Linux BPF 程式設計入門與進階應用

– 15 分鐘閱讀

BPF 技術已成為 Linux 核心開發和網路程式設計的重要工具，其應用範圍涵蓋效能分析、網路安全、流量控制等多個領域。本文從 BPF 的基本概念出發，逐步深入探討不同型別的 BPF 程式及其應用場景，並解析 BPF 地圖操作、XDP 等進階主題，最後結合 Kubernetes 和網路安全等實際案例，展現 BPF 的強大功能和靈活性。理解這些核心概念和技術細節，有助於開發者更好地運用 BPF 技術提升系統效能和安全性。

##玄貓的BPF程式設計入門

什麼是BPF？

在Linux核心中，BPF（Berkeley Packet Filter）是一種強大的技術，允許開發人員在核心空間中執行小型程式。這些程式可以用於各種任務，例如封包過濾、網路監控和系統效能分析。

BPF程式型別

BPF程式有多種型別，每種型別都有其特定的用途：

  • Socket過濾程式：這類別程式可以在網路socket上執行，允許開發人員過濾或修改封包。
  • Kprobe程式：這類別程式可以在核心函式中執行，允許開發人員監控和分析系統的行為。
  • Tracepoint程式：這類別程式可以在特定的核心事件中執行，允許開發人員收集系統的效能資料。
  • XDP程式：這類別程式可以在網路介面卡上執行，允許開發人員在最低層級上過濾或修改封包。
  • Perf事件程式：這類別程式可以在系統的效能事件中執行，允許開發人員收集系統的效能資料。
  • Cgroup socket程式：這類別程式可以在控制群組（cgroup）中執行，允許開發人員管理和監控系統的資源。
  • Cgroup開啟socket程式：這類別程式可以在控制群組中開啟socket，允許開發人員管理和監控系統的資源。
  • Socket選項程式：這類別程式可以在socket上設定選項，允許開發人員自訂socket的行為。
  • Socket對映程式：這類別程式可以在socket上建立對映，允許開發人員管理和監控系統的資源。
  • Cgroup裝置程式：這類別程式可以在控制群組中管理裝置，允許開發人員管理和監控系統的資源。
  • Socket訊息傳遞程式：這類別程式可以在socket上傳遞訊息，允許開發人員管理和監控系統的資源。

執行BPF程式

要執行BPF程式，開發人員需要使用特定的工具和技術。首先，需要編譯BPF程式並將其載入核心空間。然後，可以使用特定的API或工具來執行BPF程式。

內容解密：

以上內容簡要介紹了BPF程式設計的基礎知識，並提供了各種BPF程式型別的概覽。透過學習BPF程式設計，開發人員可以更好地理解Linux核心的工作原理，並開發出更高效、更安全的應用程式。

  flowchart TD
    A[開始] --> B[瞭解BPF]
    B --> C[學習BPF程式設計]
    C --> D[實作BPF功能]
    D --> E[最佳化應用程式]

圖表翻譯：

此圖示展示了學習BPF程式設計的流程。首先，需要了解BPF的基礎知識。然後，可以學習BPF程式設計並實作各種功能。最後，可以最佳化應用程式以提高效率和安全性。

  flowchart TD
    A[開始] --> B[編譯BPF程式]
    B --> C[載入核心空間]
    C --> D[執行BPF程式]
    D --> E[監控和分析]

圖表翻譯：

此圖示展示了執行BPF程式的流程。首先，需要編譯BPF程式並將其載入核心空間。然後，可以執行BPF程式並監控和分析其結果。

BPF 程式設計基礎

在深入探討 BPF 程式設計之前，瞭解其基礎知識是非常重要的。BPF（Berkeley Packet Filter）是一種用於 Linux 的高效能網路封包過濾技術，但其應用已經遠遠超出了原始的網路封包過濾，現在被廣泛用於系統監控、安全性和效能最佳化等領域。

BPF 程式型別

BPF 程式可以分為多種型別，每種型別都有其特定的應用場景：

  1. Raw Tracepoint 程式: 這類別程式用於捕捉和處理原始的系統事件，例如系統呼叫、函式呼叫等。
  2. Cgroup Socket Address 程式: 這類別程式與控制群組（Cgroup）相關，控制群組是一種用於限制和監控系統資源使用的機制。
  3. Socket Reuseport 程式: 這類別程式用於實作 socket 重新使用，提高網路服務的可擴充套件性和可靠性。
  4. Flow Dissection 程式: 這類別程式用於分析和處理網路流量，能夠對網路封包進行深度分析。
  5. 其他 BPF 程式: 還有許多其他型別的 BPF 程式，例如用於安全性、效能監控等方面的應用。

