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构建高性能的用户态 eBPF 虚拟机：基于 LLVM 的 llvmbpf 项目

我们很高兴向大家介绍 llvmbpf，这是一个全新的项目，旨在为开发者提供一个高性能、支持多架构的 eBPF 虚拟机（VM）。llvmbpf 利用 LLVM 框架实现了即时编译（JIT）和提前编译（AOT），让你能够在用户态中高效运行 eBPF 程序。

该项目是 bpftime 项目的一部分，但它专注于核心虚拟机功能。llvmbpf 可以作为独立的 eBPF VM 库或编译工具使用。它经过性能优化，具备极高的灵活性，并且依赖极少，能够轻松集成到各种环境中而不会带来额外负担。

为什么选择 llvmbpf？

虽然已有许多用户态 eBPF 运行时，但我们开发 llvmbpf 是为了解决一些现有解决方案可能无法满足的特定需求：

  1. AOT 编译器：llvmbpf 能够将 eBPF 字节码编译成本机 ELF 目标文件，方便开发者部署预编译的 eBPF 程序。这种方法在资源受限的环境中特别高效。此外，你还可以基于 LLVM IR 实验不同的优化技术，获得更多的灵活性和对编译过程的控制。

  2. 独立部署：通过 llvmbpf，你可以将 eBPF 程序构建为无需外部依赖的独立二进制文件。这一功能在嵌入式系统、微控制器或其他难以安装额外软件的环境中非常实用。相比于原生 C 代码开发，llvmbpf 确保了 eBPF 部分在集成到验证器后得到了验证。

  3. 多架构支持：llvmbpf 设计为兼容多种架构，能够在不同的硬件平台上通用。

  4. Maps 和数据重定位支持：与许多其他用户态 eBPF 解决方案不同，llvmbpf 提供了对 eBPF maps、数据重定位以及 lddw 辅助函数的强大支持，使得你可以开发更复杂、更强大的 eBPF 程序。

  5. 可扩展的优化方法：利用 LLVM 的强大优化能力，llvmbpf 支持高级优化，例如内联 maps 和辅助函数，以及使用原始的 LLVM IR 来提升性能。

接下来，我们将通过一些实际示例来展示如何使用 llvmbpf，重点介绍其核心功能和特点。

如果你需要一个全面的用户态 eBPF 运行时，支持 maps、辅助函数，并能够无缝执行 Uprobe、系统调用跟踪、XDP 等 eBPF 程序——与内核功能类似但运行在用户态——可以参考 bpftime 项目。

开始使用 llvmbpf

将 llvmbpf 作为库使用

llvmbpf 可以作为库在你的应用程序中使用，以加载和执行 eBPF 程序。以下是一个基本示例：

void run_ebpf_prog(const void *code, size_t code_len) {
    uint64_t res = 0;
    llvmbpf_vm vm;

    res = vm.load_code(code, code_len);
    if (res) {
        return;
    }
    vm.register_external_function(2, "print", (void *)ffi_print_func);
    auto func = vm.compile();
    if (!func) {
        return;
    }
    int err = vm.exec(&bpf_mem, sizeof(bpf_mem), res);
    if (err != 0) {
        return;
    }
    printf("res = %" PRIu64 "\n", res);
}

这个示例展示了如何加载 eBPF 字节码、注册外部函数并在虚拟机中执行程序。

将 llvmbpf 作为 AOT 编译器使用

llvmbpf 最强大的功能之一是它可以作为 AOT 编译器，将 eBPF 字节码转换为本机 ELF 目标文件。这种方法不仅提升了性能，还简化了 eBPF 程序的部署。

你可以使用命令行工具从 eBPF 字节码生成 LLVM IR：

# ./build/cli/bpftime-vm build .github/assets/sum.bpf.o -emit-llvm > test.bpf.ll
# opt -O3 -S test.bpf.ll -opaque-pointers -o test.opt.ll
# cat test.opt.ll

将 eBPF 程序 AOT 编译为 ELF 文件：

# ./build/cli/bpftime-vm build .github/assets/sum.bpf.o
[info] Processing program test
[info] Program test written to ./test.o

加载并运行 AOT 编译的 eBPF 程序：

# echo "AwAAAAEAAAACAAAAAwAAAA==" | base64 -d > test.bin
# ./build/cli/bpftime-vm run test.o test.bin
[info] LLVM-JIT: Loading aot object
[info] Program executed successfully. Return value: 6

生成的 ELF 目标文件可以与其他目标文件链接，或直接加载到 llvmbpf 运行时，使其在不同场景中都非常实用。

从 ELF 文件加载 eBPF 字节码

llvmbpf 支持直接从 ELF 文件加载 eBPF 字节码，这是一种存储已编译 eBPF 程序的常见格式。当你使用现有的 eBPF 工具链时，这一功能特别有用。

bpf_object *obj = bpf_object__open(ebpf_elf.c_str());
if (!obj) {
    return 1;
}
std::unique_ptr<bpf_object, decltype(&bpf_object__close)> elf(
    obj, bpf_object__close);

bpf_program *prog;
for ((prog) = bpf_object__next_program((elf.get()), nullptr);
     (prog) != nullptr;
     (prog) = bpf_object__next_program((elf.get()), (prog))) {
    llvmbpf_vm vm;
    vm.load_code((const void *)bpf_program__insns(prog),
                 (uint32_t)bpf_program__insn_cnt(prog) * 8);
}

