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所属分类:linux技术
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作者:于桐,郑昱笙eBPF(extended Berkeley Packet Filter)是一种高性能的内核虚拟机,可以运行在内核空间中,以收集系统和网络信息。随着计算机技术的不断发展,eBPF 的功能日益强大,并且已经成为各种效率高效的在线诊断和跟踪系统,以及构建安全的网络、服务网格的重要组成部分。


在 WebAssembly 中使用 Rust 编写 eBPF 程序并发布 OCI 镜像

作者:于桐,郑昱笙

eBPF(extended Berkeley Packet Filter)是一种高性能的内核虚拟机,可以运行在内核空间中,以收集系统和网络信息。随着计算机技术的不断发展,eBPF 的功能日益强大,并且已经成为各种效率高效的在线诊断和跟踪系统,以及构建安全的网络、服务网格的重要组成部分。

WebAssembly(Wasm)最初是以浏览器安全沙盒为目的开发的,发展到目前为止,WebAssembly 已经成为一个用于云原生软件组件的高性能、跨平台和多语言软件沙箱环境,Wasm 轻量级容器也非常适合作为下一代无服务器平台运行时,或在边缘计算等资源受限的场景高效执行。

现在,借助 Wasm-bpf 编译工具链和运行时,我们可以使用 Wasm 将 eBPF 程序编写为跨平台的模块,使用 C/C++ 和 Rust 编写程序。通过在 WebAssembly 中使用 eBPF 程序,我们不仅让 Wasm 应用获得 eBPF 的高性能、对系统接口的访问能力,还可以让 eBPF 程序享受到 Wasm 的沙箱、灵活性、跨平台性、和动态加载的能力,并且使用 Wasm 的 OCI 镜像来方便、快捷地分发和管理 eBPF 程序。例如,可以类似 docker 一样,从云端一行命令获取 Wasm 轻量级容器镜像,并运行任意 eBPF 程序。通过结合这两种技术,我们将会给 eBPF 和 Wasm 生态来一个全新的开发体验!

使用 Wasm-bpf 工具链在 Wasm 中编写、动态加载、分发运行 eBPF 程序

在前两篇短文中,我们已经介绍了 Wasm-bpf 的设计思路,以及如何使用 C/C++ 在 Wasm 中编写 eBPF 程序:

基于 Wasm,我们可以使用多种语言构建 eBPF 应用,并以统一、轻量级的方式管理和发布。以我们构建的示例应用 bootstrap.wasm 为例,使用 C/C++ 构建的镜像大小最小仅为 ~90K,很容易通过网络分发,并可以在不到 100ms 的时间内在另一台机器上动态部署、加载和运行,并且保留轻量级容器的隔离特性。运行时不需要内核特定版本头文件、LLVM、clang 等依赖,也不需要做任何消耗资源的重量级的编译工作。对于 Rust 而言,编译产物会稍大一点,大约在 2M 左右。

本文将以 Rust 语言为例,讨论:

  • 使用 Rust 编写 eBPF 程序并编译为 Wasm 模块
  • 使用 OCI 镜像发布、部署、管理 eBPF 程序,获得类似 Docker 的体验

我们在仓库中提供了几个示例程序,分别对应于可观测、网络、安全等多种场景。

编写 eBPF 程序并编译为 Wasm 的大致流程

一般说来,在非 Wasm 沙箱的用户态空间,使用 libbpf-bootstrap 脚手架,可以快速、轻松地使用 C/C++构建 BPF 应用程序。编译、构建和运行 eBPF 程序(无论是采用什么语言),通常包含以下几个步骤:

  • 编写内核态 eBPF 程序的代码,一般使用 C/C++ 或 Rust 语言
  • 使用 clang 编译器或者相关工具链编译 eBPF 程序(要实现跨内核版本移植的话,需要包含 BTF 信息)。
  • 在用户态的开发程序中,编写对应的加载、控制、挂载、数据处理逻辑;
  • 在实际运行的阶段,从用户态将 eBPF 程序加载进入内核,并实际执行。

使用 Rust 编写 eBPF 程序并编译为 Wasm

Rust 可能是 WebAssembly 生态系统中支持最好的语言。Rust 不仅支持几个 WebAssembly 编译目标,而且 wasmtime、Spin、Wagi 和其他许多 WebAssembly 工具都是用 Rust 编写的。因此,我们也提供了 Rust 的开发示例:

  • Wasm 和 WASI 的 Rust 生态系统非常棒
  • 许多 Wasm 工具都是用 Rust 编写的,这意味着有大量的代码可以复用。
  • Spin 通常在对其他语言的支持之前就有Rust的功能支持
  • Wasmtime 是用 Rust编写的,通常在其他运行时之前就有最先进的功能。
  • 可以在 WebAssembly 中使用许多现成的 Rust 库。
  • 由于 Cargo 的灵活构建系统,一些 Crates 甚至有特殊的功能标志来启用Wasm的功能(例如Chrono)。
  • 由于 Rust 的内存管理技术,与同类语言相比,Rust 的二进制大小很小。

我们同样提供了一个 Rust 的 eBPF SDK,可以使用 Rust 编写 eBPF 的用户态程序并编译为 Wasm。借助 aya-rs 提供的相关工具链支持,内核态的 eBPF 程序也可以用 Rust 进行编写,不过在这里,我们还是复用之前使用 C 语言编写的内核态程序。

首先,我们需要使用 rust 提供的 wasi 工具链,创建一个新的项目:

rustup target add wasm32-wasi cargo new rust-helloworld 

之后,可以使用 Makefile 运行 make 完成整个编译流程,并生成 bootstrap.bpf.o eBPF 字节码文件。

使用 wit-bindgen 生成类型信息,用于内核态和 Wasm 模块之间通信

wit-bindgen 项目是一套着眼于 WebAssembly,并使用组件模型的语言的绑定生成器。绑定是用 *.wit 文件描述的,文件中描述了 Wasm 模块导入、导出的函数和接口。我们可以 wit-bindgen 它来生成多种语言的类型定义,以便在内核态的 eBPF 和用户态的 Wasm 模块之间传递数据。

我们首先需要在 Cargo.toml 配置文件中加入 wasm-bpf-bindingwit-bindgen-guest-rust 依赖:

wasm-bpf-binding = { path = "wasm-bpf-binding" } 

这个包提供了 wasm-bpf 由运行时提供给 Wasm 模块,用于加载和控制 eBPF 程序的函数的绑定。

  • wasm-bpf-binding 在 wasm-bpf 仓库中有提供。
[dependencies] wit-bindgen-guest-rust = { git = "https://github.com/bytecodealliance/wit-bindgen", version = "0.3.0" }  [patch.crates-io] wit-component = {git = "https://github.com/bytecodealliance/wasm-tools", version = "0.5.0", rev = "9640d187a73a516c42b532cf2a10ba5403df5946"} wit-parser = {git = "https://github.com/bytecodealliance/wasm-tools", version = "0.5.0", rev = "9640d187a73a516c42b532cf2a10ba5403df5946"} 

这个包支持用 wit 文件为 rust 客户程序生成绑定。使用这个包的情况下,我们不需要再手动运行 wit-bindgen。

接下来,我们使用 btf2wit 工具,从 BTF 信息生成 wit 文件。可以使用 cargo install btf2wit 安装我们提供的 btf2wit 工具,并编译生成 wit 信息:

cd btf clang -target bpf -g event-def.c -c -o event.def.o btf2wit event.def.o -o event-def.wit cp *.wit ../wit/ 
  • 其中 event-def.c 是包含了我们需要的结构体信息的的 C 程序文件。只有在导出符号中用到的结构体才会被记录在 BTF 中。

对于 C 结构体生成的 wit 信息,大致如下:

default world host {     record event {          pid: s32,         ppid: s32,         exit-code: u32,         --pad0: list<s8>,         duration-ns: u64,         comm: list<s8>,         filename: list<s8>,         exit-event: s8,     } } 

wit-bindgen-guest-rust 会为 wit 文件夹中的所有类型信息,自动生成 rust 的类型,例如:

#[repr(C, packed)] #[derive(Debug, Copy, Clone)] struct Event {     pid: i32,     ppid: i32,     exit_code: u32,     __pad0: [u8; 4],     duration_ns: u64,     comm: [u8; 16],     filename: [u8; 127],     exit_event: u8, } 

编写用户态加载和处理代码

为了在 WASI 上运行,需要为 main.rs 添加 #![no_main] 属性,并且 main 函数需要采用类似如下的形态:

#[export_name = "__main_argc_argv"] fn main(_env_json: u32, _str_len: i32) -> i32 {      return 0; } 

用户态加载和挂载代码,和 C/C++ 中类似:

    let obj_ptr =         binding::wasm_load_bpf_object(bpf_object.as_ptr() as u32, bpf_object.len() as i32);     if obj_ptr == 0 {         println!("Failed to load bpf object");         return 1;     }     let attach_result = binding::wasm_attach_bpf_program(         obj_ptr,         "handle_exec".as_ptr() as u32,         "".as_ptr() as u32,     );     ... 