BPF 驗證器

BPF 驗證器是一個非常重要的工具，用於檢查 BPF 程式的正確性和安全性。它能夠確保 BPF 程式不會導致系統當機或產生安全漏洞。

BPF 型別格式

BPF 型別格式是用於定義 BPF 程式的結構和內容的。它包括了對 BPF 程式的各個部分進行描述，例如程式的入口點、資料結構等。

BPF Tail Calls

BPF Tail Calls 是一種最佳化技術，用於減少 BPF 程式呼叫時的開銷。它允許 BPF 程式直接跳轉到另一個 BPF 程式的末尾，而不需要傳回到呼叫者。

BPF Maps

BPF Maps 是一種資料結構，用於在 BPF 程式中儲存和管理資料。它提供了一種高效的方式來存取和更新資料，並且能夠被多個 BPF 程式分享。

建立 BPF Maps

建立 BPF Maps 需要按照特定的規則和步驟進行。首先，需要定義 Map 的結構和內容，然後才能建立 Map 例項。

ELF 規約

ELF（Executable and Linkable Format）規約是用於定義 BPF 程式的二進位制格式的。它包括了對 BPF 程式的各個部分進行描述，例如程式的入口點、資料結構等。

工作 với BFP Maps

工作與 BFP Maps 需要了解 Map 的結構和內容，以及如何存取和更新資料。它提供了一種高效的方式來管理資料，並且能夠被多個 BPF 程式分享。

更新 BPF Map 元素

更新 BPF Map 元素需要按照特定的規則和步驟進行。首先，需要找到要更新的元素，然後才能進行更新操作。

以上是對 BPF 程式設計基礎的簡要介紹，涵蓋了 BPF 程式型別、BPF 驗證器、BPF 型別格式、BPF Tail Calls 等知識點。同時，也介紹了 BPF Maps 的建立、工作原理和更新元素等內容。瞭解這些基礎知識對於深入學習 BPF 程式設計是非常重要的。

BPF 地圖操作與型別

BPF（Berkeley Packet Filter）地圖（Map）是一種重要的資料結構，允許使用者空間程式存取和操作核心空間的資料。瞭解如何操作和使用 BPF 地圖是開發高效能網路應用程式的關鍵。

從 BPF 地圖中讀取元素

從 BPF 地圖中讀取元素是透過特定的 API 函式實作的。這些函式允許開發人員根據鍵值從地圖中查詢和讀取對應的元素。讀取元素的過程涉及到提供鍵值並取得對應的值，這個過程需要確保地圖中存在所查詢的鍵值，以避免錯誤。

從 BPF 地圖中移除元素

移除 BPF 地圖中的元素是透過另一個特定的 API 函式完成的。這個函式允許開發人員根據鍵值從地圖中刪除對應的元素。移除元素需要小心，因為這可能會影響到其他部分的程式邏輯，特別是當多個元件依賴這些元素時。

遍歷 BPF 地圖中的元素

遍歷 BPF 地圖中的元素是透過迭代器或特定的 API 函式實作的。這允許開發人員存取地圖中的所有元素，並根據需要進行處理。遍歷過程需要注意地圖的大小和複雜度，以確保效率和正確性。

查詢和刪除元素

查詢和刪除元素是 BPF 地圖操作中的兩個重要方面。查詢元素允許開發人員確定地圖中是否存在特定的鍵值對，而刪除元素則可以根據鍵值移除不再需要的資料。這兩個操作需要仔細管理，以避免資料不一致和其他潛在問題。

並發存取地圖元素

並發存取是指多個程式或執行緒同時存取相同的資料結構。在 BPF 地圖的背景下，確保並發存取的安全性和效率至關重要。這通常透過鎖機制或其他同步技術實作，以防止資料損壞和確保一致性。

BPF 地圖型別

BPF 提供了多種地圖型別以滿足不同的需求，包括：

  • Hash-Table Maps：根據雜湊表的地圖，提供快速查詢和插入操作。
  • Array Maps：根據陣列的地圖，適合於索引密集的場景。
  • Program Array Maps：專門用於儲存程式陣列的地圖。
  • Perf Events Array Maps：用於效能事件資料的陣列地圖。
  • Per-CPU Hash Maps 和 Per-CPU Array Maps：為每個 CPU 核提供單獨的地圖例項，提高多核系統下的效能。
  • Stack Trace Maps：用於儲存堆積疊追蹤資訊的地圖。
  • Cgroup Array Maps：適用於控制組（cgroup）的陣列地圖。
  • LRU Hash and Per-CPU Hash Maps：實作了最少最近使用（LRU）策略的地圖，適合於需要根據存取頻率進行管理的資料。
  • LPM Trie Maps：長字首匹配（LPM） Trie 地圖，特別適合於路由表和字首匹配的應用。
  • Array of Maps 和 Hash of Maps：複合地圖型別，允許巢狀地圖結構，以支援更複雜的資料組織。
  • Device Map Maps：用於裝置對映的特殊地圖。
  • CPU Map Maps：與 CPU 相關的對映地圖。

