eBPF汇编指令你还不知道？看这一篇文就够了

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大家好，我是你们的彦祖，今天这篇文主要介绍 eBPF 的指令系统，对于想深入理解 eBPF 的同学千万不要错过，会对你有很大的帮助。

eBPF 指令系统

参考资料：
https://www.kernel.org/doc/html/latest/networking/filter.html#ebpf-opcode-encoding

BPF 是一个通用的 RISC 指令集，最初是为了用 C 的子集编写程序而设计的，这些程序可以通过编译器后端（例如 LLVM）编译成 BPF 指令，以便内核稍后可以通过将内核 JIT 编译器转换为原生操作码，以实现内核内部的最佳执行性能。

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寄存器

eBPF 由 11 个 64 位寄存器、一个程序计数器和一个 512 字节的大 BPF 堆栈空间组成。寄存器被命名为r0- r10。操作模式默认为 64 位。64位的寄存器也可作32 位子寄存器使用，它们只能通过特殊的 ALU（算术逻辑单元）操作访问，使用低32位，高32位使用零填充。

寄存器的使用约定如下：

其他：在加载和存储指令中，寄存器 R6 是一个隐式输入，必须包含指向 sk_buff 的指针。寄存器 R0 是一个隐式输出，它包含从数据包中获取的数据。

指令格式

代码实现如下：

struct bpf_insn {__u8 code;  /* opcode */__u8 dst_reg:4; /* dest register */__u8 src_reg:4; /* source register */__s16 off;  /* signed offset */__s32 imm;  /* signed immediate constant */
};

指令类型

其中的op字段，如下：

+----------------+--------+--------------------+
|       5 bits            |   3 bits           |
|       xxxxxx            | instruction class  |
+----------------+--------+--------------------+
(MSB)                                      (LSB)

op字段的低3位，决定指令类型。指令类型包含：加载与存储指令、运算指令、跳转指令。

顺便提下：ebpf中一个字是四个字节大小，32 bits

BPF_LD 和 BPF_LDX: 两个类都用于加载操作。BPF_LD用于加载双字。后者是从 cBPF 继承而来的，主要是为了保持 cBPF 到 BPF 的转换效率，因为它们优化了 JIT 代码。
BPF_ST 和 BPF_STX: 两个类都用于存储操作，用于将数据从寄存器到存储器中。
BPF_ALU 和 BPF_ALU64: 分别是32位和64位下的ALU操作。
BPF_JMP 和 BPF_JMP32：跳转指令。JMP32的跳转范围是32位大小(一个 word)

运算和跳转指令

当 BPF_CLASS(code) == BPF_ALU 或 BPF_JMP 时，op字段可分为三部分，如下所示：

+----------------+--------+--------------------+
|   4 bits       |  1 bit |   3 bits           |
| operation code | source | instruction class  |
+----------------+--------+--------------------+
(MSB)                                      (LSB)

其中的第四位，可以为0或者1，在linux中，使用如下宏定义：

BPF_K     0x00
BPF_X     0x08
// #define BPF_CLASS(code) ((code) & 0x07)

在 eBPF 中，这意味着：

BPF_SRC(code) == BPF_X - use 'src_reg' register as source operand
BPF_SRC(code) == BPF_K - use 32-bit immediate as source operand
// #define BPF_SRC(code)   ((code) & 0x08)

如果 BPF_CLASS(code) 等于 BPF_ALU 或 BPF_ALU64，则 BPF_OP(code) 是以下之一：

BPF_ADD   0x00
BPF_SUB   0x10
BPF_MUL   0x20
BPF_DIV   0x30
BPF_OR    0x40
BPF_AND   0x50
BPF_LSH   0x60
BPF_RSH   0x70
BPF_NEG   0x80
BPF_MOD   0x90
BPF_XOR   0xa0
BPF_MOV   0xb0  /* eBPF only: mov reg to reg */
BPF_ARSH  0xc0  /* eBPF only: sign extending shift right */
BPF_END   0xd0  /* eBPF only: endianness conversion */

