BPF 技術已成為現代系統和網路管理中不可或缺的一部分。從最初的封包過濾功能，演變至今已成為一個功能強大的程式設計框架。它允許開發者在作業系統核心執行自定義程式碼，從而提升網路效能、增強安全性，並提供更精細的系統監控能力。XDP（eXpress Data Path）則進一步強化了 BPF 在網路封包處理方面的效能，允許在網路介面卡上直接處理封包，大幅降低延遲。Seccomp 則利用 BPF 限制系統呼叫，提升系統安全性。這些技術的結合，使得 BPF 成為一個多功能且高效的工具，廣泛應用於網路封包過濾、系統監控、安全防護等領域。
BPF_TABLE 宏
BPF_TABLE 宏是一種用於定義 BPF 表格的方法，例如 bpf_table 宏可以用於定義一個 BPF 表格。
bpf_tail_call 函式
bpf_tail_call 函式是一種用於實作 BPF 程式尾部呼叫的方法，可以用於實作 BPF 程式之間的呼叫。
bpf_trace_printk 函式
bpf_trace_printk 函式是一種用於在 BPF 程式中輸出除錯資訊的方法，可以用於除錯 BPF 程式。
BPF Type Format (BTF)
BPF Type Format (BTF) 是一種用於描述 BPF 程式中資料結構的格式，可以用於 annotating BPF 地圖（map）以提供更多的資訊。
annotating 地圖以 BTF
可以使用 BTF 來 annotating BPF 地圖，以提供更多的資訊，例如資料結構的定義。
顯示 BTF 資訊
可以使用 bpftool 來顯示 BTF 資訊，例如使用 btf 子命令來顯示 BTF 資訊。
busy polling 模式（XDP）
busy polling 模式是一種 XDP（Express Data Path）模式，可以用於提高網路傳輸效率。
C 語言
C 語言是一種常用的程式設計語言，可以用於開發 BPF 程式。
annotating C 型別以 BTF
可以使用 BTF 來 annotating C 型別，以提供更多的資訊，例如資料結構的定義。
BPF 程式在 Traffic Control 中的應用
BPF 程式可以用於 Traffic Control 中，例如實作網路流量控制和監控。
Python 轉換為 C 型別
可以使用 ctypes 函式庫來將 Python 型別轉換為 C 型別。
能力（capabilities）
能力是一種 Linux 中的安全機制，可以用於限制程式的許可權。
ambient 能力
ambient 能力是一種能力，可以用於限制程式的許可權。
capsh（capability shell wrapper）
capsh 是一種 shell wrapper，可以用於設定能力。
CAP_NET_BIND_SERVICE 能力
CAP_NET_BIND_SERVICE 能力是一種能力，可以用於限制程式的網路繫結許可權。
Seccomp 和能力
Seccomp 是一種 Linux 中的安全機制，可以用於限制程式的系統呼叫，能力可以用於限制 Seccomp 的許可權。
容器執行時和能力
容器執行時可以使用能力來限制容器的許可權。
cBPF（classic BPF）
cBPF 是一種舊的 BPF 實作，可以用於實作 BPF 程式。
cgroup array 地圖
cgroup array 地圖是一種 BPF 地圖，可以用於儲存 cgroup 資訊。
cgroup device 程式
cgroup device 程式是一種 BPF 程式，可以用於實作 cgroup device 功能。
cgroup open socket 程式
cgroup open socket 程式是一種 BPF 程式，可以用於實作 cgroup open socket 功能。
cgroup socket address 程式
cgroup socket address 程式是一種 BPF 程式，可以用於實作 cgroup socket address 功能。
