EBPF

1. 1. EBPF：初学者指南

简介

EBPF (Extended Berkeley Packet Filter) 最初由 Van Jacobson 在 1992 年为了在 Berkeley软件发行版 (BSD) 中实现高性能网络数据包过滤而设计。最初的 BPF 指令集非常有限，主要用于网络过滤。然而，近年来，EBPF 已经演变成一个强大的、通用的执行引擎，它允许在 Linux内核 中安全地运行用户定义的程序，而无需修改内核代码。这为网络、安全、可观测性以及性能分析等多个领域带来了革命性的变化。

虽然它的名字中带有“Filter”，但EBPF远不止数据包过滤。它可以被用来观察系统事件，跟踪函数调用，修改内核行为，甚至实现自定义的虚拟机。EBPF 的强大之处在于它能够将用户空间应用程序的逻辑安全且高效地带入内核空间，从而避免了昂贵的系统调用开销和潜在的安全风险。

EBPF 的历史演变

• **经典 BPF (cBPF):** 最初的 BPF 版本，主要用于过滤网络数据包。指令集有限，验证器严格，主要目的是安全性。
• **扩展 BPF (EBPF):** 近年来，EBPF 经历了一次重大升级。指令集扩展，引入了更强大的验证器，并增加了对辅助函数的支持。这使得 EBPF 能够执行更复杂的任务。
• **EBPF 的现代化：** 随着内核版本的更新，EBPF 持续进化。新的功能，例如 CO-RE (Compile Once – Run Everywhere) 和 BPF Tail Call，进一步提高了 EBPF 的性能和灵活性。

EBPF 的核心组件

EBPF 系统包含几个关键组件：

• **EBPF 程序:** 用户编写的程序，用 C 语言编写，然后编译成 EBPF 字节码。这些程序可以附加到内核中的各种挂钩点。
• **EBPF 验证器:** 在将 EBPF 程序加载到内核之前，验证器会检查程序的安全性。它确保程序不会导致内核崩溃、无限循环或访问未授权的内存区域。
• **EBPF 加载器:** 将 EBPF 程序加载到内核，并将其附加到指定的挂钩点。
• **EBPF 辅助函数:** 内核提供的函数，EBPF 程序可以调用这些函数来访问内核数据和执行内核操作。
• **BPF Maps:** 用于在用户空间和内核空间之间共享数据的机制。BPF Maps 可以存储各种数据类型，例如数组、哈希表和队列。

EBPF 的工作原理

1. **编写 EBPF 程序:** 使用 C 语言编写 EBPF 程序，并使用 LLVM 工具链将其编译成 EBPF 字节码。 2. **验证 EBPF 程序:** EBPF 验证器检查程序的安全性，确保不会对内核造成危害。 3. **加载 EBPF 程序:** EBPF 加载器将验证后的程序加载到内核，并将其附加到指定的挂钩点。 4. **内核执行 EBPF 程序:** 当指定的事件发生时，内核会执行 EBPF 程序。 5. **数据共享:** EBPF 程序可以使用 BPF Maps 与用户空间应用程序共享数据。

EBPF 的应用场景

• **网络:**

   *   数据包过滤: 传统的用途，例如使用 `tc` 命令进行流量控制和过滤。
   *   负载均衡: 实现高性能的四层和七层负载均衡，例如使用 Cilium。
   *   网络监控: 监控网络流量，收集网络统计信息。

• **安全:**

   *   入侵检测: 检测恶意网络流量和系统行为。
   *   系统调用过滤: 限制系统调用的使用，防止恶意软件利用漏洞。
   *   运行时安全: 监控程序行为，防止代码注入攻击。

• **可观测性:**

   *   性能分析: 分析系统性能瓶颈，例如使用 bpftrace。
   *   跟踪: 跟踪函数调用和系统事件，了解系统行为。
   *   Profiling: 对程序进行性能分析，找出性能瓶颈。

