一个完整的 eBPF 程序通常包含用户态和内核态两部分。其中,用户态负责 eBPF 程序的加载、事件绑定以及 eBPF 程序运行结果的汇总输出;内核态运行在 eBPF 虚拟机中,负责定制和控制系统的运行状态。
对于用户态程序来说,它们与内核进行交互时必须要通过系统调用来完成。而对应到 eBPF 程序中,我们最常用到的就是 bpf 系统调用。
在命令行中输入 man bpf,就可以查询到 BPF 系统调用的调用格式:
#include
int bpf(int cmd, union bpf_attr *attr, unsigned int size);
BPF 系统调用接受三个参数:
- 第一个,cmd ,代表操作命令,比如 BPF_PROG_LOAD 就是加载 eBPF 程序;
- 第二个,attr,代表 bpf_attr 类型的 eBPF 属性指针,不同类型的操作命令需要传入不同的属性参数;
- 第三个,size ,代表属性的大小。
不同版本的内核所支持的 BPF 命令是不同的。
eBPF 程序并不能随意调用内核函数,因此,内核定义了一系列的辅助函数,用于 eBPF 程序与内核其他模块进行交互。比如,上一讲的 Hello World 示例中使用的 bpf_trace_printk() 就是最常用的一个辅助函数,用于向调试文件系统(/sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe)写入调试信息。
需要注意的是,并不是所有的辅助函数都可以在 eBPF 程序中随意使用,不同类型的 eBPF 程序所支持的辅助函数是不同的。
这其中,需要你特别注意的是以bpf_probe_read 开头的一系列函数。我在上一讲中已经提到,eBPF 内部的内存空间只有寄存器和栈。所以,要访问其他的内核空间或用户空间地址,就需要借助 bpf_probe_read 这一系列的辅助函数。这些函数会进行安全性检查,并禁止缺页中断的发生。
而在 eBPF 程序需要大块存储时,就不能像常规的内核代码那样去直接分配内存了,而是必须通过 BPF 映射(BPF Map)来完成。
BPF 映射用于提供大块的键值存储,这些存储可被用户空间程序访问,进而获取 eBPF 程序的运行状态。eBPF 程序最多可以访问 64 个不同的 BPF 映射,并且不同的 eBPF 程序也可以通过相同的 BPF 映射来共享它们的状态。
几种最常用的映射类型及其功能和使用场景:
除了创建之外,映射的删除也需要你特别注意。BPF 系统调用中并没有删除映射的命令,这是因为 BPF 映射会在用户态程序关闭文件描述符的时候自动删除(即close(fd) )。 如果你想在程序退出后还保留映射,就需要调用 BPF_OBJ_PIN 命令,将映射挂载到 /sys/fs/bpf 中。
在安装 BCC 工具的时候,内核头文件 linux-headers-$(uname -r) 也是必须要安装的一个依赖项。这是因为 BCC 在编译 eBPF 程序时,需要从内核头文件中找到相应的内核数据结构定义。这样,你在调用 bpf_probe_read 时,才能从内存地址中提取到正确的数据类型。
编译时依赖内核头文件也会带来很多问题。主要有这三个方面:
- 首先,在开发 eBPF 程序时,为了获得内核数据结构的定义,就需要引入一大堆的内核头文件;
- 其次,内核头文件的路径和数据结构定义在不同内核版本中很可能不同。因此,你在升级内核版本时,就会遇到找不到头文件和数据结构定义错误的问题;
- 最后,在很多生产环境的机器中,出于安全考虑,并不允许安装内核头文件,这时就无法得到内核数据结构的定义。在程序中重定义数据结构虽然可以暂时解决这个问题,但也很容易把使用着错误数据结构的 eBPF 程序带入新版本内核中运行。
从内核 5.2 开始,只要开启了 CONFIG_DEBUG_INFO_BTF,在编译内核时,内核数据结构的定义就会自动内嵌在内核二进制文件 vmlinux 中。并且,你还可以借助下面的命令,把这些数据结构的定义导出到一个头文件中(通常命名为 vmlinux.h):
bpftool btf dump file /sys/kernel/btf/vmlinux format c > vmlinux.h
有了内核数据结构的定义,你在开发 eBPF 程序时只需要引入一个 vmlinux.h 即可,不用再引入一大堆的内核头文件了。
同时,借助 BTF、bpftool 等工具,我们也可以更好地了解 BPF 程序的内部信息,这也会让调试变得更加方便。比如,在查看 BPF 映射的内容时,你可以直接看到结构化的数据,而不只是十六进制数值:
# bpftool map dump id 386
[
{
"key": 0,
"value": {
"eth0": {
"value": 0,
"ifindex": 0,
"mac": []
}
}
}
]
解决了内核数据结构的定义问题,接下来的问题就是,如何让 eBPF 程序在内核升级之后,不需要重服务器托管网新编译就可以直接运行。eBPF 的一次编译到处执行(Compile Once Run Everywhere,简称 CO-RE)项目借助了 BTF 提供的调试信息,再通过下面的两个步骤,使得 eBPF 程序可以适配不同版本的内核:
- 第一,通过对 BPF 代码中的访问偏移量进行重写,解决了不同内核版本中数据结构偏移量不同的问题;
- 第二,在 libbpf 中预定义不同内核版本中的数据结构的修改,解决了不同内核中数据结构不兼容的问题。
它们都要求比较新的内核版本(>=5.2),并且需要非常新的发行版(如 Ubuntu 20.10+、RHEL 8.2+ 等)才会默认打开内核配置 CONFIG_DEBUG_INFO_BTF。
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功能描述 1、采用51/52单片机作为主控芯片; 2、有9种变换样式,通过按键切换,数码管显示编号; 3、具有变速功能,通过按键控制; 仿真设计 采用Proteus作为仿真设计工具。Proteus是一款著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片…