Linux基础 -- eBPF 简介笔记

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eBPF 学习笔记（面向内核 / 网络开发工程师）

假设你已经阅读过 cBPF 相关文档，并对 Linux 网络栈、kprobe、netfilter 等机制有一定了解。

背景介绍

eBPF 的核心目标是：在不修改内核源码、无需重启系统的前提下，将用户自定义的逻辑安全地注入到内核的关键执行路径中运行。

典型应用场景包括：

• 在最早的数据包接收阶段（XDP 层）实现丢包控制、流量重定向或负载均衡；
• 在 tc 的 ingress 或 egress 阶段进行 QoS 控制和流量整形；
• 通过 kprobe 或 tracepoint 实现细粒度性能分析与在线故障排查；
• 结合 socket 和 cgroup 实现访问控制、速率限制等安全策略。

可以将 eBPF 理解为一套完整的内核级可编程机制，具备受限沙箱环境以及完善的工具链支持（如 clang、libbpf、bpftool 等），形成一个强大的生态系统。

1. eBPF 与 cBPF 的主要区别：升级点解析

相较于传统的 cBPF，eBPF 在多个维度实现了显著增强：

更强大的指令集与寄存器架构

cBPF 仅提供两个 32 位寄存器 A 和 X，外加一个临时存储区域（scratch space）用于辅助计算。

eBPF 则引入了 11 个 64 位通用寄存器：
R0–R10，具体用途如下：

• R0：函数返回值寄存器；
• R1–R5：传递函数参数；
• R6–R9：被调用者保存的寄存器，可用于长期存放局部变量；
• R10：帧指针，指向当前栈顶位置。

此外，每个程序拥有最多 512 字节的栈空间，可通过 R10 加偏移的方式访问（例如 r10 - 16）。

M[16]

eBPF 支持调用预定义的 helper 函数，并能通过 map 结构实现数据持久化和用户态通信。常见的交互方式包括哈希表、数组、ringbuf 等结构。

bpf_map_update_elem

bpf_get_prandom_u32

bpf_redirect

丰富的挂载点与程序类型

eBPF 可以附加在多种内核事件点上，包括但不限于：

• XDP
• tc ingress / egress
• kprobe / tracepoint
• socket 操作
• cgroup 子系统
• LSM（Linux Security Module）
• perf 事件监控

静态验证机制（Verifier）

所有 eBPF 程序在加载至内核前必须经过 Verifier 的严格校验，确保其安全性。主要检查内容包括：

• 内存访问无越界；
• 指针操作合法且受控；
• 循环结构具有静态可确定的上界，防止无限循环；
• 所有执行路径均正确初始化寄存器与栈变量。

若程序未能通过验证，则拒绝加载。因此，可以形象地理解为：cBPF 是简单的过滤脚本，而 eBPF 提供了一个“迷你 CPU + 安全沙箱”的完整执行环境。

2. eBPF 执行模型详解

2.1 寄存器与调用约定

寄存器	作用说明
R0	用于存放函数返回值
R1–R5	作为参数传递给 helper 函数
R6–R9	由被调用方负责保存，适合用作局部状态存储
R10	帧指针，始终指向栈顶

栈空间使用规则

每个 eBPF 程序最多可使用 512 字节的栈空间，访问方式限定为基于 R10 的负偏移形式，即：R10 - offset（offset 为正整数）。

示例代码：

// 假设要在栈上创建一个本地结构体 foo
struct foo *ptr = (void *)(long)ctx;
// 编译后实际生成类似指令：*(struct foo *)(r10 - 16)

Verifier 会强制检查所有栈访问是否落在 [-512, -1] 范围内，超出则加载失败。

struct bpf_insn

返回值含义随程序类型变化

• XDP 程序：返回动作码，决定如何处理数据包；

  XDP_PASS

  XDP_DROP

  XDP_TX

  XDP_REDIRECT

• tc 程序：返回相应操作标识，控制后续转发行为；

  TC_ACT_OK

  TC_ACT_SHOT

  TC_ACT_REDIRECT

• kprobe 程序：通常返回 0，也可配合 override_return 等 helper 修改原函数返回值；
• tracepoint 程序：一般返回 0 表示正常执行；
• socket filter 程序：返回允许拷贝到用户空间的字节数，语义与 cBPF 类似。

