技术。趁着这段时间，准备针对这个技术做一个比较完整的学习和梳理记录。
1、eBPF是什么？
BPF：Berkeley Packet Filter，伯克利包过滤器
发明之初是一款网络过滤神器，tcpdump就是基于这个神器的神器
eBPF：extended Berkeley Packet Filter 扩展的伯克利包过滤器
演进成一套通用执行引擎，不再仅仅是网络分析，可以基于eBPF开发
性能分析，系统跟踪，网络优化等多种类型的工具平台。
原来的BPF被称为cBPF（classic BPF），当前Linux内核只运行eBPF,内核将会透明地转换成eBPF再执行
- 1）一个新的虚拟机设计，有效地工作再基于寄存器的CPU之上，基于栈的虚拟机和基于寄存器的虚拟机区别-CSDN博客
2）应用程序使用缓存只复制顾虑数据包相关的数据，不会复制数据包的所有信息，最大程度地减少处理的的数据，提高处理效率
eBPF目前发展成为一套通用的执行引擎，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内核开发者。使用场景也不仅仅是网络分析。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字节码指令在内核执行前必须通过BPF验证器的验证，同时在启用BPF JIT模式的内核中，会直接将指令转成内核可执行的本地指令运行，具有很搞笑的执行效率。
2、BPF是做什么的？可以解决什么问题？
1）linux内核开发目标：强安全，高性能，持续交付
强安全：就是不能允许不可信的代码运行在内核中。
高性能：作为承载千百服务的操作系统内核，需要有高性能的保障应用的快速发展需求。
持续交付：就是不断升级迭代更新。同时，升级动作本身对于用户而言尽量不会感知到。
2）linux内核开发的一般解决方案和缺陷
直接修改内核代码，通过API暴露能力，用户可能要等上n年才能更新到这个版本来使用。而且每次的功能更新都可能需要重新编译打包内核代码
开发新的可即时加载的内核模块，这个内核模块可能会随着每一个内核版本的发布而不可用了，因此你必须小心地为每一次的内核版本更新调整模块代码。不然就会让内核模块直接崩溃
3、BPF可以带来的解决方案是什么？
强安全：BPF验证器（verifier）通过沙盒机制检查每一个程序是否能够安全运行在内核中，拒绝不安全的代码。
高性能：JIT编译保障了程序本地运行的高性能
持续交付：程序可以被无缝替换，并不影响在运行的任务。
强安全：就是在检查不通过的，将拒绝这个程序被加载到内核中去，从而保证内核本身不会崩溃，有一个验证器进行验证这是不同于内核模块的。比如以下几种情况就是无法通过BPF验证器的：
没有实际加载BPF程序所需的权限的
访问任意内核空间内存数据的
将任意内核空间内存数据暴露给用户空间的
高性能：通过安全验证后，JIT编译生成的是通用字节码，它是完全可移植的，可以在任意CPU架构山加载这个字节码的。这样我们能获得本地编译后的程序运行速度了。
持续交付：通过了JIT编译后，就会把编译后的程序附加到各种系统调用的钩子（hook）上，而且可以在不影响系统运行的情况下，实时地在线地替换掉这些运行在Linux内核中的BPF程序。
4、eBPF的技术点
BPF钩子（hooks）
能够加快BPF程序的地方：
1）kenrel functions（kprobes）
2）userspace functions（uprobes）
3）system calls
4）fentry
5）fexit
6）Tracepoints
7）network devices(tc/xdp)
8）network routes
9）TCP congestion algorithms
10）sockets(data level)
这10种钩子就是内核中可以加载BPF程序的地方。
包括：文件打开，创建TCP链接，Socket链接到发送系统消息等几乎所有的系统调用。用户空间的各种动态信息都能加载BPF程序。
BPF Map：
BPF Map，存储数据，交换信息的桥梁
Map的类型：Hash tables，Arrays，LRU（Least Recently Used），Ring Buffer，Stack Trace，LPM(Longest Prefix match)
Map的功能：Program state，Program configuration，Share data between programs，share state，metrics，and statistics with user space
对于一个程序通常复杂的逻辑就必须要记录数据的状态的部分。BPF Map就是用来存储数据的状态信息，统计信息和指标信息的。
BPF Map是可以被用户空间访问并操作的
BPF Map是可以与BPF程序分离的，即当创建一个BPF Map的BPF程序运行结束后，该BPF Map还能存在，而不是随着程序一起消亡的。
基于上面的特点，我们可以利用BPF Map持久化数据，在不丢失重要数据的同时，更新BPF程序逻辑，实现在不同程序之间共享信息，在收集统计信息或指标等场景下，非常有用
BPF Helper Function：BPF的辅助函数
辅助函数的清单：
Random numbers
Get current time
Map access
Get process/cgroup context
Manipulate network packets and forwarding
Access socket data
Perform tail call
Access process stack
Access syscall arguments
它们是面向开发者的，提供操作BPF程序和BPF Map的工具类函数。就是一个中间件。适配内核的迭代更新，主要是内核函数的变化，而对开发者是透明的，形成稳定的API接口。
例如：BPF程序需要生成一个随机数，那么有一个辅助函数可以帮助检索并询问内核，让内核完成“给我一个随机数”的任务，或者“从BPF Map中读取某个值”等等。
只要与操作系统内核的交互都是通过BPF辅助函数来完成的，由于这些都是稳定的API，所以BPF程序可以跨内核版本进行移植。
eBPF技术有些什么限制？
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，函数支持列表也随着内核演进而不断增加
eBPF程序不允许包含无法达到的指令，防止加载无效代码，延迟程序的终止。
eBPF程序中循环次数限制且必须在有限时间内结束
eBPF堆栈大小被限制在MAXBPFSTACK。Linux5.8，被设置为512。可以改用BPF Map，大小是无限的。
eBPF字节码大小最初被限制在4096条指令，Linux5.8版本，已放宽至100万条指令（BPF_COMPLEXITY_LIMIT_INSNS）,对于无权限的BPF程序，仍然保留4096条的限制（BPF_MAXINSNS）