如果 BPF_CLASS(code) 等于 BPF_JMP 或 BPF_JMP32，则 BPF_OP(code) 是以下之一：

BPF_JA    0x00  /* BPF_JMP only */
BPF_JEQ   0x10
BPF_JGT   0x20
BPF_JGE   0x30
BPF_JSET  0x40
BPF_JNE   0x50  /* eBPF only: jump != */
BPF_JSGT  0x60  /* eBPF only: signed '>' */
BPF_JSGE  0x70  /* eBPF only: signed '>=' */
BPF_CALL  0x80  /* eBPF BPF_JMP only: function call */
BPF_EXIT  0x90  /* eBPF BPF_JMP only: function return */
BPF_JLT   0xa0  /* eBPF only: unsigned '<' */
BPF_JLE   0xb0  /* eBPF only: unsigned '<=' */
BPF_JSLT  0xc0  /* eBPF only: signed '<' */
BPF_JSLE  0xd0  /* eBPF only: signed '<=' */

加载和存储指令

当 BPF_CLASS(code) 等于 BPF_LD 或 BPF_ST 时，op字段可分为三部分，如下所示：

+--------+--------+-------------------+
| 3 bits | 2 bits |   3 bits          |
|  mode  |  size  | instruction class |
+--------+--------+-------------------+
(MSB)                             (LSB)

其中的size在linux中的有如下宏定义：

BPF_W   0x00    /* word=4 byte */
BPF_H   0x08    /* half word */
BPF_B   0x10    /* byte */
BPF_DW  0x18    /* eBPF only, double word */

mode在linux中的有如下宏定义：

BPF_IMM     0x00  /* used for 32-bit mov in classic BPF and 64-bit in eBPF */
BPF_ABS     0x20
BPF_IND     0x40
BPF_MEM     0x60
BPF_LEN     0x80  /* classic BPF only, reserved in eBPF */
BPF_MSH     0xa0  /* classic BPF only, reserved in eBPF */
BPF_ATOMIC  0xc0  /* eBPF only, atomic operations */

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ebpf指令集编程

eBPF编程有三种方式：BPF指令集编程、BPF C编程、BPF前端(BCC、bpftrace)。

为了演示指令，我们阅读一段指令集方式编程的代码。

代码

代码来源：sample/bpf/sock_example.c

代码逻辑：

popen()函数通过创建管道、fork和来打开进程调用shell。由于管道的定义是单向的，因此类型参数只能指定读或写，不能同时指定两者；这里，使用IPv4，ping主机5次，结果可以读取。
创建一个BPF_MAP_TYPE_ARRAY类型的map。
使用eBPF指令集进行编程，指令存放在prog中。关于这些指令代码的阅读，见下一节。
将这些指令加载到内核中，指令程序的类型为BPF_PROG_TYPE_SOCKET_FILTER。
open_raw_sock返回一个原生套接字。通过该套接字，可以直接读取lo网络接口数据链路层的数据。
附加eBPF程序到套接字(用作过滤器)。
打印map中的一些信息。