每種地圖型別都有其特點和適用場景，選擇合適的地圖型別對於最佳化系統效能和簡化程式設計至關重要。

進階Linux網路與追蹤技術

網路對映技術

Linux網路對映技術是一種高效的資料儲存和查詢方法，尤其是在處理大量網路資料時。其中，Socket對映、Cgroup儲存對映和Per-CPU儲存對映是常見的實作方式。

Socket對映

Socket對映是一種根據陣列和雜湊表的資料結構，用於儲存和管理網路連線的Socket物件。這種對映方式可以實作高效的Socket查詢和管理，尤其是在處理大量網路連線時。

Cgroup儲存對映和Per-CPU儲存對映

Cgroup儲存對映和Per-CPU儲存對映是兩種不同的資料儲存和查詢方法。Cgroup儲存對映用於儲存和管理Cgroup相關的資料，而Per-CPU儲存對映則用於儲存和管理每個CPU核心的資料。這兩種對映方式可以實作高效的資料儲存和查詢，尤其是在處理大量資料時。

重新使用埠的Socket對映

重新使用埠的Socket對映是一種特殊的Socket對映方式，用於實作重新使用埠的功能。這種對映方式可以實作高效的Socket查詢和管理，尤其是在處理大量網路連線時。

佇列對映和堆積疊對映

佇列對映和堆積疊對映是兩種不同的資料結構，用於儲存和管理資料。佇列對映用於儲存和管理佇列相關的資料，而堆積疊對映則用於儲存和管理堆積疊相關的資料。這兩種對映方式可以實作高效的資料儲存和查詢，尤其是在處理大量資料時。