然而，bpf.o ELF 文件不支持 maps 和数据重定位。我们建议使用 bpftime 从 ELF 文件加载并重定位 eBPF 字节码。这包括：

  • 编写类似内核 eBPF 加载器的加载器来加载 eBPF 字节码（可以参考这里的一个例子）。
  • 使用 libbpf，它支持：
  • maps 的重定位，映射 ID 由加载器和 bpftime 分配。你可以通过辅助函数使用映射 ID 来访问 maps。
  • 通过 lddw 辅助函数访问数据。
  • 在加载 eBPF 字节码并完成重定位后，你可以使用 bpftimetool 导出 maps 信息和 eBPF 字节码。

支持 eBPF Maps 和数据重定位

llvmbpf 提供了对 maps 和数据重定位的广泛支持，使开发者能够编写与不同数据源交互的复杂 eBPF 程序。例如，你可以使用辅助函数访问 maps，或者在 eBPF 程序中将 maps 定义为全局变量并直接访问。

eBPF 程序可以通过两种方式与 maps 交互：

  • 使用辅助函数访问 maps，例如 bpf_map_lookup_elem、bpf_map_update_elem 等。
  • 在 eBPF 程序中将 maps 定义为全局变量，并直接访问这些 maps。
uint32_t ctl_array[2] = { 0, 0 };
uint64_t cntrs_array[2] = { 0, 0 };

void *bpf_map_lookup_elem(uint64_t map_fd, void *key) {
    if (map_fd == 5) {
        return &ctl_array[*(uint32_t *)key];
    } else if (map_fd == 6) {
        return &cntrs_array[*(uint32_t *)key];
    } else {
        return nullptr;
    }
}

构建独立二进制文件进行部署

llvmbpf 的一个重要特性是可以将 eBPF 程序编译为独立的二进制文件。这使得在无法安装依赖项的环境中部署 eBPF 应用程序成为可能，例如微控制器或其他嵌入式系统。

你可以将 eBPF 程序构建为独立的二进制文件，无需任何外部库，并

且可以像普通 C 代码一样执行，且支持辅助函数和 maps。

这种方法有以下几个好处：

  • 可以轻松地将 eBPF 程序部署到任何机器上，而无需安装依赖项。
  • 避免在运行时加载 eBPF 字节码和 maps 的开销。
  • 适用于没有操作系统的微控制器或嵌入式系统。

以下是一个基本示例：

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>

int bpf_main(void* ctx, uint64_t size);

uint32_t ctl_array[2] = { 0, 0 };
uint64_t cntrs_array[2] = { 0, 0 };

void *_bpf_helper_ext_0001(uint64_t map_fd, void *key) {
  printf("bpf_map_lookup_elem %lu\n", map_fd);
  if (map_fd == 5) {
    return &ctl_array[*(uint32_t *)key];
  } else if (map_fd == 6) {
    return &cntrs_array[*(uint32_t *)key];
  } else {
    return NULL;
  }
}

void* __lddw_helper_map_val(uint64_t val) {
    printf("map_val %lu\n", val);
    if (val == 5) {
        return (void *)ctl_array;
    } else if (val == 6) {
        return (void *)cntrs_array;
    } else {
        return NULL;
    }
}

uint8_t bpf_mem[] = { 0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77, 0x88 };

int main() {
    printf("The value of cntrs_array[0] is %" PRIu64 "\n", cntrs_array[0]);
    printf("calling ebpf program...\n");
    bpf_main(bpf_mem, sizeof(bpf_mem));
    printf("The value of cntrs_array[0] is %" PRIu64 "\n", cntrs_array[0]);
    return 0;
}

使用 LLVM IR 编译 C 代码：

clang -g main.c xdp-counter.ll -o standalone

然后你可以直接运行 standalone eBPF 程序。与原生 C 代码开发相比，这确保了 eBPF 部分在与验证器集成后得到了验证。

优化技术

llvmbpf 提供了多种优化技术来提升 eBPF 程序的性能。两个值得注意的方法包括：

内联 Maps 和辅助函数

通过内联 maps 和辅助函数，llvmbpf 减少了函数调用的开销，从而实现更高效的 eBPF 程序执行。

clang -S -O3 -emit-llvm libmap.c -o libmap.ll
llvm-link -S -o xdp-counter-inline.ll xdp-counter.ll libmap.ll
opt --always-inline -S xdp-counter-inline.ll -o xdp-counter-inline.ll

使用原始的 LLVM IR 从 C 代码生成

与仅依赖 eBPF 指令集不同，llvmbpf 允许开发者使用从 C 代码生成的原始 LLVM IR。这种灵活性为更高级的优化和更高的性能打开了大门。

int bpf_main(void* ctx, int size) {
    _bpf_helper_ext_0006("hello world: %d\n", size);
    return 0;
}

eBPF 是为验证而设计的指令集，但它可能并不是性能最佳的选择。llvmbpf 还支持使用来自 C 代码的原始 LLVM IR。请参见 example/load-llvm-ir 获取示例。你可以：

  • 将 C 代码编译为 eBPF 以进行验证。
  • 将 C 代码编译为 LLVM IR 和本机代码，以在 VM 中执行。

结论

llvmbpf 是一个强大的工具，适合那些希望在内核之外利用 eBPF 的开发者。通过 AOT 编译、独立部署以及对 maps 和重定位的广泛支持，它为各种应用场景提供了灵活且高性能的解决方案。无论你从事的是网络、安全还是性能监控领域，llvmbpf 都能为你提供构建高效、可移植 eBPF 程序所需的工具。

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