如何在 Linux 显微镜（LMP）项目中开启 eBPF 之旅？

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eBPF 为 Linux 内核提供了可扩展性，使开发人员能够对 Linux 内核进行编程，以便根据他们的业务需求快速构建智能的或丰富的功能。

我们的 LMP(Linux Microscope) 项目[1] 是为了充分挖掘 ebpf 的可能性而建立的，项目以构建 eBPF 学习社区、成为 eBPF 工具集散地、孵化 eBPF 想法和项目为目标，正在大力建设中。之前我们在 LMP 其中的 eBPF Supermarket 中包含了大量由个人开发者编写的 eBPF 工具，覆盖了网络、性能分析、安全等多种功能，我们正在尝试把其中的一些程序迁移到 eBPF Hub，一些规范化的 eBPF 程序库，可以随时下载运行，或嵌入大型应用程序中作为插件使用。

我们尝试在 eBPF Hub 中，基于 eunomia-bpf 开发框架创建符合 OCI 标准的 WASM 和 eBPF 程序，并利用 ORAS 简化扩展 LMP 的 eBPF 分发、加载、运行能力。

快速使用

如果您想快速开始 eBPF，可以使用我们开发的轻量级框架之上的命令行程序 lmp-cli。当使用脚本安装好我们的框架之后，您只需要一条命令，无需任何编译，即可体会到 eBPF 的强大之处：

$ lmp run sigsnoop
download with curl: https://linuxkerneltravel.github.io/lmp/sigsnoop/package.json
running and waiting for the eBPF events from perf event...
time pid tpid sig ret comm
00:21:41 109955 112863 28 0 gnome-terminal-
00:21:41 109955 112862 28 0 gnome-terminal-
...

如果您使用过 bcc 等 eBPF 开发工具，您一定会惊喜于 LMP 的便捷性。LMP 中包含了各种各样的 eBPF 程序，这种便捷的运行，离不开我们基于的底层框架 eunomia-bpf，它完全实现了“一次编译，处处运行”的 eBPF 跨平台目标。在 eunomia-bpf 框架下，LMP 开发的 eBPF 应用不仅可以适配任意架构和不同内核版本，而且还具有轻量级、良好的隔离性等优点，可以作为插件到嵌入大型应用之中。

eunomia-bpf：结合 eBPF 和 WASM 的轻量级开发框架

作为一个 eBPF 程序的轻量级开发加载框架，eunomia-bpf 基于 WASM 运行时和 BTF 技术，包含了一个用户态动态加载框架/运行时库，以及一个简单的编译 WASM 和 eBPF 字节码的工具链容器。

Wasm 是为了一个可移植的目标而设计的，可作为 C/C+/RUST 等高级语言的编译目标，使客户端和服务器应用程序能够在 Web 上部署。目前已经发展成为一个轻量级、高性能、跨平台和多语种的软件沙盒环境，被运用于云原生软件组件。eunomia-bpf 将 eBPF 用户态的所有控制和数据处理逻辑全部移到 WASM 虚拟机中，通过 WASM module 打包和分发 eBPF 字节码，同时在 WASM 虚拟机内部控制整个 eBPF 程序的加载和执行，将二者的优势结合了起来。

在 WASM 模块中编写 eBPF 代码和通常熟悉的使用 libbpf 框架或 Coolbpf 开发 eBPF 程序的方式是基本一样的，WASM 的复杂性会被隐藏在 eunomia-bpf 的编译工具链和运行时库中，开发者可以专注于 eBPF 程序的开发和调试，不需要了解 WASM 的背景知识，也不需要担心 WASM 的编译环境配置。

大致来说，eunomia-bpf 在 WASM 运行时和用户态的 libbpf 中间多加了一层抽象层，使得一次编译、到处运行的 eBPF 代码可以从 JSON 对象中动态加载。JSON 对象会在编译时被包含在 WASM 模块中，因此在运行时，我们可以通过解析 JSON 对象来获取 eBPF 程序的信息，然后动态加载 eBPF 程序。通过 WASM module 打包和分发 eBPF 字节码，同时在 WASM 虚拟机内部控制整个 eBPF 程序的加载和执行，eunomia-bpf 就可以将二者的优势结合起来，让任意 eBPF 程序能有如下特性：

