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eBPF 的发展演进 --- 从石器时代到成为神（一）

日期：2023-11-24点击：70

1. 前言

技术的发展往往是积跬步而至千里的。Linux从92年诞生，发展至今已经覆盖大小各类的信息基础设施。是什么样的力量，让Linux能够始终保持发展活力，又如何看待Linux之上出现的新的技术趋势？
 
本文试图通过梳理eBPF的演进过程，探索Linux内核的发展动力来源与发展轨迹，与大家一同畅想eBPF给内核技术、Linux生态带来的全新变局。
 

2. eBPF概览

2.1. 实现原理
 
大家可能都知道图灵机，这是一个可计算理论模型，可以用来判断计算机的计算能力。图灵机是目前有可能实现的计算能力最强的理论模型，目前我们常用的计算机，理论上都是等价于图灵机的。
 
BPF的出现，是对计算能力的渴求，其原理就是通过IR模拟一台RISC指令集的计算机嵌入到内核中，将内核内部的静态编译逻辑转变为更加灵活的动态编译逻辑，使内核获得近似于图灵机的动态逻辑定制能力。而从classic BPF到extended BPF的发展，是将这一计算方式进一步夯实和通用化。
 
BPF的出现乃至到eBPF的进一步发展，为内核带来了巨大的改变，使内核具备了更加强大、可编程的动态变化的能力。这种能力在各种需要定制化的应用场景中，将发挥巨大的价值，既可以用于扩展功能，也可以用于优化性能。
 
在实现上，为适应不同业务场景的需求，使eBPF具备等价于一台RISC指令集计算机的计算能力，通过输入参数、Map数据存储、Helper帮助函数，构成了eBPF程序与内核交互的运行环境。eBPF指令集的计算和控制能力、运行环境与内核的交互能力，两者叠加构成了eBPF程序强大的处理能力。
 
在安全方面，通过Verifier严格检查eBPF程序的可完成性、数据访问的合法性等，保证了eBPF程序与内核交互过程中内核不被挂起、核心数据不会被破坏。
BPF发展过程中，由cBPF发展成为eBPF是一次大的技术升级。eBPF在cBPF的基础上重新设计了指令集、引入了JIT、增加了辅助函数，大大扩展了复杂逻辑的设计能力。虽然eBPF有巨大的进步，但是基本的底层设计还是一致的，因此两者统称为BPF。
 
由于eBPF兼容cBPF，在未指定时，BPF更多指eBPF所定义的内涵。后文用BPF泛指整个BPF相关的基础机制，eBPF特指最新的BPF标准。
 
2.2. 技术特点
BPF还在快速发展，它的计算能力和完备性也在迅速提高，前景无限。但就具体的版本而言，却又呈现具体技术特点，主要是其支持的能力和受到的约束两个方面。以最新的BPF的技术标准(v6.1)为蓝本，介绍BPF的主要技术特点。
 