2.2 指令格式与编码结构

eBPF 指令在内核中的表示结构如下：

struct bpf_insn {
  __u8  code;     // 操作码
  __u8  dst_reg:4;
  __u8  src_reg:4;
  __s16 off;
  __s32 imm;
};

直接手写此类指令较为少见，开发者通常采用 C 语言编写程序，再由编译器自动生成对应字节码。

例如：

SEC("xdp")
int xdp_drop_udp_53(struct xdp_md *ctx) {
  // C 源码逻辑
}

该代码会被

clang -target bpf

工具链编译为标准的 eBPF 字节码

.o

，最终加载进内核执行。

bpf_insn

主要指令类别

• ALU/ALU64：执行算术运算（加减乘除）和位操作；
• JMP/JMP32：实现条件跳转、比较判断及函数调用；
• LD/ST：完成寄存器与栈或 map 之间的数据加载与存储；

• CALL

  ：用于调用 helper 函数或子程序；

• EXIT

  ：表示函数返回，结束执行。

3. Verifier：eBPF 的安全守门人

Verifier 是保障 eBPF 安全性的核心组件，任何程序在加载进入内核前都必须通过其静态分析验证。

关键验证项

内存安全

只允许访问以下几类已知安全的内存区域：

• 上下文结构体（如

  ctx

  ）中明确暴露的字段；
• 从 map 查询返回的有效指针；
• 栈上已分配并初始化的对象。

所有指针偏移必须经过显式的边界检查，禁止任意类型转换成内核地址进行非法读写。

控制流终止性

程序不得包含无限循环。现代内核虽支持有界循环，但要求 Verifier 能够静态推导出最大迭代次数。

寄存器与栈初始化一致性

每条路径上的寄存器和栈变量在使用前必须已被赋值；
所有可能的执行分支最终返回的类型需保持一致。

程序大小限制

单个 eBPF 程序的指令数量存在上限（通常为 4096 条），防止过长程序影响系统稳定性。

eBPF 程序受到最大指令数量的限制，该限制可在内核中进行配置，通常范围在几千到十几万条之间。当超出此限制时，系统会触发常见错误提示：

R# unbounded memory access

invalid mem access

R# min value is negative, must be >= 0

invalid BPF_LD/BPF_ST instruction

编写 eBPF 程序的一个核心技巧是“取悦 Verifier”，即确保程序能通过内核校验器的检查。为此，需遵循以下实践：

• 在访问任何数组或指针前，必须先进行边界范围检查；
• 在条件分支中，确保各个路径都对指针进行了合法性验证；
• 优先使用由 helper 提供的 API 接口，例如：

bpf_xdp_adjust_head

bpf_map_lookup_elem

4. eBPF 程序类型与 Hook 点概览

以下列出的是常用的 eBPF 程序类别，每种可视为一个“Hook 家族”：

XDP（eXpress Data Path）

• 挂载于网卡驱动最前端的数据包接收点；
• 接收到的上下文包含 data / data_end 和 ingress 接口索引等信息；
• 返回值控制数据包处理行为，如：