cgroup socket 程式
cgroup socket 程式是一種 BPF 程式，可以用於實作 cgroup socket 功能。
cgroup storage 地圖
cgroup storage 地圖是一種 BPF 地圖，可以用於儲存 cgroup 資訊。
cgroups
cgroups 是一種 Linux 中的資源管理機制，可以用於限制程式的資源使用。
BPF 程式設計與應用
什麼是 BPF？
BPF（Berkeley Packet Filter）是一種原始的封包過濾技術，最初用於 BSD 系統。然而，近年來，BPF 已經演變成了一種強大的程式設計框架，允許開發人員在 Linux 核心中執行自定義程式。
BPF 的應用
BPF 的應用範圍非常廣泛，包括：
- 網路封包過濾：BPF 可以用於過濾和操控網路封包，例如實作防火牆或流量控制。
- 系統監控：BPF 可以用於監控系統的效能和活動，例如追蹤系統呼叫或記錄系統事件。
- 安全性：BPF 可以用於實作安全性功能，例如防止非法存取或檢測惡意行為。
BPF 程式設計工具
有幾種工具可以用於 BPF 程式設計，包括：
- BPF Compiler Collection (BCC)：BCC 是一個 BPF 程式設計框架，提供了一系列工具和函式庫，用於開發和執行 BPF 程式。
- BPFTool：BPFTool 是一個命令列工具，允許開發人員載入、執行和檢查 BPF 程式。
- clang：clang 是一個編譯器，支援 BPF 程式設計，可以用於編譯 BPF 程式。
BPF 程式設計語言
BPF 程式設計語言是一種低階別的程式設計語言，類別似於 C 語言。它提供了一系列指令和函式庫，用於開發 BPF 程式。
BPF 程式設計流程
BPF 程式設計流程通常包括以下步驟：
- 設計 BPF 程式：根據需求和目標，設計 BPF 程式的架構和邏輯。
- 編譯 BPF 程式：使用 clang 或其他編譯器編譯 BPF 程式。
- 載入 BPF 程式：使用 BPFTool 或其他工具載入編譯好的 BPF 程式到 Linux 核心中。
- 執行 BPF 程式：BPF 程式會在 Linux 核心中執行，根據設計的邏輯進行處理和操作。
BPF 程式設計範例
以下是使用 BPFTool 載入和執行 BPF 程式的範例：
// 定義 BPF 程式
struct bpf_prog {
//...
};
// 載入 BPF 程式
int bpf_prog_load(struct bpf_prog *prog) {
//...
}
// 執行 BPF 程式
int bpf_prog_run(struct bpf_prog *prog) {
//...
}
# 載入 BPF 程式
bpf_tool load bpf_prog.o
# 執行 BPF 程式
bpf_tool run bpf_prog.o
瞭解 Linux 網路封包處理：eBPF 和 XDP
Linux 網路封包處理是一個複雜的主題，涉及多個層面和技術。其中，eBPF (extended Berkeley Packet Filter) 和 XDP (Express Data Path) 是兩個重要的概念。
eBPF 簡介
eBPF 是一個在 Linux 核心中執行的沙盒環境，允許使用者定義的程式碼在核心中執行。它最初被設計用於封包過濾，但現在已經擴充套件到支援更多功能，包括網路監控、安全性和效能最佳化。
XDP 簡介
XDP 是一個高效能的網路封包處理框架，允許使用者定義的程式碼在網路介面卡 (NIC) 上執行。它提供了一種快速和靈活的方式來處理網路封包，尤其是在高流量的情況下。
eBPF 和 XDP 的關係
eBPF 和 XDP 之間有著密切的關係。eBPF 提供了一個沙盒環境，允許使用者定義的程式碼在核心中執行，而 XDP 則提供了一個高效能的網路封包處理框架。兩者可以一起使用，以實作高效能和安全的網路封包處理。
