书籍摘要

一、书籍背景与目的

随着计算系统的复杂性不断增加，理解软件行为变得极具挑战性。传统的日志分析和指标监控方法存在局限性，而新兴的可观测性（Observability）实践旨在通过收集系统产生的所有数据来回答任意问题。Linux 容器的兴起进一步增加了系统的复杂性，因为它们依赖于 Linux 内核的低级功能，如命名空间和 cgroups。为了更好地理解和监控这些复杂的系统，BPF（Berkeley Packet Filter）技术应运而生，它允许在内核中安全地运行程序以收集和分析数据。

二、BPF 技术概述

BPF 是一种内核子系统，最初用于网络数据包过滤，但随着扩展版 eBPF 的出现，其功能得到了极大增强。eBPF 程序可以在内核触发事件时安全地执行，而无需重新编译内核。BPF 的架构包括虚拟机（VM）、程序类型、执行点、BPF 映射（maps）等关键组件。BPF 映射是内核中的键值存储，用于在内核和用户空间之间共享数据。BPF 程序通过特定的执行点（如 kprobes、tracepoints、XDP 等）与内核交互，并利用 BPF 映射来存储和检索数据。

三、书籍内容结构

本书共分为九章，系统地介绍了 BPF 技术及其在 Linux 系统可观测性中的应用。主要内容包括：

第 1 章：介绍

• 讨论了可观测性的概念及其重要性，以及 BPF 在其中的作用。
• 回顾了 BPF 的历史，从最初的网络数据包过滤到现代的 eBPF 技术。

第 2 章：运行你的第一个 BPF 程序

• 介绍了如何编写和加载 BPF 程序，包括使用 C 语言和 LLVM 编译器。
• 讨论了 BPF 程序的类型，如 kprobes、tracepoints 和 XDP 等。
• 详细说明了 BPF 验证器的作用，它确保 BPF 程序的安全性。

第 3 章：BPF 映射

• 深入探讨了 BPF 映射的创建、更新、读取和删除操作。
• 介绍了不同类型的 BPF 映射，如哈希表、数组、队列、栈等。
• 讨论了 BPF 虚拟文件系统，用于持久化 BPF 对象。

第 4 章：使用 BPF 进行追踪

• 介绍了内核和用户空间中的追踪技术，包括 kprobes、kretprobes、tracepoints、uprobes 和 uretprobes。
• 讨论了如何使用 BPF 程序收集系统性能数据，并通过火焰图和直方图进行可视化。

第 5 章：BPF 工具

• 介绍了 BPFTool、BPFTrace 和 kubectl-trace 等工具，这些工具简化了 BPF 程序的编写和调试。
• 讨论了 eBPF Exporter，它可以将 BPF 指标导出到 Prometheus。

第 6 章：Linux 网络与 BPF

• 探讨了 BPF 在网络数据路径中的应用，包括包捕获和过滤。
• 介绍了如何使用 BPF 程序与 Socket Buffer 结构交互，以及如何编写基于 BPF 的 Traffic Control 分类器。

第 7 章：Express Data Path（XDP）

• 详细介绍了 XDP 程序的特性、操作模式和加载方法。
• 讨论了 XDP 在网络性能优化中的应用，如 DDoS 防御、负载均衡和防火墙。

第 8 章：Linux 内核安全、功能和 Seccomp

• 讨论了 Linux 安全模块（LSM）和 BPF LSM 钩子。
• 介绍了如何使用 BPF 程序实现 Seccomp 过滤器，以增强进程隔离和安全性。

第 9 章：真实世界的用例

• 采访了一些使用 BPF 技术的项目创建者，分享了他们的经验和用例，如 Sysdig eBPF God Mode 和 Flowmill。

四、总结

《Linux Observability with BPF》是一本全面深入的 BPF 技术指南，适合希望深入了解 Linux 系统性能监控和安全性的开发人员、系统管理员和研究人员。通过阅读本书，读者将掌握如何利用 BPF 技术提升系统的可观测性，从而更好地理解和优化复杂的 Linux 系统。