BPF系统调用API v14

译文作者：zhangzl2013
译文链接：http://www.cnblogs.com/zhangzl2013/p/BPF_system_call_14.html
原文作者：Jonathan Corbet
原文链接：The BPF system call API,  version 14
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Berkeley Packet Filter(BPF)方面的变化特别快。在七月份关于它的文章中，介绍了它的第二版加入了bpf()系统调用。两个月后的今天，已经是第14版了；改了许多东西，也去掉了一些功能，这样对复审代码来说补丁也能比较容易审查。现在主要的系统调用已经接近于并入主线了。现在也是时候重新审视一下这个内核即将加入的新功能，也希望它不要再改了。

BPF的开发者Alexei Starovoitov为了合并进主线做出了巨大努力——他在过去的两个月里发布了12个版本，并且做了大量的更改和测试。他对于更改建议的相应都很积极，但有些开发者觉得他有些过于固执。这病不能阻止他的工作并入主线，也不会影响最终的合并。

跟以前的版本一样，BPG功能是由一个多功能的系统调用完成的，但是现在又有了很大改动：

#include <linux/bpf.h>　　　　int bpf(int cmd, union bpf_attr *attr, unsigned int size);

正如Ingo Molnar建议的，最核心的变化是使用一个大的联合体结构来保存bpf()各种功能需要的各种类型的参数。联合体的使用与这个系统调用的特定命令有关。

当前补丁集中的大部分操作都与映射表的管理有关——映射表是BPF程序和用户空间共享的一个数据数组。整个过程以用BPF_MAP_CREATE创建映射表开始。在这个命令中，这个系统调用需要的信息由bpf_attr联合体中的如下结构给出：

struct {                           /* anonymous struct used by BPF_MAP_CREATE command */       __u32             map_type;       __u32             key_size;    /* size of key in bytes */       __u32             value_size;  /* size of value in bytes */       __u32             max_entries; /* max number of entries in a map */    };

map_type域用于描述映射表的类型。计划中要包含很多种类型，包括哈希数组，普通数组，bloom filter和radix tree。目前的实现中只支持哈希类型，而且连这个类型也不是完全实现好了。key_size域和value_size域告诉代码键和值的大小分别是多少，max_entries则限制了映射表中最多能保存多少个条目。

当调用bpf()来创建映射表时，bpf_attr联合体的其他结构都得置为零，size域设置为整个联合体的大小。这个规定是所有bpf功能共有的；目的是为了以后能更好的扩展BPF。如果有新的域加入，新的程序只要提供相应的信息就行，而老的程序继续把不用的域置零，就不会有问题了。

成功创建映射表之后，bpf()函数会返回一个文件描述符，用于指代这个映射表。

有一系列的命令作用于映射表的各个条目；这些命令都利用bpf_attr联合体：

struct { /* anonymous struct used by BPF_MAP_*_ELEM commands */
__u32             map_fd;        __aligned_u64     key;        union {                __aligned_u64 value;                __aligned_u64 next_key;        };   };

对于这些操作，map_fd域都表示文件描述符，key域是指向相关键的指针。BPF_MAP_UPDATE_ELEM命令用于向映射表中存储一个条目；value域是要存储的数据的指针。BPF_MAP_LOOKUP_ELEM命令用于查找条目；如果此条目存在，则value域返回存储的指针。BPF_MAP_DELETE_ELEM命令用于删除条目。

枚举映射表可以使用BPF_MAP_GET_NEXT_KEY命令；它会返回指定key的下一个key。“下一个”的意义根据映射表的类型而异。如果指定的key没有找到，则next_key会被置为映射表中的第一个key，所以开始遍历时可以使用一个无意义的key作为初始值。

注意，并没有命令可以用于删除映射表。只要关闭文件描述符就可以，当所有文件描述符都关闭了，没有BPF程序引用映射表时，它就会被删除掉。

BPF_PROG_LOAD命令可以把BPF程序加载到内核中。相关结构体是：

struct {    /* anonymous struct used by BPF_PROG_LOAD command */　　    __u32         prog_type;   　　 __u32         insn_cnt;　　    __aligned_u64 insns;     /* ‘const struct bpf_insn *‘ */  　　  __aligned_u64 license;   /* ‘const char *‘ */    　　__u32         log_level; /* verbosity level of eBPF verifier */    　　__u32         log_size;  /* size of user buffer */   　　 __aligned_u64 log_buf;   /* user supplied ‘char *‘ buffer */　　};

prog_type域表示程序将运行的上下文；它包括那些数据和辅助函数可供程序使用。BPF_PROG_TYPE_SOCKET用于使用socket的程序，BPF_PROG_TYPE_TRACING用于跟踪过滤器。程序的大小（以指令数衡量）由insn_cnt标识，insns域这个指针则指向程序本身。license域这个指针指向许可的描述信息，它未来可以用于限制非GPL程序的功能。

所有程序在加载时必须同时传递BPF验证。这个验证确保这个程序不会损害整个系统。它会防止程序随意访问数据，禁用含有循环的程序，等等。开发者如果想知道为什么程序被这个验证拒绝，可以设置一个长度为log_size的日志存储区，并设置log_buf指向它。然后再把log_level设置为非零值来真正开启日志功能。

先前的补丁集中的“fixup”数组已经去掉了。那个数组用于标识出正在引用BPF映射表文件描述符的置零；指明正在被BPF验证器内部指针使用的指令。当前版本的补丁集中针对映射表的访问定义了新指令。BPF验证器能直接识别这些指令，从而不再需要在用户空间标识出它们。

在第14版的补丁集中，BPF程序一旦加载，就不能再向它附着其他事件。一旦BPF基本功能通过审核，并入主线，那个功能才会加进去。这个时间也为期不远了，对这个API感兴趣的开发者们已经对它越来越满意了。并入3.18似乎有些激进，但是并入3.19就比较现实了。

更新：9月26号，这个系列的补丁已经被net-next tree接受了，看来它势必会出现在3.18内核中了。