BPF_PROG_TYPE_XDP

struct xdp_md *ctx

XDP_DROP / XDP_PASS / XDP_TX / XDP_REDIRECT

• 适用场景：抵御 DDoS 攻击、实现四层/七层负载均衡、早期丢包策略。

tc（Traffic Control）

• 挂载于 ingress 或 egress 队列调度器（clsact）上；
• 上下文结构通常为：

BPF_PROG_TYPE_SCHED_CLS

SCHED_ACT

struct __sk_buff *

• 返回动作包括：

TC_ACT_OK / TC_ACT_SHOT / TC_ACT_REDIRECT

• 典型用途：流量整形、QoS 控制、路由策略实施、透明代理功能。

kprobe / kretprobe

• 用于挂接到任意内核函数的入口或返回点；
• 上下文为：

BPF_PROG_TYPE_KPROBE

struct pt_regs *

• 支持读取函数参数、返回值以及当前进程信息；
• 常用于性能分析、延迟统计和系统调试。

tracepoint / raw_tracepoint

• 绑定到内核预定义的 tracepoint 上，不依赖具体函数名，因此更加稳定；
• 上下文为固定结构体，其定义位于内核对应的 tracepoint 头文件中；
• 适用于需要长期运行的监控与统计任务。

perf event

• 通过 perf 子系统的事件触发执行，如周期性采样或硬件事件；
• 主要用于系统性能剖析（profiling）。

BPF_PROG_TYPE_PERF_EVENT

cgroup 程序族

• 包括以下几种类型：

cgroup_skb

cgroup_sock

cgroup_sock_addr

• 挂载至特定 cgroup，仅影响该组内进程的网络行为；
• 适合实现基于 cgroup 的防火墙规则或带宽限速机制。

socket 程序

• 相较于传统 socket filter，功能更强大；
• 可在 socket 层实现数据包重写与拦截操作；
• 支持多种类型，例如：

SK_SKB

SK_MSG

SOCKET_FILTER

SOCK_OPS

LSM / LSM_CGROUP（安全相关）

• 利用 eBPF 实现 Linux 安全模块（LSM）hook，如 open、bind、exec 等系统调用的策略拦截；
• 可用于构建细粒度的安全控制机制，作为 SELinux 之外的补充方案。

5. eBPF 工具链与开发流程

5.1 编译：clang + LLVM

典型的编译命令如下：

clang -O2 -g -target bpf \
-D__TARGET_ARCH_x86 \
-c xdp_prog.c -o xdp_prog.o

注意事项：

• 必须指定目标架构为 BPF：

-target bpf

• 根据实际运行环境添加相应的宏定义以适配架构：

-D__TARGET_ARCH_x86 / arm / arm64 / riscv

• 建议启用调试信息选项：

-g

• 以便后续结合 BTF 和 CO-RE 技术进行符号解析与调试。

5.2 加载与附加：libbpf + bpftool

现代主流推荐方式为使用 libbpf + CO-RE（一次编译，到处运行）：

• 要求内核开启 BTF 支持：

CONFIG_DEBUG_INFO_BTF=y

• 使用工具生成 skeleton 头文件：

bpftool gen skeleton

• 基于源码中的 BPF 程序定义：

.o

• 用户态 C 程序可通过标准接口加载并运行：

#include "xdp_prog.skel.h"

struct xdp_prog_bpf *skel;
skel = xdp_prog_bpf__open_and_load();
if (!skel) { ... }
xdp_prog_bpf__attach(skel);  // 自动 attach 到配置好的网卡

高层级辅助工具介绍：

• bpftool：官方提供的命令行工具，可用于：

bpftool prog load/attach

bpftool map dump/update

bpftool gen skeleton

• bcc：提供 Python 和 C++ 封装，适合快速编写调试脚本；
• bpftrace：类 awk 的领域专用语言（DSL），适用于临时性的跟踪与诊断任务。