BPF虛擬檔案系統

BPF虛擬檔案系統是一種特殊的檔案系統，用於儲存和管理BPF相關的資料。這種檔案系統可以實作高效的資料儲存和查詢，尤其是在處理大量BPF資料時。

追蹤技術

追蹤技術是一種用於追蹤和分析系統行為的方法，尤其是在Linux系統中。其中，探針、核心探針、跟蹤點和使用者空間探針是常見的實作方式。

探針

探針是一種用於追蹤系統行為的方法，尤其是在Linux核心中。透過使用探針，可以實作高效的系統行為追蹤和分析。

核心探針

核心探針是一種特殊的探針，用於追蹤核心行為。這種探針可以實作高效的核心行為追蹤和分析，尤其是在處理核心相關的問題時。

跟蹤點

跟蹤點是一種用於追蹤系統行為的方法，尤其是在Linux系統中。透過使用跟蹤點，可以實作高效的系統行為追蹤和分析。

使用者空間探針

使用者空間探針是一種特殊的探針，用於追蹤使用者空間行為。這種探針可以實作高效的使用者空間行為追蹤和分析，尤其是在處理使用者空間相關的問題時。

使用者靜態定義跟蹤點

使用者靜態定義跟蹤點是一種特殊的跟蹤點，用於追蹤使用者空間行為。這種跟蹤點可以實作高效的使用者空間行為追蹤和分析，尤其是在處理使用者空間相關的問題時。

視覺化追蹤資料

視覺化追蹤資料是一種用於展示追蹤資料的方法，尤其是在Linux系統中。透過使用視覺化工具，可以實作高效的追蹤資料展示和分析。

火焰圖

火焰圖是一種特殊的視覺化工具，用於展示追蹤資料。這種工具可以實作高效的追蹤資料展示和分析，尤其是在處理複雜的系統行為時。

統計圖

統計圖是一種特殊的視覺化工具，用於展示追蹤資料。這種工具可以實作高效的追蹤資料展示和分析，尤其是在處理大量資料時。

Perf事件

Perf事件是一種特殊的視覺化工具，用於展示追蹤資料。這種工具可以實作高效的追蹤資料展示和分析，尤其是在處理系統效能相關的問題時。

BPF工具

BPF工具是一套用於管理和除錯BPF程式的軟體集合。它提供了一個命令列介面，允許使用者安裝、檢視和管理BPF程式。

BPFTool

BPFTool是一個用於管理BPF程式的工具。它提供了一個簡單的命令列介面，允許使用者安裝、檢視和管理BPF程式。

安裝

要安裝BPFTool，請執行以下命令：

sudo apt-get install bpf-tool
功能展示

BPFTool提供了多種功能，包括：

  • 顯示BPF程式的資訊
  • 檢視BPF程式的程式碼
  • 載入BPF程式到核心中

BPFTrace

BPFTrace是一個用於追蹤BPF程式的工具。它提供了一個簡單的命令列介面，允許使用者追蹤BPF程式的執行情況。

安裝

要安裝BPFTrace，請執行以下命令：

sudo apt-get install bpf-trace
語言參考

BPFTrace提供了一種簡單的語言，允許使用者定義追蹤條件和動作。

kubectl-trace

kubectl-trace是一個用於追蹤Kubernetes叢集中BPF程式的工具。它提供了一個簡單的命令列介面，允許使用者追蹤BPF程式的執行情況。

安裝

要安裝kubectl-trace，請執行以下命令：

sudo apt-get install kubectl-trace
內容解密：

上述內容介紹了BPF工具和技術的基本概念和使用方法。透過使用BPFTool、BPFTrace和kubectl-trace等工具，使用者可以更好地管理和除錯BPF程式，並最佳化系統的效能。

圖表翻譯：

下圖展示了BPF工具和技術的架構：

  graph LR
    A[BPFTool] -->|安裝|> B[核心]
    B -->|檢視|> C[BPF程式]
    C -->|載入|> D[核心]
    D -->|執行|> E[系統]
    E -->|監控|> F[BPFTrace]
    F -->|追蹤|> G[系統]
    G -->|最佳化|> H[系統]

上述圖表展示了BPF工具和技術的基本架構和流程。透過使用BPFTool、BPFTrace和kubectl-trace等工具，使用者可以更好地管理和除錯BPF程式，並最佳化系統的效能。

Kubernetes 節點檢查和 eBPF Exporter

在 Kubernetes 中，節點檢查是一個重要的維護任務。為了更好地瞭解節點的執行狀態，eBPF Exporter 是一個非常有用的工具。下面，我們將介紹如何安裝和使用 eBPF Exporter。

安裝 eBPF Exporter

要安裝 eBPF Exporter，首先需要確保您的系統支援 eBPF。然後，您可以使用以下命令安裝 eBPF Exporter：

git clone https://github.com/bpftool/eBPF-Exporter.git
cd eBPF-Exporter
make install

從 BPF 匯出指標

安裝完成後，您可以使用以下命令從 BPF 匯出指標：

ebpf_exporter -c /path/to/bpf_program.o

這將啟動 eBPF Exporter 並開始匯出指標。

Linux 網路和 BPF

Linux 網路和 BPF 是一個強大的組合。BPF 可以用於封包過濾、流量控制等多種用途。

BPF 和封包過濾

BPF 可以用於封包過濾。tcpdump 就是一個使用 BPF 的工具。下面是一個使用 tcpdump 和 BPF 表示式的例子：

tcpdump -i eth0 -n -s 0 -c 100 -W 100 'port 80'

這將捕捉 100 個來自 eth0 介面的 TCP 封包，並且只顯示目的埠為 80 的封包。

BPF-Based 流量控制分類別器

BPF-Based 流量控制分類別器是一個強大的工具，可以用於流量控制。下面是一個使用 cls_bpf 的例子：

#include <linux/bpf.h>

struct bpf_map_def SEC("maps") cls_bpf_map = {
   .type = BPF_MAP_TYPE_ARRAY,
   .key_size = sizeof(__u32),
   .value_size = sizeof(__u32),
   .max_entries = 1,
};

SEC("classifier")
int cls_bpf(struct __sk_buff *skb)
{
    // 流量控制邏輯
    return TC_ACT_OK;
}

這是一個簡單的流量控制分類別器，使用 cls_bpf 來定義流量控制邏輯。

Express Data Path

Express Data Path (XDP) 是一個高效能的網路處理框架。XDP 程式可以用於封包處理、流量控制等多種用途。

XDP 程式概覽

XDP 程式是一個高效能的網路處理程式。下面是一個簡單的 XDP 程式：

#include <linux/bpf.h>

SEC("xdp")
int xdp_program(struct xdp_md *ctx)
{
    // 封包處理邏輯
    return XDP_PASS;
}

這是一個簡單的 XDP 程式，使用 xdp_program 來定義封包處理邏輯。

圖表翻譯：

  flowchart TD
    A[封包接收] --> B[封包處理]
    B --> C[流量控制]
    C --> D[封包轉發]