• **性能优化:**

   *   XDP: 在网络接口处进行数据包处理，提高网络性能。
   *   kprobes: 在内核函数入口和出口处插入探针，收集性能数据。
   *   uprobes: 在用户空间函数入口和出口处插入探针，收集性能数据。

EBPF 的工具和框架

• **bpftrace:** 一种高级跟踪语言，可以用来编写 EBPF 程序，并动态地将其加载到内核。
• **bcc (BPF Compiler Collection):** 一组工具和库，用于编写、编译和加载 EBPF 程序。
• **Cilium:** 一个开源的网络和安全解决方案，使用 EBPF 实现高性能的负载均衡、网络策略和安全功能。
• **Falco:** 一个云原生运行时安全项目，使用 EBPF 监控系统调用，检测恶意行为。
• **ply:** 另一个用于编写和运行 EBPF 程序的工具，专注于易用性。

EBPF 的优势

• **安全性:** EBPF 验证器确保 EBPF 程序不会对内核造成危害。
• **高性能:** EBPF 程序在内核空间执行，避免了昂贵的系统调用开销。
• **灵活性:** EBPF 可以附加到内核中的各种挂钩点，实现各种功能。
• **可观测性:** EBPF 可以收集系统性能数据，帮助我们了解系统行为。
• **可扩展性:** EBPF 可以通过添加新的辅助函数和挂钩点进行扩展。

EBPF 的局限性

• **学习曲线:** 编写 EBPF 程序需要一定的 C 语言和内核知识。
• **开发复杂性:** 调试 EBPF 程序可能比较困难。
• **内核依赖:** EBPF 程序依赖于特定的内核版本。
• **验证限制:** 验证器可能会阻止一些合法的 EBPF 程序运行。

EBPF 与传统网络过滤的比较

| 特性 | 传统网络过滤 (iptables/nftables) | EBPF | | ----------- | -------------------------- | -------------------- | | 执行位置 | 用户空间 | 内核空间 | | 性能 | 较低 | 较高 | | 灵活性 | 较低 | 较高 | | 可编程性 | 有限 | 强大 | | 安全性 | 相对较低 | 较高 | | 可观测性 | 有限 | 强大 |

EBPF 在金融领域的应用 (与期权相关的)

虽然EBPF并非直接用于期权交易本身，但它在构建低延迟、高吞吐量的金融交易系统和风险管理平台方面具有重要价值。

• **低延迟市场数据处理:** EBPF 可以用于高效地处理和过滤市场数据，例如期权价格、成交量和隐含波动率。 这对于高频交易策略至关重要。
• **风险监控:** EBPF 可以监控交易系统中的风险指标，例如头寸暴露和 VaR (Value at Risk)。
• **合规性:** EBPF 可以用于记录交易活动，并确保交易系统符合监管要求。
• **高频交易系统:** EBPF 可以用于构建低延迟的交易执行引擎，实现快速的期权交易。
• **量化交易策略:** EBPF 可以用于加速量化交易策略的执行，例如期权定价模型和套利策略。

深入学习资源

• EBPF 文档: 官方 EBPF 文档。
• Brendan Gregg 的博客: Brendan Gregg 是 EBPF 领域的专家，他的博客提供了大量的 EBPF 知识。
• Linux 内核文档: 了解 Linux 内核的更多信息。
• Cilium 文档: Cilium 的官方文档。
• bpftrace 文档: bpftrace 的官方文档。

结论

EBPF 是一种强大的技术，它正在改变我们构建和管理系统的的方式。 随着 EBPF 的不断发展，它将在更多领域发挥重要作用。 对于希望深入了解系统编程、网络和安全领域的开发者来说，学习 EBPF 是一个非常有价值的投资。理解 EBPF 的原理和应用，对于构建高性能、安全和可观测性的系统至关重要。它也为金融领域带来了新的可能性，尤其是在需要低延迟和高吞吐量的应用场景中，例如期权交易和风险管理。

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