我们已经测试了在 x86、ARM 等不同架构不同内核版本的 Linux 系统上，eunomia-bpf 框架都可以使用同一个预编译 eBPF 程序二进制，从云端一行命令获取到本地之后运行。之后 eunomia-bpf 还会添加 RISC-V 等更多架构的支持。

使用 lmp-cli 构建一个 eBPF 项目

如果您是一个 eBPF 工具的使用者，您可以无需任何编译流程，也不需要了解任何 eBPF 和 WASM 的相关知识，使用 lmp run <name> 就可以直接运行 LMP 仓库的小程序，其中会调用lmp pull <name>命令从云端从库中下载对应的小程序。

如果您是一个 eBPF 程序的开发者，让我们开始创建、编译并运行一个简单的程序。在这里，我们使用基简单命令行工具 lmp-cli，概述如何从四个步骤开始构建。

1. 准备你的环境

eBPF 本身是一种 Linux 内核技术，因此任何实际的 BPF 程序都必须在 Linux 内核中运行。我建议您从内核 5.4 或更新的版本开始。从 SSH 终端，检查内核版本，并确认您已经启用了 CONFIG_DEBUG_INFO_BTF：

uname -r
cat /boot/config-$(uname -r) | grep CONFIG_DEBUG_INFO_BTF

你会看到类似这样的输出：

$ uname -r
5.15.0-48-generic

$ cat /boot/config-$(uname -r) | grep CONFIG_DEBUG_INFO_BTF
CONFIG_DEBUG_INFO_BTF=y
CONFIG_DEBUG_INFO_BTF_MODULES=y

安装命令行工具 lmp-cli：

curl https://github.com/GorilaMond/lmp_cli/releases/download/lmp/install.sh | sh

2. 创建项目的内核部分

使用lmp init创建一个项目模板，来初始化你的内核程序，快速地投入到代码的编写中：

lmp init hello

成功创建项目后，您将看到如下类似的输出：

$ lmp init hello
Cloning into 'ebpm-template'...

它实际上创建了一个项目名对应的文件夹，里面有这些文件：

$ cd hello/
$ ll
...
-rw-rw-r--  1 a a 2910 10月 17 23:18 bootstrap.bpf.c
-rw-rw-r--  1 a a  392 10月 17 23:18 bootstrap.bpf.h
-rw-rw-r--  1 a a  221 10月 17 23:18 config.json
drwxrwxr-x  8 a a 4096 10月 17 23:18 .git/
drwxrwxr-x  3 a a 4096 10月 17 23:18 .github/
-rw-rw-r--  1 a a   21 10月 17 23:18 .gitignore
-rw-rw-r--  1 a a 2400 10月 17 23:18 README.md

内核程序模板 bootstrap.bpf.c 中默认的跟踪点为 tp/sched/sched_process_exec和tp/sched/sched_process_exit，用来跟踪新程序的执行和退出，这里不做修改。

构建内核项目，如下所示。保存您的更改，使用 sudo lmp build 构建内核程序，这会创建一个名为 package.json 的对象文件。

$ sudo lmp build
make
  ...
  BINARY   client
  DUMP_LLVM_MEMORY_LAYOUT
  DUMP_EBPF_PROGRAM
  FIX_TYPE_INFO_IN_EBPF
  GENERATE_PACKAGE_JSON

3. 运行内核程序

可以使用lmp run package.json运行内核程序，没有用户端程序对数据的处理的情况下，该框架下内核程序将会输出所有被 output 的数据：

$ sudo lmp run ./package.json
running and waiting for the ebpf events from ring buffer...
time pid ppid exit_code duration_ns comm filename exit_event

一开始您不会看到任何数据，只有当内核的跟踪点被触发时，这里是新的进程被创建或退出时，才会输出数据。这里新建了一个虚拟终端，输出了如下数据：

23:31:31 111788 109955 0 0 bash /bin/bash 0
23:31:31 111790 111788 0 0 lesspipe /usr/bin/lesspipe 0
...

