【译】eBPF 和 Go 经验初探

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【译】eBPF 和 Go 经验初探
原文地址：https://networkop.co.uk/post/2021-03-ebpf-intro/
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本站相关文档：使用 Go 语言管理和分发 ebpf 程序

1. 前言

eBPF 的生态欣欣向荣，无论是 eBPF 本身及其各种应用（包括 XDP）方面都有大量的学习资源。但当涉及到选择库和工具来与 eBPF 进行交互时，会让人有所困惑。在选择时，你必须在基于 Python 的 BCC 框架、基于 C 的 libbpf 和一系列基于 Go 的 Dropbox、Cilium、Aqua 和 Calico 等库中选择。另一个经常被忽视的重要领域是 eBPF 代码的 "生产化"，即从手动编写的样例到生产级应用（例如 Cilium）。在本篇文章中，我将记录相关的经验，特别是在网络（XDP）应用程序场景中，使用 Go 编写的用户空间控制程序。

2. 选择 eBPF 库

在大多数情况下，eBPF 库主要协助实现两个功能：
- 将 eBPF 程序和 Map 载入内核并执行重定位，通过其文件描述符将 eBPF 程序与正确的 Map 进行关联。
- 与 eBPF Map 交互，允许对存储在 Map 中的键/值对进行标准的 CRUD 操作。
部分库也可以帮助你将 eBPF 程序附加到一个特定的钩子，尽管对于网络场景下，这可能很容易采用现有的 netlink API 库完成。

当涉及到 eBPF 库的选择时，我并不是唯一感到困惑的人（见[1], [2]）。事实是每个库都有各自的范围和限制。
- Calico 在用 bpftool 和 iproute2 实现的 CLI 命令基础上实现了一个 Go 包装器。
- Aqua 实现了对 libbpf C 库的 Go 包装器。
- Dropbox 支持一小部分程序，但有一个非常干净和方便的用户API。
- IO Visor 的 gobpf 是 BCC 框架的 Go 语言绑定，它更注重于跟踪和性能分析。
- Cilium 和 Cloudflare 维护一个纯 Go 语言编写的库 (以下简称 "libbpf-go")，它将所有 eBPF 系统调用抽象在一个本地 Go 接口后面。
基于我的网络特定用例，我最终选择了 libbpf-go，因为其被 Cilium 和 Cloudflare 使用，并且有一个活跃的社区，尽管我也非常喜欢简单易用的 Dropbox 库，并且也可以使用它。

为了熟悉开发过程，我决定实现一个 XDP 交叉连接的应用，它在网络拓扑模拟方面有一个非常小众但重要的用例。我们的目标是要有一个应用程序来观察一个配置文件，并确保本地接口根据该文件的 YAML 规范进行互连。下面是对 xdp-xconnect 工作高层次概述。

下面的章节将逐步描述应用的构建和交付过程，更多的是关注集成，而不是实际的代码。xdp-xconnect的完整代码在Github上可用。

3. 步骤1 - 编写 eBPF 代码

通常情况下，这将是任何 "eBPF 入门" 文章的主要部分，然而这一次它并不是重点。我并不认为自己可以帮助别人学习如何编写eBPF，然而，我可以参考一些非常好的资源。
- 通用的 eBPF 理论在网站 ebpf.io 和 Cilium 的 eBPF 和 XDP 参考指南中有大量的细节。
- 对 eBPF 和 XDP 进行实践的最好地方是 xdp-tutorial。这是一个了不起的资源，即使你最终选择不完成作业，也绝对值得阅读。
- Cilium 的源代码和其在 [1] 和 [2] 的分析。
我的 eBPF 程序非常简单，它包括对 eBPF 帮助函数的一次调用，可根据传入接口的索引将所有数据包从一个接口重定向到另一个。
```
#include <linux/bpf.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>

SEC("xdp")
int  xdp_xconnect(struct xdp_md *ctx)
{
    return bpf_redirect_map(&xconnect_map, ctx->ingress_ifindex, 0);
}
```
为了编译上述程序，我们需要为所有包含的头文件提供包含路径。最简单的方法是在 linux/tools/lib/bpf/ 下复制所有文件，然而，这将包括很多不必要的文件。因此，另一种方法是创建一个依赖性列表。
```
$ clang -MD -MF xconnect.d -target bpf -I ~/linux/tools/lib/bpf -c xconnect.c
```
现在我们可以只对 xconnect.d 中指定的少量文件进行本地拷贝，并使用以下命令为本地 CPU 架构编译 eBPF 代码。
```
$ clang -target bpf -Wall -O2 -emit-llvm -g -Iinclude -c xconnect.c -o - | 
llc -march=bpf -mcpu=probe -filetype=obj -o xconnect.o
```
The resulting ELF file is what we’d need to provide to our Go library in the next step.