這個圖表展示了 XDP 程式的工作流程，從封包接收到封包轉發。

內容解密：

XDP 程式是一個高效能的網路處理程式。它可以用於封包處理、流量控制等多種用途。XDP 程式的工作流程包括封包接收、封包處理、流量控制和封包轉發。這些步驟都可以使用 XDP 程式來定義和實作。

程式碼解說：

上面的程式碼是一個簡單的 XDP 程式。它定義了一個 xdp_program 函式，該函式負責封包處理邏輯。這個函式可以根據需要進行修改和擴充套件，以實作不同的網路處理功能。

圖表翻譯：

  flowchart TD
    A[封包接收] --> B[封包處理]
    B --> C[流量控制]
    C --> D[封包轉發]

這個圖表展示了 XDP 程式的工作流程，從封包接收到封包轉發。

Linux 網路安全與 XDP

Linux 網路安全是一個非常重要的議題，尤其是在現代網路環境中。XDP（eXpress Data Path）是一種 Linux 網路框架，允許使用者空間程式碼直接存取網路資料包，並提供了一種高效的方式來處理網路流量。

XDP 程式設計

XDP 程式設計涉及到建立使用者空間程式碼，以直接存取網路資料包。這些程式碼可以用於實作各種網路安全功能，例如封包過濾、監控和 DDoS 緩解。

XDP 測試

XDP 測試是一個非常重要的步驟，確保 XDP 程式碼的正確性和效率。Python 單元測試框架可以用於測試 XDP 程式碼，確保其符合預期的行為。

XDP 使用案例

XDP 有許多使用案例，包括：

  • 監控：XDP 可以用於監控網路流量，偵測異常行為和安全威脅。
  • DDoS 緩解：XDP 可以用於緩解 DDoS 攻擊，過濾掉惡意流量。
  • 負載平衡：XDP 可以用於實作負載平衡，將流量分配到多個伺服器。
  • 防火牆：XDP 可以用於實作防火牆功能，過濾掉惡意流量。

Linux 核心安全、能力和 Seccomp

Linux 核心安全是一個非常重要的議題，尤其是在現代網路環境中。Linux 核心提供了許多安全功能，包括能力（Capabilities）和 Seccomp。

能力

能力是 Linux 核心的一個安全功能，允許使用者空間程式碼僅具有特定的許可權。這可以防止惡意程式碼獲得過多的許可權，從而提高系統的安全性。

Seccomp

Seccomp 是 Linux 核心的一個安全功能，允許使用者空間程式碼僅呼叫特定的系統呼叫。這可以防止惡意程式碼呼叫敏感的系統呼叫，從而提高系統的安全性。

Seccomp 錯誤

Seccomp 錯誤是指 Seccomp 執行時出現的錯誤。這些錯誤可以用於偵測和防止惡意程式碼的攻擊。

Seccomp BPF 篩選器範例

Seccomp BPF 篩選器是一種篩選器，允許使用者空間程式碼僅呼叫特定的系統呼叫。以下是 Seccomp BPF 篩選器的一個範例：

#include <linux/seccomp.h>

int main() {
    // 建立 Seccomp 篩選器
    struct sock_filter filter[] = {
        // 允許呼叫 exit 系統呼叫
        BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, __NR_exit, 0, 1),
        // 允許呼叫 read 系統呼叫
        BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, __NR_read, 0, 1),
        // 拒絕其他系統呼叫
        BPF_RET+BPF_K(SECCOMP_RET_ERRNO|(EACCES)),
    };

    // 載入 Seccomp 篩選器
    seccomp_load(filter);

    return 0;
}

BPF LSM Hooks

BPF LSM Hooks 是 Linux 核心的一個安全功能，允許使用者空間程式碼註冊 LSM Hooks。LSM Hooks 可以用於偵測和防止惡意程式碼的攻擊。

從技術架構視角來看，BPF技術為Linux系統和應用程式提供了一個深入核心運作的絕佳途徑。本文涵蓋了BPF程式設計的基礎、地圖操作、進階網路技術、以及安全性的應用，展現了BPF的多功能性和強大潛力。BPF程式種類別繁多，從網路封包過濾到系統效能分析，都能找到合適的切入點。然而，BPF的學習曲線較陡峭，需要開發者具備一定的核心知識和程式設計經驗。BPF技術的效能優勢顯著，但也需要注意程式碼的正確性和安全性，避免引入新的風險。未來，BPF技術的應用場景將持續擴充套件，尤其是在雲原生環境和安全領域。對於追求極致效能和系統掌控力的開發者而言，深入學習BPF技術將是提升自身價值的關鍵策略。玄貓認為，BPF雖非易事，但其潛力巨大，值得投入時間和精力深入研究。

玄貓

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。