polling ring buffer:

    let map_fd = binding::wasm_bpf_map_fd_by_name(obj_ptr, "rb".as_ptr() as u32);     if map_fd < 0 {         println!("Failed to get map fd: {}", map_fd);         return 1;     }     // binding::wasm     let buffer = [0u8; 256];     loop {         // polling the buffer         binding::wasm_bpf_buffer_poll(             obj_ptr,             map_fd,             handle_event as i32,             0,             buffer.as_ptr() as u32,             buffer.len() as i32,             100,         );     } 

使用 handler 接收返回值:

 extern "C" fn handle_event(_ctx: u32, data: u32, _data_sz: u32) {     let event_slice = unsafe { slice::from_raw_parts(data as *const Event, 1) };     let event = &event_slice[0];     let pid = event.pid;     let ppid = event.ppid;     let exit_code = event.exit_code;     if event.exit_event == 1 {         print!(             "{:<8} {:<5} {:<16} {:<7} {:<7} [{}]",             "TIME",             "EXIT",             unsafe { CStr::from_ptr(event.comm.as_ptr() as *const i8) }                 .to_str()                 .unwrap(),             pid,             ppid,             exit_code         );         ... } 

接下来即可使用 cargo 编译运行:

$ cargo build --target wasi32-wasm $ sudo wasm-bpf ./target/wasm32-wasi/debug/rust-helloworld.wasm TIME     EXEC  sh               180245  33666   /bin/sh TIME     EXEC  which            180246  180245  /usr/bin/which TIME     EXIT  which            180246  180245  [0] (1ms) TIME     EXIT  sh               180245  33666   [0] (3ms) TIME     EXEC  sh               180247  33666   /bin/sh TIME     EXEC  ps               180248  180247  /usr/bin/ps TIME     EXIT  ps               180248  180247  [0] (23ms) TIME     EXIT  sh               180247  33666   [0] (25ms) TIME     EXEC  sh               180249  33666   /bin/sh TIME     EXEC  cpuUsage.sh      180250  180249  /root/.vscode-server-insiders/bin/a7d49b0f35f50e460835a55d20a00a735d1665a3/out/vs/base/node/cpuUsage.sh 

使用 OCI 镜像发布和管理 eBPF 程序

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”)。

Docker 也宣布推出与 WebAssembly 集成 (Docker+Wasm) 的首个技术预览版,并表示公司已加入字节码联盟 (Bytecode Alliance),成为投票成员。Docker+Wasm 让开发者能够更容易地快速构建面向 Wasm 运行时的应用程序。

借助于 Wasm 的相关生态,可以非常方便地发布、下载和管理 eBPF 程序,例如,使用 wasm-to-oci 工具,可以将 Wasm 程序打包为 OCI 镜像,获取类似 docker 的体验:

wasm-to-oci push testdata/hello.wasm <oci-registry>.azurecr.io/wasm-to-oci:v1 wasm-to-oci pull <oci-registry>.azurecr.io/wasm-to-oci:v1 --out test.wasm 

我们也将其集成到了 eunomia-bpf 的 ecli 工具中,可以一行命令从云端的 Github Packages 中下载并运行 eBPF 程序,或通过 Github Packages 发布:

# push to Github Packages ecli push https://ghcr.io/eunomia-bpf/sigsnoop:latest # pull from Github Packages ecli pull https://ghcr.io/eunomia-bpf/sigsnoop:latest # run eBPF program ecli run https://ghcr.io/eunomia-bpf/sigsnoop:latest 

我们已经在 LMP 项目的 eBPF Hub 中,有一些创建符合 OCI 标准的 Wasm-eBPF 应用程序,并利用 ORAS 简化扩展 eBPF 应用开发,分发、加载、运行能力的尝试[11],以及基于 Wasm 同时使用多种不同语言开发 eBPF 的用户态数据处理插件的实践。基于最新的 Wasm-bpf 框架,有更多的探索性工作可以继续展开,我们希望尝试构建一个完整的针对 eBPF 和 Wasm 程序的包管理系统,以及更多的可以探索的应用场景。

总结

本文以 Rust 语言为例,讨论了使用 Rust 编写 eBPF 程序并编译为 Wasm 模块以及使用 OCI 镜像发布、部署、管理 eBPF 程序,获得类似 Docker 的体验。更完整的代码,请参考我们的 Github 仓库:https://github.com/eunomia-bpf/wasm-bpf.

接下来,我们会继续完善在 Wasm 中使用多种语言开发和运行 eBPF 程序的体验,提供更完善的示例和用户态开发库/工具链,以及更具体的应用场景。

参考资料