/* eBPF example program:* - creates arraymap in kernel with key 4 bytes and value 8 bytes** - loads eBPF program:*   r0 = skb->data[ETH_HLEN + offsetof(struct iphdr, protocol)];*   *(u32*)(fp - 4) = r0;*   // assuming packet is IPv4, lookup ip->proto in a map*   value = bpf_map_lookup_elem(map_fd, fp - 4);*   if (value)*        (*(u64*)value) += 1;** - attaches this program to loopback interface "lo" raw socket** - every second user space reads map[tcp], map[udp], map[icmp] to see*   how many packets of given protocol were seen on "lo"*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include <linux/bpf.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <linux/if_ether.h>
#include <linux/ip.h>
#include <stddef.h>
#include <bpf/bpf.h>
#include "bpf_insn.h"
#include "sock_example.h"char bpf_log_buf[BPF_LOG_BUF_SIZE];static int test_sock(void)
{int sock = -1, map_fd, prog_fd, i, key;long long value = 0, tcp_cnt, udp_cnt, icmp_cnt;map_fd = bpf_create_map(BPF_MAP_TYPE_ARRAY, sizeof(key), sizeof(value),256, 0);if (map_fd < 0) {printf("failed to create map '%s'\n", strerror(errno));goto cleanup;}struct bpf_insn prog[] = {BPF_MOV64_REG(BPF_REG_6, BPF_REG_1),BPF_LD_ABS(BPF_B, ETH_HLEN + offsetof(struct iphdr, protocol) /* R0 = ip->proto */),BPF_STX_MEM(BPF_W, BPF_REG_10, BPF_REG_0, -4), /* *(u32 *)(fp - 4) = r0 */BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -4), /* r2 = fp - 4 */BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_1, map_fd),BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),BPF_JMP_IMM(BPF_JEQ, BPF_REG_0, 0, 2),BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_1, 1), /* r1 = 1 */BPF_RAW_INSN(BPF_STX | BPF_XADD | BPF_DW, BPF_REG_0, BPF_REG_1, 0, 0), /* xadd r0 += r1 */BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_0, 0), /* r0 = 0 */BPF_EXIT_INSN(),};size_t insns_cnt = sizeof(prog) / sizeof(struct bpf_insn);prog_fd = bpf_load_program(BPF_PROG_TYPE_SOCKET_FILTER, prog, insns_cnt,"GPL", 0, bpf_log_buf, BPF_LOG_BUF_SIZE);if (prog_fd < 0) {printf("failed to load prog '%s'\n", strerror(errno));goto cleanup;}sock = open_raw_sock("lo");if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_BPF, &prog_fd,sizeof(prog_fd)) < 0) {printf("setsockopt %s\n", strerror(errno));goto cleanup;}for (i = 0; i < 10; i++) {key = IPPROTO_TCP;assert(bpf_map_lookup_elem(map_fd, &key, &tcp_cnt) == 0);key = IPPROTO_UDP;assert(bpf_map_lookup_elem(map_fd, &key, &udp_cnt) == 0);key = IPPROTO_ICMP;assert(bpf_map_lookup_elem(map_fd, &key, &icmp_cnt) == 0);printf("TCP %lld UDP %lld ICMP %lld packets\n",tcp_cnt, udp_cnt, icmp_cnt);sleep(1);}cleanup:/* maps, programs, raw sockets will auto cleanup on process exit */return 0;
}int main(void)
{FILE *f;f = popen("ping -4 -c5 localhost", "r");(void)f; //为什么代码中有这一行？return test_sock();
}

eBPF指令编程代码阅读

我们把这部分代码领出来，单独阅读下。

我在下面的连续的指令中，联系连续指令的上下文，注释了这些指令的含义。

在后续的内容中，逐个解释指令的含义，由于的单个指令，只解释其含义(不联系上下文解释其作用)。

 struct bpf_insn prog[] = {BPF_MOV64_REG(BPF_REG_6, BPF_REG_1), /* R6 = R1*/ /* R6指向数据包地址 */BPF_LD_ABS(BPF_B, ETH_HLEN + offsetof(struct iphdr, protocol) /* R0 = ip->proto */), /*R6作为隐式输入，R0作为隐式输出。结果R0报错IP协议值*/BPF_STX_MEM(BPF_W, BPF_REG_10, BPF_REG_0, -4), /* *(u32 *)(fp - 4) = r0 */ /* 将协议值保存在栈中*/BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10), /*R10只读寄存器，指向栈帧。复制一份到R2中*/BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -4), /* r2 = fp - 4 */ /* 内核bpf_map_lookup_elem函数的第二个参数key的内存地址放在R2中 */BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_1, map_fd), /* 内核bpf_map_lookup_elem函数的第一个参数map_fd放在R1中 */BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem), /* 函数的返回值为value所在内存的地址，放在R0寄存器中*/BPF_JMP_IMM(BPF_JEQ, BPF_REG_0, 0, 2), /* 如果返回的内存地址为0，则向下跳两个指令 */BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_1, 1), /* r1 = 1 */BPF_RAW_INSN(BPF_STX | BPF_XADD | BPF_DW, BPF_REG_0, BPF_REG_1, 0, 0), /* xadd r0 += r1 */ /* value的值加一；结果R0存储1，R1存储value地址 */BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_0, 0), /* r0 = 0 */BPF_EXIT_INSN(), /* R0作为返回值，返回零 */};