使用 eBPF 和 XDP 的優點
使用 eBPF 和 XDP 有幾個優點：
- 高效能：eBPF 和 XDP 可以提供高效能的網路封包處理，尤其是在高流量的情況下。
- 靈活性：eBPF 和 XDP 允許使用者定義的程式碼在核心中執行，這提供了一種高度的靈活性和自定義能力。
- 安全性：eBPF 和 XDP 可以提供安全的網路封包處理，透過使用沙盒環境和存取控制機制。
使用 eBPF 和 XDP 的應用場景
eBPF 和 XDP 可以應用於多個場景，包括：
- 網路監控：eBPF 和 XDP 可以用於監控網路流量和封包處理。
- 安全性：eBPF 和 XDP 可以用於實作網路安全功能，例如防火牆和入侵檢測。
- 效能最佳化：eBPF 和 XDP 可以用於最佳化網路效能，例如透過調整封包處理和流量控制。
圖表翻譯：
graph LR
A[eBPF] -->|提供沙盒環境|> B[XDP]
B -->|高效能網路封包處理|> C[應用場景]
C -->|網路監控|> D[安全性]
C -->|效能最佳化|> E[自定義]
D -->|防火牆|> F[入侵檢測]
E -->|調整封包處理|> G[流量控制]
這個圖表展示了 eBPF 和 XDP 之間的關係，以及它們可以應用於哪些場景。
網路封包過濾技術
在網路通訊中，封包過濾是一項重要的技術，能夠根據預先設定的規則對網路流量進行控制和管理。BPF（Berkeley Packet Filter）是一種廣泛使用的封包過濾技術，能夠在網路介面、網路協定和應用層面進行封包過濾。
BPF 的工作原理
BPF 的工作原理是透過在網路介面或網路協定中插入一個篩選器，該篩選器能夠根據預先設定的規則對透過的封包進行過濾。BPF 篩選器是一個小型的程式，能夠執行在網路介面或網路協定中，對透過的封包進行檢查和控制。
BPF 的應用
BPF 的應用包括：
- 網路安全：BPF 能夠用於實作網路防火牆、入侵檢測和防禦等安全功能。
- 網路最佳化：BPF 能夠用於最佳化網路流量，改善網路效能和效率。
- 網路監控：BPF 能夠用於監控網路流量，實作網路流量分析和統計。
XDP 的介紹
XDP（eXpress Data Path）是一種根據 BPF 的網路封包處理技術，能夠在網路介面中直接處理封包，無需將封包複製到使用者空間。XDP 的優點包括：
- 低延遲：XDP 能夠在網路介面中直接處理封包，減少了封包處理的延遲。
- 高效能：XDP 能夠利用網路介面的硬體資源，實作高效能的封包處理。
Seccomp 的介紹
Seccomp（Secure Computing）是一種根據 BPF 的系統呼叫過濾技術，能夠限制系統呼叫的許可權和存取。Seccomp 的優點包括：
- 提高安全性：Seccomp 能夠限制系統呼叫的許可權和存取，提高系統的安全性。
- 減少攻擊面：Seccomp 能夠減少系統攻擊面的大小，降低系統被攻擊的風險。
Kubernetes 節點檢查工具：kubectl-trace
kubectl-trace 是一個用於檢查 Kubernetes 節點的工具，允許使用者檢視節點的執行情況。該工具可以用於安裝、檢查節點的狀態等。
安裝 kubectl-trace
要使用 kubectl-trace，首先需要安裝它。安裝過程相對簡單，只需執行幾個命令即可完成。
libbpf 和 libpcap
libbpf 和 libpcap 是兩個重要的函式庫，分別用於 BPF 程式的開發和封包捕捉。libbpf 提供了 BPF 程式的開發介面，而 libpcap 則提供了封包捕捉的功能。
Linux Security Modules (LSM) 框架
LSM 框架是一個 Linux 的安全模組框架，提供了一個標準的介面，用於開發安全相關的模組。BPF LSM hooks 是 LSM 框架的一部分，提供了 BPF 程式與 LSM 之間的介面。
BPF 地圖 (Maps)