6. eBPF Map：状态存储与内核-用户态通信机制

eBPF Map 是一种内核级的键值存储结构，可供 eBPF 程序与用户态进程共享数据。

常见 Map 类型包括：

• BPF_MAP_TYPE_HASH：通用哈希表；

BPF_MAP_TYPE_HASH

• BPF_MAP_TYPE_ARRAY：固定大小数组；

BPF_MAP_TYPE_ARRAY

• per-CPU 版本（如）：

*_PERCPU

• 每个 CPU 拥有独立副本，避免锁竞争；
• LRU 版本（如 LRU hash）：

LRU_HASH

• 适用于需要淘汰旧记录的场景；
• BPF_MAP_TYPE_RINGBUF：高效的单生产者多消费者环形缓冲区，依赖 Linux 5.7+ 内核版本；

BPF_MAP_TYPE_RINGBUF

• BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY：传统的 perf buffer 实现；

BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY

• BPF_MAP_TYPE_LPM_TRIE：前缀树结构，广泛用于 IP 前缀匹配场景。

BPF_MAP_TYPE_LPM_TRIE

在 eBPF 程序中通过 helper 函数访问 Map，示例定义（CO-RE 风格）：

// map 定义（CO-RE 风格）
struct {
    __uint(type, BPF_MAP_TYPE_HASH);
    __type(key, __u32);      // 举例：IP

// 定义一个用于统计的 map，存储 IP 对应的计数值
__type(value, __u64);
__uint(max_entries, 1024);
} ip_cnt SEC(".maps");

// 在 eBPF 程序中对源 IP 进行计数处理
__u32 key = src_ip;
__u64 init_val = 1;
__u64 *val;

// 查找当前 IP 是否已有记录
val = bpf_map_lookup_elem(&ip_cnt, &key);
if (!val) {
    // 若未存在，则初始化为 1
    bpf_map_update_elem(&ip_cnt, &key, &init_val, BPF_ANY);
} else {
    // 已存在则原子增加计数
    __sync_fetch_and_add(val, 1); // 或等价于 (*val)++
}

// 用户态通过 libbpf 获取 map 数据
int map_fd = bpf_map__fd(skel->maps.ip_cnt);
__u32 key = ...;          // 设置要查询的键
__u64 value;
// 从 map 中读取对应值
bpf_map_lookup_elem(map_fd, &key, &value);

ctx->data/ctx->data_end

7. 初探 XDP 丢包实例  
本示例展示如何在 XDP 层面拦截并丢弃目标端口为 53 的 UDP 数据包。

7.1 内核态 eBPF XDP 程序实现  
以下代码实现了基于 XDP 的数据包过滤逻辑：

// xdp_drop_udp_53.c
#include "vmlinux.h"                // 支持 CO-RE 的内核结构定义（可由 bpftool 自动生成）
#include <bpf/bpf_helpers.h>
#include <bpf/bpf_endian.h>

// 许可证声明，必须存在以加载程序
char LICENSE[] SEC("license") = "GPL";

// 将函数绑定到 XDP 执行段
SEC("xdp")
int xdp_drop_udp_53(struct xdp_md *ctx)
{
    void *data_end = (void *)(long)ctx->data_end;
    void *data     = (void *)(long)ctx->data;
    struct ethhdr *eth = data;
    __u16 h_proto;
    __u64 nh_off;

    // 第一步：确保有足够的空间容纳以太网头部
    nh_off = sizeof(*eth);
    if (data + nh_off > data_end)
        return XDP_PASS;

    h_proto = bpf_ntohs(eth->h_proto);

    // 第二步：仅处理 IPv4 数据包
    if (h_proto != ETH_P_IP)
        return XDP_PASS;

    struct iphdr *iph = data + nh_off;
    if ((void *)(iph + 1) > data_end)
        return XDP_PASS;

    // 第三步：只关注 UDP 协议
    if (iph->protocol != IPPROTO_UDP)
        return XDP_PASS;

    // 第四步：根据 IP 头长度计算 UDP 头位置
    __u32 ip_hdr_len = iph->ihl * 4;
    struct udphdr *udph = (void *)iph + ip_hdr_len;
    if ((void *)(udph + 1) > data_end)
        return XDP_PASS;

    // 第五步：检查目的端口是否为 53（DNS）
    if (bpf_ntohs(udph->dest) == 53) {
        // 可在此处更新 map 实现丢包统计功能
        return XDP_DROP;
    }

    return XDP_PASS;
}

关键说明：
指针 + sizeof(...) <= data_end
指向当前数据包的起始地址；
每次访问 packet 数据前都必须校验指针有效性；
bpf_ntohs()
用于网络字节序与主机字节序之间的转换；
返回
XDP_DROP
表示在网卡驱动层级直接丢弃该包；
此操作使数据包不会进入内核协议栈的后续处理流程，如
ip_rcv
或
udp_rcv