4. 添加用户态程序

我们提供的是 demo 是 C 语言版本的 WASM 开发框架，在构建好的内核项目文件夹内，使用 sudo lmp gen-wasm-skel 生成一个 WASM 用户态项目模板，app.c、eunomia-include、ewasm-skel.h 这些文件会被生成。ewasm-skel.h 是被打包为头文件的内核程序，app.c 是用户态程序的模板文件，我们可以修改它来进行自定义的数据处理，这里不做修改。

$ sudo lmp gen-wasm-skel
make
  BPF      .output/client.bpf.o
...

使用sudo lmp build-wasm构建用户态程序，生成 app.wasm 文件

$ sudo lmp build-wasm
make
  BPF      .output/client.bpf.o
...

使用lmp run app.wasm运行用户态程序，json 格式的输出为通用的数据处理做好了准备：

$ lmp run app.wasm
running and waiting for the ebpf events from ring buffer...
{"pid":112665,"ppid":109955,"exit_code":0,"duration_ns":0,"comm":"bash","filename":"/bin/bash","exit_event":0}
{"pid":112667,"ppid":112665,"exit_code":0,"duration_ns":0,"comm":"lesspipe","filename":"/usr/bin/lesspipe","exit_event":0}
{"pid":112668,"ppid":112667,"exit_code":0,"duration_ns":0,"comm":"basename","filename":"/usr/bin/basename","exit_event":0}
...

另一个例子：使用 eBPF 打印进程内存使用状况

可以将 bootstrap.bpf.c 重命名为 procstat.bpf.c，将 bootstrap.bpf.h 重命名为 procstat.bpf.h，然后编译运行。对应的源代码如下：

procstat.bpf.c

#include "vmlinux.h"
#include <bpf/bpf_helpers.h>
#include <bpf/bpf_tracing.h>
#include <bpf/bpf_core_read.h>
#include "procstat.h"

char LICENSE[] SEC("license") = "Dual BSD/GPL";

struct {
 __uint(type, BPF_MAP_TYPE_RINGBUF);
 __uint(max_entries, 256 * 1024);
} rb SEC(".maps");


SEC("kprobe/finish_task_switch")
int BPF_KPROBE(finish_task_switch, struct task_struct *prev)
{
 struct event *e;
 struct mm_rss_stat rss = {};
 struct mm_struct *mms;
 long long *t;

 e = bpf_ringbuf_reserve(&rb, sizeof(*e), 0);
 if (!e)
  return 0;

 e->pid = BPF_CORE_READ(prev, pid);
 e->vsize = BPF_CORE_READ(prev, mm, total_vm);
 e->Vdata = BPF_CORE_READ(prev, mm, data_vm);
 e->Vstk = BPF_CORE_READ(prev, mm, stack_vm);
 e->nvcsw = BPF_CORE_READ(prev, nvcsw);
 e->nivcsw = BPF_CORE_READ(prev, nivcsw);

 rss = BPF_CORE_READ(prev, mm, rss_stat);
 t = (long long *)(rss.count);
 e->rssfile = *t;
 e->rssanon = *(t + 1);
 e->vswap = *(t + 2);
 e->rssshmem = *(t + 3);
 e->size = *t + *(t + 1) + *(t + 3);

 bpf_ringbuf_submit(e, 0);
 return 0;
}

proc.bpf.h

#ifndef __BOOTSTRAP_H
#define __BOOTSTRAP_H

#define TASK_COMM_LEN 16
#define MAX_FILENAME_LEN 127

struct event {
/*进程内存状态报告*/
    pid_t pid;
    long nvcsw;
    long nivcsw;
    long vsize;              //虚拟内存
    long size;               //物理内存
    long long rssanon;       //匿名页面
    long long rssfile;       //文件页面
    long long rssshmem;      //共享页面
    long long vswap;         //交换页面
    long long Hpages;        //hugetlbPages
    long Vdata;              //Private data segments
    long Vstk;               //User stack
    long long VPTE;
};
#endif /* __BOOTSTRAP_H */

具体的上报事件信息在 event 结构体中定义：

参数 含义
vsize 进程使用的虚拟内存
size 进程使用的最大物理内存
rssanon 进程使用的匿名页面
rssfile 进程使用的文件映射页面
rssshmem 进程使用的共享内存页面
vswap 进程使用的交换分区大小
vdata 进程使用的私有数据段大小
vpte 进程页表大小
vstk 进程用户栈大小