BPF 地圖是 BPF 程式中的一個重要概念，提供了一種儲存和管理資料的方式。BPF 地圖可以用於儲存各種資料，例如封包計數、連線資訊等。
BPF 地圖型別
BPF 提供了多種地圖型別，包括陣列地圖、雜湊表地圖、LPM trie 地圖等。每種地圖型別都有其特點和用途，例如陣列地圖適合用於儲存固定大小的資料，而雜湊表地圖則適合用於儲存變動大小的資料。
BPF 地圖操作
BPF 地圖提供了多種操作，包括建立、刪除、查詢和更新。使用者可以使用這些操作來管理 BPF 地圖中的資料。
Perf 事件陣列地圖
Perf 事件陣列地圖是一種特殊的地圖型別，提供了一種方式，用於儲存 Perf 事件相關的資料。Perf 事件是 Linux 中的一種效能監控機制，提供了一種方式，用於監控系統的效能。
堆疊追蹤地圖
堆疊追蹤地圖是一種特殊的地圖型別，提供了一種方式，用於儲存函式呼叫堆積疊相關的資料。該地圖可以用於分析程式的執行流程和效能瓶頸。
BPF 虛擬檔案系統
BPF 虛擬檔案系統是一個虛擬的檔案系統，提供了一種方式，用於儲存和管理 BPF 相關的資料。該檔案系統提供了一種標準的介面，用於存取 BPF 地圖和其他資料。
XDP 和 iproute2
XDP (Express Data Path) 是一個 Linux 的網路處理框架，提供了一種方式，用於加速網路封包處理。iproute2 是一個 Linux 的網路工具套件，提供了一種方式，用於管理和組態網路介面。XDP 和 iproute2 可以一起使用，用於實作高效的網路處理和封包轉發。
網路封包處理與 BPF
在 Linux 網路系統中，BPF（Berkeley Packet Filter）是一種強大的工具，能夠實作網路封包過濾、監控和分析。BPF 可以用於監控網路流量、過濾特定封包以及實作安全防護。
BPF 與網路封包過濾
BPF 可以用於網路封包過濾，透過設定 BPF 程式來過濾特定封包。例如，可以使用 BPF 來過濾掉來自特定 IP 地址或埠號的封包。
tcpdump 與 BPF 表示式
tcpdump 是一個常用的網路封包分析工具，它可以用於捕捉和分析網路封包。BPF 表示式可以用於指定要捕捉的封包型別。例如，以下命令可以用於捕捉所有 TCP 封包：
tcpdump -n 'tcp'
BPF 程式
BPF 程式可以用於實作更複雜的網路封包過濾邏輯。例如，以下 BPF 程式可以用於過濾掉來自特定 IP 地址的封包：
#include <linux/bpf.h>
int bpf_prog(struct xdp_md *ctx) {
void *data = (void *)(long)ctx->data;
void *data_end = (void *)(long)ctx->data_end;
struct ethhdr *eth = data;
struct iphdr *iph = data + sizeof(*eth);
if (iph->saddr == 0x01010101) { // 過濾掉來自 1.1.1.1 的封包
return XDP_DROP;
}
return XDP_PASS;
}
XDP 與網路封包處理
XDP（eXpress Data Path）是一種 Linux 網路子系統，它可以用於實作高效能的網路封包處理。XDP 可以用於監控網路流量、過濾特定封包以及實作安全防護。
XDP 操作模式
XDP 有三種操作模式：
- Generic XDP：這是 XDP 的預設操作模式，它可以用於監控網路流量和過濾特定封包。
- Native XDP：這種操作模式可以用於實作高效能的網路封包處理，它可以直接存取網路介面卡。
- Offloaded XDP：這種操作模式可以用於將 XDP 程式 offload 到網路介面卡上，從而實作更高的效能。
XDP 封包處理器
XDP 封包處理器是一種特殊的 BPF 程式，它可以用於實作高效能的網路封包處理。XDP 封包處理器可以用於監控網路流量、過濾特定封包以及實作安全防護。