编译生成的 ELF 文件就是我们在下一步需要提供给 Go 库的程序。

4. 步骤 2 - 编写 Go 代码

编译好的 eBPF 程序和 Map 可以通过 libbpf-go 加载，这只需几个指令。通过添加带有 ebpf 标签的结构，我们可以自动进行重定位程序，并且知道何处发现 Map。
```
spec, err := ebpf.LoadCollectionSpec("ebpf/xconnect.o")
if err != nil {
  panic(err)
}

var objs struct {
	XCProg  *ebpf.Program `ebpf:"xdp_xconnect"`
	XCMap   *ebpf.Map     `ebpf:"xconnect_map"`
}
if err := spec.LoadAndAssign(&objs, nil); err != nil {
	panic(err)
}
defer objs.XCProg.Close()
defer objs.XCMap.Close()
```
ebpf.Map 类型有一组方法，可对加载的 Map 内容进行标准的 CRUD 操作：
```
err = objs.XCMap.Put(uint32(0), uint32(10))

var v0 uint32
err = objs.XCMap.Lookup(uint32(0), &v0)

err = objs.XCMap.Delete(uint32(0))
```
唯一没有被 libbpf-go 包含的步骤是将程序附加到网络钩子上。然而，这可以通过任何现有的 netlink 库轻松实现，例如vishvananda/netlink，通过将网络连接与加载程序的文件描述符联系起来：
```
link, err := netlink.LinkByName("eth0")
err = netlink.LinkSetXdpFdWithFlags(*link, c.objs.XCProg.FD(), 2)
```
请注意，我使用 SKB_MODE XDP 标志来绕过退出的 veth 驱动程序 caveat 。尽管本地 XDP 模式比任何其他 eBPF 钩子快得多，但 SKB_MODE 可能没有那么快，因为数据包头必须由网络栈预先解析（见视频）。

5. 步骤 3 - 代码分发

在这一点上，如果不是因为一个问题 -- eBPF 代码可移植性，一切都应该已经准备好打包和发布应用。历史上，这个过程涉及将 eBPF 源代码复制到目标平台，拉取所需的内核头文件，并为特定的内核版本进行编译。这个问题对于追踪/监控/跟踪的用例尤其明显，因为这些用例可能需要访问几乎所有的内核数据结构，所以唯一的解决办法是引入中介层（见 CO-RE）。

另一方面，网络用例依赖于一个相对较小且稳定的内核类型子集，所以它们不会像跟踪和性能分析程序那样遇到同样的问题。根据我目前看到的情况，两种最常见的代码打包方法是：
- 将 eBPF 代码与所需的内核头文件放在一起，假设它们与底层内核相匹配（见Cilium）。
- 分发 eBPF 代码并在目标平台上拉取内核头文件。
在这两种情况下，eBPF 代码仍然需要在目标平台上编译，这是一个额外的步骤，需要在用户空间应用程序启动之前进行。然而，还有一个选择，那就是预先将 eBPF 代码编译成 ELF 格式文件，最终只分发 ELF 文件。这正是 bpf2go 可以做到的，它可以将编译后的代码嵌入到 Go 包中。其依靠 go generate 注解指令产生一个新的文件，其中包含编译好的 eBPF 和 libbpf-go 脚手架代码，唯一的要求是 //go:generate 指令。一旦生成，我们的 eBPF 程序只需几行就可以被加载（注意没有任何参数）。
```
specs, err := newXdpSpecs()
objs, err := specs.Load(nil)
```
这种方法明显的优点是，我们不再需要在目标机器上编译，可以在一个软件包或 Go 二进制文件中同时运送 eBPF 和用户空间 Go 代码。这很好，因为它允许我们不仅将应用程序作为二进制文件使用，还可以将其导入任何第三方 Go 应用程序中（见使用实例）。

6. 阅读和有趣的参考资料

通用理论：
https://github.com/xdp-project/xdp-tutorial
https://docs.cilium.io/en/stable/bpf/
https://qmonnet.github.io/whirl-offload/2016/09/01/dive-into-bpf/

BCC 和 libbpf：
https://facebookmicrosites.github.io/bpf/blog/2020/02/20/bcc-to-libbpf-howto-guide.html
https://nakryiko.com/posts/libbpf-bootstrap/
https://pingcap.com/blog/why-we-switched-from-bcc-to-libbpf-for-linux-bpf-performance-analysis
https://facebookmicrosites.github.io/bpf/blog/

eBPF/XDP 性能：
https://www.netronome.com/blog/bpf-ebpf-xdp-and-bpfilter-what-are-these-things-and-what-do-they-mean-enterprise/

Linus Kernel 代码风格：
https://www.kernel.org/doc/html/v5.9/process/coding-style.html

libbpf-go 样例程序：
https://github.com/takehaya/goxdp-template
https://github.com/hrntknr/nfNat
https://github.com/takehaya/Vinbero
https://github.com/tcfw/vpc
https://github.com/florianl/tc-skeleton
https://github.com/cloudflare/rakelimit
https://github.com/b3a-dev/ebpf-geoip-demo

bpf2go：
https://github.com/lmb/ship-bpf-with-go
https://pkg.go.dev/github.com/cilium/ebpf/cmd/bpf2go

XDP 样例程序：
https://github.com/cpmarvin/lnetd-ctl
https://gitlab.com/mwiget/crpd-l2tpv3-xdp
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1. 前言

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4. 步骤 2 - 编写 Go 代码

5. 步骤 3 - 代码分发

6. 阅读和有趣的参考资料