也可以在 bolipi 的平台中在线编译，在线体验运行 eBPF 程序：https://bolipi.com/ebpf/home/online

完整的代码、文档和运行结果可以在 LMP 中 eBPF_Supermarket 处找到：eBPF_Supermarket/Memory_Subsystem/memstat/procstat[2]

相关背景

LMP 项目的成立初衷是：

LMP 目前分为四个子项目：

当前 LMP 项目也存在一些问题，例如对于 eBPF 工具的开发者，存在非常多而且复杂的用户态可视化、展示方案，有许多套系统提供可视化的实现并且有多种语言混合，缺乏展示标准、也难以进行可视化的整合等。因此，我们希望尝试借助 eunomia-bpf 提供的符合 OCI 标准的 WASM 和 eBPF 程序，提供标准化、高可扩展性的基于 eBPF 的可视化、数据展示、分析平台，利用 ORAS 简化扩展 eBPF 的分发、加载、运行能力，为 eBPF 工具的开发者和使用者提供更加简单、高效的体验。

WebAssembly

WebAssembly 是一种新的编码方式，可以在现代的网络浏览器中运行 － 它是一种低级的类汇编语言，具有紧凑的二进制格式，可以接近原生的性能运行，并为诸如 c\c++ 等语言提供一个编译目标，以便它们可以在 Web 上运行。它也被设计为可以与 JavaScript 共存，允许两者一起工作。而且，更棒的是，这是通过 W3C WebAssembly Community Group 开发的一项网络标准，并得到了来自各大主要浏览器厂商的积极参与。

尽管 WebAssembly 是为运行在 Web 上设计的，它也可以在其它的环境中良好地运行。包括从用作测试的最小化 shell ，到完全的应用环境 —— 例如：在数据中心的服务器、物联网（IoT）设备或者是移动/桌面应用程序。甚至，运行嵌入在较大程序里的 WebAssembly 也是可行的。通常，通过维持不需要 Web API 的非 Web 路径，WebAssembly 能够在许多平台上用作便携式的二进制格式，为移植性、工具和语言无关性带来巨大的好处。（因为它支持 c\c++ 级语义）

WASM 的编译和部署流程如下：

wasm-compile-deploy

OCI(Open Container Initiative)

开放容器协议(OCI)是一个轻量级，开放的治理结构，为容器技术定义了规范和标准。在 Linux 基金会的支持下成立，由各大软件企业构成，致力于围绕容器格式和运行时创建开放的行业标准。其中包括了使用 Container Registries 进行工作的 API，正式名称为 OCI 分发规范(又名“distribution-spec”)。这个发布规范是基于 Docker 公司最初发布的开源注册服务器编写的，它存在于 GitHub 的distribution/distribution[3]（现在是CNCF[4]项目）上。

OCI 目前提出的规范有如下这些：

名称 版本
Runtime Specification[5] v1.0.2
Image Format[6] v1.0.2
Distribution Specification[7] v1.0.1

其中 runtime 和 image 的规范都已经正式发布，而 distribution 的还在工作之中。runtime 规范中介绍了如何运行解压缩到磁盘上的 Filesystem Bundle[8]。在 OCI 标准下，运行一个容器的过程就是下载一个 OCI 的镜像，将其解压到某个 Filesystem Bundle 中，然后某个 OCI Runtime 就会运行这个 Bundle。

伴随着 image spec 与 distribution spec 的演化，人们开始逐步认识到除了 Container Images 之外，Registries 还能够用来分发 Kubernetes Deployment Files, Helm Charts, docker-compose, CNAB[9] 等产物。它们可以共用同一套 API，同一套存储，将 Registries 作为一个云存储系统。这就为带来了 OCI Artifacts 的概念，用户能够把所有的产物都存储在 OCI 兼容的 Registiry 当中并进行分发。为此，Microsoft 将 oras[10] 作为一个 client 端实现捐赠给了社区，包括 Harbor 在内的多个项目都在积极的参与。

ORAS(OCI Registry As Storage)

