【报告】2024年eBPF技术实践白皮书（第二版）

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这篇报告详细介绍了eBPF（Extended Berkeley Packet Filter）技术的概念、架构、开发框架及其在多种应用场景中的实践和创新。

研究背景

背景介绍: 这篇报告的研究背景是eBPF技术的诞生和发展。eBPF使得BPF不再仅限于网络栈，而是成为内核的一个顶级子系统，具有安全、稳定、零侵入、方便的内核可编程性等特点。

研究内容: 该问题的研究内容包括eBPF的架构和重要技术原理，eBPF在多种典型应用场景的使用方案，以及eBPF技术的发展趋势。

文献综述: 该问题的相关工作有：eBPF引领的创新涉及下一代网络、可观察性和安全技术等领域，已经在现代数据中心和云原生环境中广泛应用。

核心内容

eBPF技术介绍

eBPF架构：包括用户空间程序和内核程序两部分，用户空间程序负责加载BPF字节码至内核，内核中的BPF程序负责在内核中执行特定事件。

eBPF加载过程：包括字节码读取、重定位和Verifier等过程。

JIT编译：即时编译，将中间码编译成对应的机器码并缓存起来。

挂载与执行：eBPF在内核提供了大量的挂载点，算上kprobe挂载点，几乎可以在内核代码的任意函数挂载一段eBPF程序。

map的实现与性能：map的定义信息在编译后会保存到字节码文件中，支持多种数据结构，如Array、Hash等。

常见程序类型：包括跟踪、网络和其他类型。

基于eBPF的技术创新与应用实践

系统诊断：基于eBPF的系统诊断工具如PingTrace、iofsstat、memleak等，提供了更强大的能力来定位网络抖动、IO问题、内存泄漏和调度问题。

虚拟化IO全链路时延监测：基于bpftrace的虚拟化IO路径追踪方案，支持虚拟化IO全链路追踪分析和跨用户态/内核态的完整生命周期分析。

TCP监控：基于eBPF的TCP监控工具tcprt，能够在TCP层面向链路、TCP连接、应用进行实时监控。

网络性能优化：基于eBPF的网络性能优化方案，如TC eBPF加速、sockops/sockmap加速等，提升了网络处理性能。

流量镜像：基于eBPF的流量镜像解决方案，实现了更加精准有效的流量采集。

网络访问控制：基于eBPF的网络访问控制方案，提供了更加高效和灵活的网络访问控制。

软件网络功能优化：基于eBPF实现网络功能的优势和技术挑战，提出了基于标准库的优化eBPF网络功能技术方案。

安全实践：基于eBPF的新一代安全解决方案，如KSecure安全防御组件，提供了主机、容器安全检测和防御能力。

结论

这篇报告详细介绍了eBPF技术的架构、开发框架及其在多种应用场景中的实践和创新。eBPF技术在内核中运行沙箱程序，通过验证引擎和即时编译器保证安全性和执行效率，成为实现内核定制与功能多样性的最佳选择。基于eBPF的技术创新在系统诊断、虚拟化IO全链路时延监测、TCP监控、网络性能优化、流量镜像、网络访问控制、软件网络功能优化和安全实践等方面展现了巨大的潜力和应用价值。

这篇报告为eBPF技术的进一步研究和应用提供了全面的理论支持和实践指导。

文泽企屋

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