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作者：于桐，鄭昱笙

eBPF（extended Berkeley Packet Filter）是一種高性能的內核虛擬機，可以運行在內核空間中，以收集系統和網絡信息。隨著計算機技術的不斷發展，eBPF 的功能日益強大，并且已經成為各種效率高效的在線診斷和跟蹤系統，以及構建安全的網絡、服務網格的重要組成部分。

WebAssembly（Wasm）最初是以瀏覽器安全沙盒為目的開發的，發展到目前為止，WebAssembly 已經成為一個用于云原生軟件組件的高性能、跨平臺和多語言軟件沙箱環境，Wasm 輕量級容器也非常適合作為下一代無服務器平臺運行時，或在邊緣計算等資源受限的場景高效執行。

現在，借助 Wasm-bpf 編譯工具鏈和運行時，我們可以使用 Wasm 將 eBPF 程序編寫為跨平臺的模塊，使用 C/C++ 和 Rust 編寫程序。通過在 WebAssembly 中使用 eBPF 程序，我們不僅讓 Wasm 應用獲得 eBPF 的高性能、對系統接口的訪問能力，還可以讓 eBPF 程序享受到 Wasm 的沙箱、靈活性、跨平臺性、和動態加載的能力，并且使用 Wasm 的 OCI 鏡像來方便、快捷地分發和管理 eBPF 程序。例如，可以類似 docker 一樣，從云端一行命令獲取 Wasm 輕量級容器鏡像，并運行任意 eBPF 程序。通過結合這兩種技術，我們將會給 eBPF 和 Wasm 生態來一個全新的開發體驗！

使用 Wasm-bpf 工具鏈在 Wasm 中編寫、動態加載、分發運行 eBPF 程序

在前兩篇短文中，我們已經介紹了 Wasm-bpf 的設計思路，以及如何使用 C/C++ 在 Wasm 中編寫 eBPF 程序:

Wasm-bpf: 架起 Webassembly 和 eBPF 內核可編程的橋梁: https://mp.weixin.qq.com/s/2InV7z1wcWic5ifmAXSiew
在 WebAssembly 中使用 C/C++ 和 libbpf 編寫 eBPF 程序: https://zhuanlan.zhihu.com/p/605542090

基于 Wasm，我們可以使用多種語言構建 eBPF 應用，并以統一、輕量級的方式管理和發布。以我們構建的示例應用 bootstrap.wasm 為例，使用 C/C++ 構建的鏡像大小最小僅為 ~90K，很容易通過網絡分發，并可以在不到 100ms 的時間內在另一臺機器上動態部署、加載和運行，并且保留輕量級容器的隔離特性。運行時不需要內核特定版本頭文件、LLVM、clang 等依賴，也不需要做任何消耗資源的重量級的編譯工作。對于 Rust 而言，編譯產物會稍大一點，大約在 2M 左右。

本文將以 Rust 語言為例，討論：

使用 Rust 編寫 eBPF 程序并編譯為 Wasm 模塊
使用 OCI 鏡像發布、部署、管理 eBPF 程序，獲得類似 Docker 的體驗

我們在倉庫中提供了幾個示例程序，分別對應于可觀測、網絡、安全等多種場景。

編寫 eBPF 程序并編譯為 Wasm 的大致流程

一般說來，在非 Wasm 沙箱的用戶態空間，使用 libbpf-bootstrap 腳手架，可以快速、輕松地使用 C/C++構建 BPF 應用程序。編譯、構建和運行 eBPF 程序（無論是采用什么語言），通常包含以下幾個步驟：

編寫內核態 eBPF 程序的代碼，一般使用 C/C++ 或 Rust 語言
使用 clang 編譯器或者相關工具鏈編譯 eBPF 程序（要實現跨內核版本移植的話，需要包含 BTF 信息）。
在用戶態的開發程序中，編寫對應的加載、控制、掛載、數據處理邏輯；
在實際運行的階段，從用戶態將 eBPF 程序加載進入內核，并實際執行。