以下是 XDP 封包處理器的一個例子：
#include <linux/bpf.h>
int xdp_prog(struct xdp_md *ctx) {
void *data = (void *)(long)ctx->data;
void *data_end = (void *)(long)ctx->data_end;
struct ethhdr *eth = data;
struct iphdr *iph = data + sizeof(*eth);
if (iph->protocol == 6) { // 只允許 TCP 封包透過
return XDP_PASS;
}
return XDP_DROP;
}
這個 XDP 封包處理器可以用於過濾掉非 TCP 封包，從而實作簡單的安全防護。
BPF 程式設計與應用
介紹
BPF（Berkeley Packet Filter）是一種高效能的程式設計框架，允許開發人員在 Linux 核心中執行自定義的程式碼。BPF 程式可以用於各種應用，包括網路封包過濾、系統監控和安全性。
BPF 程式型別
BPF 程式有多種型別，包括：
- 通訊端過濾程式（Socket Filter Programs）：用於過濾網路封包。
- tracepoint 程式（Tracepoint Programs）：用於監控系統事件。
- kprobe 程式（Kprobe Programs）：用於監控核心函式。
- uprobes 程式（Uprobes Programs）：用於監控使用者空間應用程式。
BPF 程式設計
BPF 程式設計涉及到以下步驟：
- 定義 BPF 程式：使用 C 語言定義 BPF 程式。
- 編譯 BPF 程式：使用
clang編譯 BPF 程式。 - 載入 BPF 程式：使用
bpf載入 BPF 程式到核心中。 - 執行 BPF 程式：使用
bpf執行 BPF 程式。
BPF 程式應用
BPF 程式有多種應用，包括：
- 網路封包過濾：使用 BPF 通訊端過濾程式過濾網路封包。
- 系統監控：使用 BPF tracepoint 程式監控系統事件。
- 安全性：使用 BPF kprobe 程式監控核心函式。
內容解密
上述內容介紹了 BPF 程式設計的基本概念和應用。BPF 程式設計涉及到定義、編譯、載入和執行 BPF 程式。BPF 程式有多種型別，包括通訊端過濾程式、tracepoint 程式、kprobe 程式和 uprobes 程式。透過使用 BPF 程式設計，開發人員可以建立高效能和安全的應用程式。
flowchart TD
A[定義 BPF 程式] --> B[編譯 BPF 程式]
B --> C[載入 BPF 程式]
C --> D[執行 BPF 程式]
圖表翻譯
上述圖表展示了 BPF 程式設計的流程。圖表從左到右展示了定義、編譯、載入和執行 BPF 程式的步驟。透過這個流程，開發人員可以建立高效能和安全的應用程式。
Python 在網路封包處理中的應用
Python 是一種高階語言，廣泛應用於各個領域，包括網路封包處理。在這個領域中，Python 可以用於開發工具和應用程式，以便更有效地處理和分析網路封包。
從技術架構視角來看，BPF 技術的應用已深入到 Linux 核心網路堆積疊的各個層面，從 XDP 到 TC，再到通訊端過濾，BPF 提供了前所未有的可程式設計性和靈活性。分析 BPF eBPF 和 cBPF 的發展歷程，可以發現 eBPF 極大地擴充套件了 BPF 的應用範圍，使其不再侷限於網路封包過濾，更深入到系統追蹤、安全控制等領域。然而，BPF 程式設計的複雜性和對核心版本的依賴性仍然是其發展的限制因素，需要更多高階抽象和工具鏈的支援。展望未來，BPF 技術與 Kubernetes、容器執行時等雲原生技術的深度整合將是大勢所趨，BPF 有望成為雲原生環境下重要的可觀測性和安全控制基礎設施。玄貓認為，深入理解 BPF 技術原理和應用場景，對於構建高效能、安全可靠的現代化應用至關重要。
