常用的 eBPF 工具安装及简单介绍

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eBPF，全称 “扩展的伯克利数据包过滤器 (Extended Berkeley Packet Filter)”，它是一种数据包过滤技术，是从 BPF (Berkeley Packet Filter) 技术扩展而来的。BPF 提供了一种在内核事件和用户程序事件发生时安全注入代码的机制，这就让非内核开发人员也可以对内核进行控制。随着内核的发展，BPF 逐步从最初的数据包过滤扩展到了网络、内核、安全、跟踪等，而且它的功能特性还在快速发展中，这种扩展后的 BPF 被简称为 eBPF（相应的，早期的 BPF 被称为经典 BPF，简称 cBPF）。实际上，现代内核所运行的都是 eBPF，如果没有特殊说明，内核和开源社区中提到的 BPF 等同于 eBPF。

在 eBPF 之前，内核模块是注入内核的最主要机制。由于缺乏对内核模块的安全控制，内核的基本功能很容易被一个有缺陷的内核模块破坏。而 eBPF 则借助即时编译器（JIT），在内核中运行了一个虚拟机，保证只有被验证安全的 eBPF 指令才会被内核执行。同时，因为 eBPF 指令依然运行在内核中，无需向用户态复制数据，这就大大提高了事件处理的效率。

由于这些突出的特性，eBPF 现如今已经在故障诊断、网络优化、安全控制、性能监控等领域获得大量应用。比如，Facebook 开源的高性能网络负载均衡器 Katran、Isovalent 开源的容器网络方案 Cilium ，以及著名的内核跟踪排错工具 BCC 和 bpftrace 等，都是基于 eBPF 技术实现的。

本文主要简单介绍一些常用的 eBPF 相关工具的安装。

BCC

BCC 是一个用于创建高效内核跟踪和操作程序的工具包，其中包括一些有用的工具和示例。使用 BCC 除了要求内核在 4.1 版本之上，还需要内核编译的时候打开一些开关，具体可以查看这里。除了直接从各个 Linux 发行版本的应用中心下载之外，这里着重记录源码安装的方式，以 Ubuntu 22.04 为例，不同的版本具体要求可能有所不同，但是大体流程相同，其他的版本请看这里：

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# 首先删除使用apt安装的软件残留信息
sudo apt purge bpfcc-tools libbpfcc python3-bpfcc
wget https://github.com/iovisor/bcc/releases/download/v0.29.0/bcc-src-with-submodule.tar.gz
tar xf bcc-src-with-submodule.tar.gz
cd ~/bcc
sudo apt install -y python-is-python3 zip bison build-essential cmake flex git libedit-dev python3-distutilslibllvm14
sudo apt install -y  llvm-14-dev libclang-14-dev python3 zlib1g-dev libelf-dev libfl-dev python3-setuptools liblzma-dev 
sudo apt install -y libdebuginfod-dev arping netperf iperf
mkdir build
cd build/
cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr -DPYTHON_CMD=python3 ..   
make 
make install

安装好的 BCC 工具位于 /usr/share/bcc/tools/ 路径之下。使用 BCC 开发 hello world 小程序：

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#!/usr/bin/env python3
# 1) import bcc library
from bcc import BPF

# 2) load BPF program
b = BPF(src_file="hello.c")
# 3) attach kprobe
b.attach_kprobe(event="do_sys_openat2", fn_name="hello_world")
# 4) read and print /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe
b.trace_print()

来看看每一处的具体含义：

  1. 处导入了 BCC 库的 BPF 模块，以便接下来调用；
  2. 调用 BPF() 加载第一步开发的 BPF 源代码；
  3. 将 BPF 程序挂载到内核探针（简称 kprobe），其中 do_sys_openat2() 是系统调用 openat() 在内核中的实现；
  4. 读取内核调试文件 /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe 的内容，并打印到标准输出中；

运行该程序：

sudo python3 hello.py

输出如下信息：

b' k3s-server-2795005 [000] d...1 265039.419072: bpf_trace_printk: Hello, World!'

每个字段的含义如下所示：

  • k3s-server-2795005 表示进程的名字和 PID；
  • [006] 表示 CPU 编号；
  • d...1 表示一系列的选项；
  • 265039.419072 表示时间戳；
  • bpf_trace_printk 表示函数名；
  • 最后的 Hello, World! 是调用 bpf_trace_printk() 传入的字符串；
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int hello_world(void *ctx)
{
    bpf_trace_printk("Hello, World!");
    return 0;
}

bpftool

bpftool 是 linux 内核自带的用于对 eBPF 程序和 eBPF map 进行检查与操作的工具软件。安装使用如下的源码编译方式：

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$ git clone --recurse-submodules https://github.com/libbpf/bpftool.git
$ cd bpftool/src
$ make
$ make install

如果没有错误，安装之后的二进制文件位于 /usr/local/sbin/bpftool。安装文档：

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$ cd bpftool/docs
$ apt -y install python3-docutils
$ man install
$ man bpftool

bpftrace

bpftrace 使用 LLVM 作为后端，将脚本编译为 BPF 字节码，并使用 BCC 与 Linux BPF 系统以及现有的 Linux 跟踪功能（内核动态跟踪（kprobes）、用户级动态跟踪（uprobes）和跟踪点）进行交互。bpftrace 语言的灵感来自 awk 和 C，以及 DTrace 和 SystemTap 等前代跟踪器。

在满足系统层面的要求之后，ubuntu 安装 bpftrace 使用如下的命令：

sudo apt-get install -y bpftrace

参考连接