使用 Rust 編寫 eBPF 程序并編譯為 Wasm

Rust 可能是 WebAssembly 生態系統中支持最好的語言。Rust 不僅支持幾個 WebAssembly 編譯目標，而且 wasmtime、Spin、Wagi 和其他許多 WebAssembly 工具都是用 Rust 編寫的。因此，我們也提供了 Rust 的開發示例：

Wasm 和 WASI 的 Rust 生態系統非常棒
許多 Wasm 工具都是用 Rust 編寫的，這意味著有大量的代碼可以復用。
Spin 通常在對其他語言的支持之前就有Rust的功能支持
Wasmtime 是用 Rust編寫的，通常在其他運行時之前就有最先進的功能。
可以在 WebAssembly 中使用許多現成的 Rust 庫。
由于 Cargo 的靈活構建系統，一些 Crates 甚至有特殊的功能標志來啟用Wasm的功能（例如Chrono）。
由于 Rust 的內存管理技術，與同類語言相比，Rust 的二進制大小很小。

我們同樣提供了一個 Rust 的 eBPF SDK，可以使用 Rust 編寫 eBPF 的用戶態程序并編譯為 Wasm。借助 aya-rs 提供的相關工具鏈支持，內核態的 eBPF 程序也可以用 Rust 進行編寫，不過在這里，我們還是復用之前使用 C 語言編寫的內核態程序。

首先，我們需要使用 rust 提供的 wasi 工具鏈，創建一個新的項目：

rustup target add wasm32-wasi
cargo new rust-helloworld

之后，可以使用 Makefile 運行 make 完成整個編譯流程，并生成 bootstrap.bpf.o eBPF 字節碼文件。

使用 wit-bindgen 生成類型信息，用于內核態和 Wasm 模塊之間通信

wit-bindgen 項目是一套著眼于 WebAssembly，并使用組件模型的語言的綁定生成器。綁定是用 *.wit 文件描述的，文件中描述了 Wasm 模塊導入、導出的函數和接口。我們可以 wit-bindgen 它來生成多種語言的類型定義，以便在內核態的 eBPF 和用戶態的 Wasm 模塊之間傳遞數據。

我們首先需要在 Cargo.toml 配置文件中加入 wasm-bpf-binding 和 wit-bindgen-guest-rust 依賴：

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

這個包提供了 wasm-bpf 由運行時提供給 Wasm 模塊，用于加載和控制 eBPF 程序的函數的綁定。

wasm-bpf-binding 在 wasm-bpf 倉庫中有提供。

[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"}

這個包支持用 wit 文件為 rust 客戶程序生成綁定。使用這個包的情況下，我們不需要再手動運行 wit-bindgen。

接下來，我們使用 btf2wit 工具，從 BTF 信息生成 wit 文件。可以使用 cargo install btf2wit 安裝我們提供的 btf2wit 工具，并編譯生成 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 是包含了我們需要的結構體信息的的 C 程序文件。只有在導出符號中用到的結構體才會被記錄在 BTF 中。

對于 C 結構體生成的 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 會為 wit 文件夾中的所有類型信息，自動生成 rust 的類型，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,
}

編寫用戶態加載和處理代碼

為了在 WASI 上運行，需要為 main.rs 添加 #![no_main] 屬性，并且 main 函數需要采用類似如下的形態：

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

    return 0;
}

用戶態加載和掛載代碼，和 C/C++ 中類似：

    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\0".as_ptr() as u32,
        "\0".as_ptr() as u32,
    );
    ...

polling ring buffer：

    let map_fd = binding::wasm_bpf_map_fd_by_name(obj_ptr, "rb\0".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
        );
        ...
}

接下來即可使用 cargo 編譯運行：

$ 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 鏡像發布和管理 eBPF 程序

開放容器協議 (OCI) 是一個輕量級，開放的治理結構，為容器技術定義了規范和標準。在 Linux 基金會的支持下成立，由各大軟件企業構成，致力于圍繞容器格式和運行時創建開放的行業標準。其中包括了使用 Container Registries 進行工作的 API，正式名稱為 OCI 分發規范 (又名“distribution-spec”)。