7.2 用户态加载逻辑（基于 libbpf 的 skeleton 模式）  
以下是简化的用户态程序框架，展示如何加载和挂载 XDP 程序：

#include "xdp_drop_udp_53.skel.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    const char *ifname = "eth0";
    __u32 ifindex = if_nametoindex(ifname);
    struct xdp_drop_udp_53_bpf *skel;
    int err;

    // 打开并加载编译好的 BPF skeleton
    skel = xdp_drop_udp_53_bpf__open_and_load();
    if (!skel)
        return 1;

    // 将 XDP 程序附加到指定网络接口

// XDP 程序附加逻辑
err = xdp_drop_udp_53_bpf__attach(skel);
if (err) {
    return 1;
}
printf("XDP program attached on %s\n", ifname);

// 可在此处进行阻塞处理或实现其他控制流程
// detach 与 destroy 操作将在程序退出时统一执行

xdp_drop_udp_53_bpf__destroy(skel);
return 0;

8. cBPF 与 eBPF 的关系及思维转换

8.1 数据路径中的位置对比

cBPF socket filter 所处的执行位置如下所示：

网卡 -> 驱动 -> netif_receive_skb -> ip_rcv -> udp_rcv -> 找 socket
                                                       ↓
                                           在这里跑 cBPF filter（per-socket）

eBPF XDP 程序在数据包进入时更早阶段生效：

网卡 -> 驱动
       ↓
     XDP prog     (DROP/PASS/REDIRECT)
       ↓
   netif_receive_skb -> ip_rcv -> ...

eBPF tc ingress 则作用于网络栈稍后层级：

网卡 -> 驱动 -> netif_receive_skb
                    ↓
              tc ingress BPF (DROP/REDIRECT)
                    ↓
                  ip_rcv

8.2 指令集与编程体验差异

cBPF 编程通常需要手动编写或通过 libpcap 生成字节码：

sock_filter

其资源受限，仅提供有限寄存器，不支持 helper 函数和 map 结构，无法实现复杂状态管理。 相比之下，eBPF 提供了现代化的开发体验： - 使用 C 语言（甚至 Rust、Go 等高级语言）编写，通过 clang 编译； - 支持完整的寄存器集、局部栈空间、辅助函数（helper）以及 map 数据结构； - 更适合实现复杂的业务逻辑，如状态机维护、流量统计与行为分析。 可以将 cBPF 视作一种轻量级、为兼容旧系统而保留的技术方案，而 eBPF 才是当前及未来的核心发展方向。

9. 推荐学习路线

从阅读 Linux 内核自带的 eBPF 示例代码开始入门：

samples/bpf/

重点参考以下目录中的实例：

xdp1_kern.c

/

xdp2_kern.c

/

xdp_tx_iptunnel_kern.c

同时结合内核源码中提供的文档辅助理解：

tools/lib/bpf

、

tools/bpf/bpftool

实践建议分阶段进行： 第一阶段：按程序类型完成两个实战项目 - XDP 类型：实现一个简易防火墙，支持基于 IP 地址和端口号对 UDP 53 流量进行丢弃或重定向，并使用 map 记录统计数据； - kprobe/tracepoint 类型：构建一个内核函数延迟监控工具，例如追踪特定函数调用耗时：

tcp_v4_connect

第二阶段：引入 CO-RE 与 BTF 技术 采用 libbpf + skeleton 架构开发：

vmlinux.h

体验“一次编译，多版本内核运行”的优势，理解如何利用 BTF 实现跨内核版本兼容性。 第三阶段：拓展至 cgroup 与 socket 类型程序 尝试将 BPF 程序挂载到 cgroup 上，用于限制特定服务组的网络访问行为或带宽使用，深入掌握 eBPF 在安全与资源控制方面的应用场景。

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关键词：Linux Lin instruction Profiling UNBOUNDED