Registries 正在逐渐演变为通用的组件存储库。为了实现这一目标，ORAS 项目提供了一种将 OCI Artifacts 从 OCI Registries 提交和拉取的方法。正在寻求通用 Registries 客户端的用户可以从ORAS CLI[11]中得到帮助，而开发人员可以在ORAS 客户端的开发库[12]之上构建自己的客户端。

ORAS 的工作原理与您可能已经熟悉的工具(如 docker)类似。它允许您向 OCI Registries 推送(上传)和提取(下载)内容，并处理登录(身份验证)和令牌流(授权)。ORAS 的不同之处在于将焦点从容器映像转移到其他类型的组件上。

因此，鼓励新的 OCI Artifacts 的作者定义他们自己的组件媒体类型，以使得他们的用户知道如何对其进行操作。

如果您希望立即开始发布 OCI Artifacts，请查看ORAS CLI[13]。希望提供给自己用户体验的开发人员应该使用一个 ORAS 客户端开发库。

未来的发展方向

未来 LMP 会专注于更多的基于 eBPF 的应用工具和实践的开发：

  1. 进一步完善 ORAS 和 OCI 镜像相关的支持；
  2. 重构并迁移现有的 eBPF 工具，提供完整的、开箱即用的分析工具组件，例如性能工程等方面；
  3. 探索和孵化更多的 eBPF 想法、相关工具、项目；

我们所基于的 eunomia-bpf 项目也会继续完善，专注于提供一个底层的 eBPF 开发平台和运行时基础设施，力求带来更好的开发和移植体验：

  1. 测试更多平台和内核版本的支持，目前已经在 ARM64 和 x86_64 上成功移植并运行，接下来会对低内核版本、Android、RISC-V 等平台，以及嵌入式、边缘计算相关的设备进行更进一步的测试；也许在未来，我们还可以提供 Windows 上的 eBPF 程序支持和类似的开发体验；
  2. 提供标准化、稳定的 JSON 和 WASM 接口协议规范以及 OCI 镜像规范，不和任何的供应商或云服务绑定。如果不使用 eunomia-bpf 相关的底层运行时，或使用自定义的 WASM 运行时，也可以通过标准化的接口来使用 LMP 中已经有的大量 eBPF 程序生态。
  3. 提供更友好的用户态开发接口，以及更多的用户态开发语言 SDK，例如 Go、Rust、Python 等；
  4. 进行更多关于 WASM 和 eBPF 结合的探索；

参考资料 & 推荐阅读

链接

[1]LMP(Linux Microscope) 项目: https://github.com/linuxkerneltravel/lmp

[2]eBPF_Supermarket/Memory_Subsystem/memstat/procstat: https://github.com/linuxkerneltravel/lmp/tree/develop/eBPF_Supermarket/Memory_Subsystem/memstat/procstat

[3]distribution/distribution: https://github.com/distribution/distribution

[4]CNCF: https://www.cncf.io/

[5]Runtime Specification: https://github.com/opencontainers/runtime-spec

[6]Image Format: https://github.com/opencontainers/image-spec

[7]Distribution Specification: https://github.com/opencontainers/distribution-spec

[8]Filesystem Bundle: https://github.com/opencontainers/runtime-spec/blob/master/bundle.md

[9]CNAB: https://cnab.io/

[10]oras: https://github.com/deislabs/oras

[11]ORAS CLI: https://oras.land/CLI/

[12]ORAS 客户端的开发库: https://oras.land/client_libraries/

[13]ORAS CLI: https://oras.land/CLI/

[14]eunomia-bpf: 一个 eBPF 程序动态加载框架: https://github.com/eunomia-bpf/eunomia-bpf

[15]LMP project: Linux 显微镜: https://github.com/linuxkerneltravel/lmp

[16]OCI Registry As Storage (oras.land): https://oras.land/

[17]开放容器标准(OCI) 内部分享 (xuanwo.io): https://xuanwo.io/2019/08/06/oci-intro/

[18]WebAssembly | MDN (mozilla.org): https://developer.mozilla.org/zh-CN/docs/WebAssembly

[19]非网络嵌入 - WebAssembly 中文网|Wasm 中文文档: http://webassembly.org.cn/docs/non-web/

[20]eBPF 在线学习平台：bolipi.com/ebpf/home/online: https://bolipi.com/ebpf/home/online

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