Docker 也宣布推出與 WebAssembly 集成 (Docker+Wasm) 的首個技術預覽版，并表示公司已加入字節碼聯盟 (Bytecode Alliance)，成為投票成員。Docker+Wasm 讓開發者能夠更容易地快速構建面向 Wasm 運行時的應用程序。

借助于 Wasm 的相關生態，可以非常方便地發布、下載和管理 eBPF 程序，例如，使用 wasm-to-oci 工具，可以將 Wasm 程序打包為 OCI 鏡像，獲取類似 docker 的體驗：

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

我們也將其集成到了 eunomia-bpf 的 ecli 工具中，可以一行命令從云端的 Github Packages 中下載并運行 eBPF 程序，或通過 Github Packages 發布：

# 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

我們已經在 LMP 項目的 eBPF Hub 中，有一些創建符合 OCI 標準的 Wasm-eBPF 應用程序，并利用 ORAS 簡化擴展 eBPF 應用開發，分發、加載、運行能力的嘗試[11]，以及基于 Wasm 同時使用多種不同語言開發 eBPF 的用戶態數據處理插件的實踐。基于最新的 Wasm-bpf 框架，有更多的探索性工作可以繼續展開，我們希望嘗試構建一個完整的針對 eBPF 和 Wasm 程序的包管理系統，以及更多的可以探索的應用場景。

總結

本文以 Rust 語言為例，討論了使用 Rust 編寫 eBPF 程序并編譯為 Wasm 模塊以及使用 OCI 鏡像發布、部署、管理 eBPF 程序，獲得類似 Docker 的體驗。更完整的代碼，請參考我們的 Github 倉庫：https://github.com/eunomia-bpf/wasm-bpf.

接下來，我們會繼續完善在 Wasm 中使用多種語言開發和運行 eBPF 程序的體驗，提供更完善的示例和用戶態開發庫/工具鏈，以及更具體的應用場景。

參考資料

wasm-bpf Github 開源地址：https://github.com/eunomia-bpf/wasm-bpf
什么是 eBPF：https://ebpf.io/what-is-ebpf
WASI-eBPF: https://github.com/WebAssembly/WASI/issues/513
龍蜥社區 eBPF 技術探索 SIG https://openanolis.cn/sig/ebpfresearch
eunomia-bpf 項目：https://github.com/eunomia-bpf/eunomia-bpf
eunomia-bpf 項目龍蜥 Gitee 鏡像：https://gitee.com/anolis/eunomia
Wasm-bpf: 架起 Webassembly 和 eBPF 內核可編程的橋梁：https://mp.weixin.qq.com/s/2InV7z1wcWic5ifmAXSiew
當 WASM 遇見 eBPF ：使用 WebAssembly 編寫、分發、加載運行 eBPF 程序：https://zhuanlan.zhihu.com/p/573941739
Docker+Wasm技術預覽：https://zhuanlan.zhihu.com/p/583614628
LMP eBPF-Hub: https://github.com/linuxkerneltravel/lmp
wasm-to-oci: https://github.com/engineerd/wasm-to-oci
btf2wit: https://github.com/eunomia-bpf/btf2wit

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在 WebAssembly 中使用 Rust 編寫 eBPF 程序并發布 OCI 鏡像

在 WebAssembly 中使用 Rust 編寫 eBPF 程序并發布 OCI 鏡像

使用 Wasm-bpf 工具鏈在 Wasm 中編寫、動態加載、分發運行 eBPF 程序

編寫 eBPF 程序并編譯為 Wasm 的大致流程

使用 Rust 編寫 eBPF 程序并編譯為 Wasm

使用 wit-bindgen 生成類型信息，用于內核態和 Wasm 模塊之間通信

編寫用戶態加載和處理代碼

使用 OCI 鏡像發布和管理 eBPF 程序

總結

參考資料

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