下面我们对上面代码逐行指令进行分享：

第一条指令

/* Short form of mov, dst_reg = src_reg */#define BPF_MOV64_REG(DST, SRC)           \((struct bpf_insn) {                    \.code  = BPF_ALU64 | BPF_MOV | BPF_X, \.dst_reg = DST,                       \.src_reg = SRC,                       \.off     = 0,                         \.imm     = 0 })

可以看到，这条指令是将源寄存器R1的值移动到R6寄存器中。其中，R1指向数据包的起始地址。

第二条指令

/* Direct packet access, R0 = *(uint *) (skb->data + imm32) */#define BPF_LD_ABS(SIZE, IMM)                     \((struct bpf_insn) {                            \.code    = BPF_LD | BPF_SIZE(SIZE) | BPF_ABS, \.dst_reg = 0,                                 \.src_reg = 0,                                 \.off     = 0,                                 \.imm     = IMM })

在加载和存储指令中，寄存器 R6 是一个隐式输入，寄存器 R0 是一个隐式输出。(？我要这 dst_reg 和 src_reg 有何用？)

可以需要明白数据包的格式，可以参考：MAC首部、IP首部、TCP首部 介绍。

根据偏移量，读取IP协议类型，例如，TCP 的协议号为 6，UDP 的协议号为 17，ICMP 的协议号为 1。其中，协议字段占8位。

所以，这条指令表示，将 IP 协议放入 R0 寄存器。

第三条指令

/* Memory store, *(uint *) (dst_reg + off16) = src_reg */#define BPF_STX_MEM(SIZE, DST, SRC, OFF)         \((struct bpf_insn) {                           \.code  = BPF_STX | BPF_SIZE(SIZE) | BPF_MEM, \.dst_reg = DST,                              \.src_reg = SRC,                              \.off     = OFF,                              \.imm     = 0 })

R10是唯一的只读寄存器，包含用于访问 BPF 堆栈空间的帧指针地址。(关于栈帧结构可以参考：gdb调试之栈帧信息)

所以这里，将R0寄存器中的内容(上一步保存了协议类型)，保存到栈中。需要注意的是，这里是 BPF_W，只保存了 R0寄存器中的第32位。

第四条指令

因为栈向下生长了。所以这里使用了 R2寄存器指向栈顶。

至于 BPF_ALU64_IMM 的宏展开，这里不列出了，自行在 samples/bpf/bpf_insn.h 中查看。

这些宏展开数字在 include/uapi/linux/bpf.h 中查看。

这样，上面的指令展开，便是一个64位的二进制数，是不是很神奇~

第五条指令

这条指令比较有意思，我们看下。

/* BPF_LD_IMM64 macro encodes single 'load 64-bit immediate' insn */#define BPF_LD_IMM64(DST, IMM)           \BPF_LD_IMM64_RAW(DST, 0, IMM)#define BPF_LD_IMM64_RAW(DST, SRC, IMM)  \((struct bpf_insn) {                   \.code    = BPF_LD | BPF_DW | BPF_IMM,\.dst_reg = DST,                      \.src_reg = SRC,                      \.off     = 0,                        \.imm     = (__u32) (IMM) }),         \((struct bpf_insn) {                   \.code    = 0,                        \.dst_reg = 0,                        \.src_reg = 0,                        \.off     = 0,                        \.imm     = ((__u64) (IMM)) >> 32 })#ifndef BPF_PSEUDO_MAP_FD
# define BPF_PSEUDO_MAP_FD 1
#endif/* pseudo BPF_LD_IMM64 insn used to refer to process-local map_fd */
#define BPF_LD_MAP_FD(DST, MAP_FD)    \BPF_LD_IMM64_RAW(DST, BPF_PSEUDO_MAP_FD, MAP_FD)