  • RISC指令集
BPF的核心是一个虚拟计算机，它采用类RISC指令集，支持跳转、算数运算、尾调用等基本操作。在运行BPF程序的计算机上，BPF指令会被内核的JIT编译器动态编译为物理机原生指令，实现运行效率的“零”损耗。在支持BPF卸载的设备上，BPF程序也可以卸载到设备上执行。在BPF的指令集中还支持伪调用指令，可以调用到内核帮助函数。
同时，BPF的指令的编码空间中还有大量的储备，未来根据需要一定还会继续增加指令，提升BPF实现复杂逻辑的能力。
  • Map
基于键值对的数据存储机制，可用于实现内核、用户态的数据存储和交换。
  • Helper函数
专用于BPF程序调用的函数接口，用于封装内核中的功能，使BPF程序可以和内核互操作，同时保持BPF程序和内核的安全隔离。
  • BPF子程序
实现了BPF程序之间的调用。
  • 上下文
BPF程序的语境和运行上下文，是一种内部透明的数据结构。只有在明确BPF程序的类型时，上下文的定义和内部数据结构才是确定的。不同的BPF程序类型，上下文也各不相同。
  • CO-RE
通过运行时类型支持，实现一次编译、随处运行。
  • 支持特权和非特权级两类运行模式
分为特权级（百万ins）和非特权级（4096ins）两类运行方式。
特权级模式下BPF程序可以获得更宽的权限，实现更复杂的逻辑功能。
  • 保证向后兼容
这一原则对于BPF的推广应用非常重要，可以保证旧标准的BPF程序在新标准下也可以正确执行。但同时，也对未来BPF发展带来了约束，只有把握好BPF的发展方向，做好底层设计，才能两者得到兼顾。
比如，从老版本遗留下来的cBPF程序在eBPF中都会被JIT正确翻译和执行。
  • 稳定的ABI
BPF稳定的ABI包括，BPF程序类型对应的输入参数定义，可调用的内核帮助函数定义，返回值定义等。使用稳定的ABI的BPF程序，可保证与不同版本的内核都是兼容的。
另外，BPF还在快速发展中，它的功能特性需要逐步释放，因此目前还有诸多限制，其中有些是基于安全、可靠性考虑，有些是没有超出范围的应用需求的保守设计等等。随着安全机制的完善、应用程序的扩展、生态体系的成熟，相应的限制也会逐步的改变。
目前的实现中，有如下限制：
  • 总运行时间有界
有界性这是基本原则，应该在比较长的时间内都不会改变。但是，在不改变有界性的前提下，根据具体需要适当调整更合理的上限，这是存在极大可能的。
  • 指令总数限制
非特权用户最大指令数4096，特权用户最大指令数1百万。
  • 分支数限制
  • BPF调用嵌套层次限制
  • Map实例数限制
  • 验证状态数限制
  • 最大分支数限制
  • 堆栈长度限制
目前支持的堆栈最大长度为512字节。
  • 上下文限制
每一种类型的BPF程序，都有其对应输入参数定义，彼此不同。也就是说，BPF程序只能接受特定的输入并进行处理，不能访问内核的全部状态空间。
  • 辅助函数限制
每一个BPF程序类，都有其对应的辅助函数集合。这些辅助函数，由内核各子系统提供，是BPF程序类上下文的一部分。它们帮助BPF程序与内核各子系统交互，同时又保护内核不会被破坏。
上面赘述了很多特性，大家可能会有很多疑问，比如：
为什么采用精简指令集呢？因为这是目前最主流的指令集类型，相对于复杂指令集，精简指令集更有利于实现更高密度、更高吞吐量、更高主频的处理器。因此x86之后出现的新型指令集系统，绝大多数都是精简指令集，包括现在的开源指令集RISC-V。
为什么不采用原生的指令集呢？
为什么5个参数寄存器呢？
本篇暂不深入讨论，后续主题涉及到的时候再详细讲解。
 
2.3. 应用价值
BPF的应用价值与其动态和可定制特性强相关。
内核研发中一直坚守的原则是：“机制与策略分离”，即：内核负责提供机制，将策略开放给上层。在机制与策略之间需要一层界面来进行交互。
系统调用是最初方案。它是单向发起的，缺少事件模型。
虚拟文件系统，提供了双向的交互方式，但难以灵活定制复杂的逻辑。
由于软件功能越来越复杂，无法用简单规则来表达，软件的基础功能设施与业务逻辑，需要进行解偶。而业务逻辑部分，需要根据业务定制，因此很适合用BPF实现。比如：
  • 过滤器
  • 权限检查
  • 模糊测试
等类型的功能，比较适合用BPF实现。另外，视具体问题，也可以应用于：
  • 调度算法
  • 用户态交互（替代系统调用，实现更加可变的服务逻辑）
  • 加载器、模拟器、兼容层
  • 轻量化内核
  • 多态内核
  • 启动方式
每一种业务类型都有其独具特征的逻辑模型，通过更形式化地定义这些业务模型，可以更好地理解它们和BPF的结合性，找到更好的实现方案，充分发挥BPF带来的强大能力。后续篇章，我们会对典型的应用模型进行更深入的讨论，以及BPF在这些应用场景中，应该在哪些特性方面进行加强或改进。
原文链接：https://my.oschina.net/u/4450925/blog/8685883
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