可以看到，这条指令是将 map_fd 的值，保存到R1寄存器中。这时候，我们可能会好奇，这中间有 src_reg 什么事情？

上面我们可以看到，如果只是单纯将一个立即数保存到寄存器中，则 src_reg=0；如果这个立即数表示是一个 map_fd，则则 src_reg=1；

这样我们便可以区分指令中的立即数是否表示一个 map_fd。后面 replace_map_fd_with_map_ptr 函数会用到这个性质。

另外我试着组合了下 .code = 0；.code = BPF_LD | BPF_W | BPF_IMM。这确实没有含义？

第六条指令

/* Raw code statement block */#define BPF_RAW_INSN(CODE, DST, SRC, OFF, IMM)  \((struct bpf_insn) {                          \.code    = CODE,                            \.dst_reg = DST,                             \.src_reg = SRC,                             \.off     = OFF,                             \.imm     = IMM })

其中BPF_FUNC_map_lookup_elem的宏展开为1。至于跳转到1的位置，在verifier后是bpf_map_lookup_elem这个函数，则是后续的问题了。可以参考：fixup_bpf_calls

这里，可以从宏的名称看出是是跳转到bpf_map_lookup_elem函数位置。

第七条指令

/* Conditional jumps against immediates, if (dst_reg 'op' imm32) goto pc + off16 */#define BPF_JMP_IMM(OP, DST, IMM, OFF)     \((struct bpf_insn) {                     \.code  = BPF_JMP | BPF_OP(OP) | BPF_K, \.dst_reg = DST,                        \.src_reg = 0,                          \.off     = OFF,                        \.imm     = IMM })

这条指令表示，R0寄存器等于0，则向下跳过两个指令。

R0寄存器这里存储的是协议号，根据 IP 协议号列表可知，但 IP 数据包中的协议为 “IPv6逐跳选项”，则向下跳过两个指令。

第八条指令

xadd - 交换相加。

第九条指令

R0是包含 BPF 程序退出值的寄存器，设置返回值 R0=0。

第十条指令

/* Program exit */#define BPF_EXIT_INSN()                  \((struct bpf_insn) {                 \.code  = BPF_JMP | BPF_EXIT,     \.dst_reg = 0,                    \.src_reg = 0,                    \.off     = 0,                    \.imm     = 0 })

运行这个程序

如果你想运行下这个程序，可以拉下源码，然后编译运行下。

拉取当前linux内核版本对应的源码，可以参考：ubuntu获取源码方式

$ sudo apt source linux

接着编译下sample/bpf目录下的bpf程序，可以参考：运行第一个bpf程序

$ make M=samples/bpf

运行程序，输出如下。(PS：我的lo在转发浏览器数据)（ping一次发送四个ICMP包？）

➜  bpf sudo ./sock_example
TCP 0 UDP 0 ICMP 0 packets
TCP 28 UDP 0 ICMP 4 packets
TCP 60 UDP 0 ICMP 4 packets
TCP 100 UDP 0 ICMP 8 packets
TCP 134 UDP 0 ICMP 12 packets
TCP 166 UDP 0 ICMP 16 packets
TCP 228 UDP 0 ICMP 16 packets
TCP 302 UDP 0 ICMP 16 packets
TCP 334 UDP 0 ICMP 16 packets
TCP 366 UDP 0 ICMP 16 packets