譯者 | 陳豪

策劃 | 云昭

Extended Berkeley Packet Filter ( eBPF ) 是 Linux 內核的一個相對較新的特性，它讓許多 DevOps 專業人士、SRE 和工程師興奮不已。eBPF 甚至可以與標準的Linux iptables 相提并論。但是，它真能成為滿足所有 Linux 內核需求的“一站式商店”呢？

eBPF正當時

過去，對內核進行更改是很困難的。開發者雖然可以調用 API 來獲取數據，但卻無法影響內核內部的執行代碼。相反，你必須向 Linux 社區提交補丁并等待其獲得批準。使用 eBPF，可以將程序加載到內核中，并在例如看到某個數據包或發生其他事件時指示內核執行程序。

eBPF 是Linux內核中提供的一項功能，它允許你在內核中運行虛擬機。該虛擬機允許你安全地將程序加載到內核中以自定義其操作。為什么這很重要？

使用 eBPF，內核及其行為變得高度可定制，而不是固定的。在適當的情況下使用時，這可能是非常有益的。

典型用例

eBPF 有幾個典型用例，包括流量控制、創建網絡策略、連接時負載平衡和可觀測性。

流量控制

如果沒有 eBPF，數據包在到達最終目的地的途中會使用標準的 Linux 網絡路徑。如果一個數據包出現在 A 點，并且你知道該數據包需要到達 B 點，你可以通過將其直接發送到 B 點來優化 Linux 內核中的網絡路徑。使用 eBPF，你可以利用額外的上下文來使內核中的這些更改使數據包繞過復雜的路由并簡單地到達其最終目的地。

這在擁有大量網絡的 Kubernetes 容器環境中尤其重要。（除了主機網絡堆棧，每個容器都有自己的迷你網絡堆棧。）當流量進入時，它通常被路由到容器堆棧，并且必須經過復雜的路徑，因為它從主機堆棧到達那里。可以使用 eBPF 繞過此路由。

創建網絡策略

創建網絡策略時，有兩種情況可以使用 eBPF：

1. eXpress 數據路徑 (XDP) –當原始數據包緩沖區進入系統時，eBPF 為你提供了一種有效的方法來檢查該緩沖區并快速決定如何處理它。

2. 網絡策略——eBPF 允許你有效地檢查數據包并為 pod 和主機應用網絡策略。

連接時負載平衡

在 Kubernetes 中對服務連接進行負載平衡時，端口需要與服務通信，因此必須進行網絡地址轉換 (NAT)。一個數據包被發送到一個虛擬 IP，該虛擬 IP 將其轉換為支持該服務的 pod 的目標 IP；pod 然后響應虛擬 IP，返回的數據包被翻譯回源。

使用 eBPF，你可以通過使用已加載到內核中的 eBPF 程序并在連接源進行負載平衡來避免這種數據包轉換。由于目標網絡地址轉換 (DNAT) 不需要在數據包處理路徑上進行，因此消除了服務連接的所有 NAT 開銷。

可觀測性

收集統計信息和深入調試內核是 eBPF 可用于可觀測性的兩種有用方式。eBPF 程序可以附加到內核中的許多不同函數，提供對函數正在處理的數據的訪問，同時還允許修改該數據。例如，使用 eBPF，如果建立了網絡連接，你可以在創建套接字時收到調用。將套接字調用作為事件接收非常有用，通過 eBPF 在打開套接字的程序的上下文中提供這些調用，因此你可以獲得有關哪個進程在打開它以及套接字發生了什么的信息。

性能的代價

那么eBPF比標準的Linux iptables更高效嗎？視情況而定。?

  如果你要在應用具有大量 IP 地址（即 ipsets）的網絡策略時對 iptables 的工作方式進行微基準測試，那么在許多情況下 iptables 比 eBPF 更好。

但是如果你想在 Linux 內核中做一些需要改變內核中的數據包流的事情，eBPF 將是更好的選擇。

標準 Linux iptables 是一個復雜的系統，當然也有其局限性，但同時它提供了操縱流量的選項；如果你不清楚如何編寫 iptables 規則，進展就會寸步難行。eBPF 則允許將自己的程序加載到內核中以影響按需定制的行為，因而它比 iptables 更靈活，因為它不限于一組規則。

還有一點需要考慮的是，雖然 eBPF 允許你運行程序、添加邏輯、重定向流和繞過處理——這絕對是一個勝利——但它是一個虛擬機，因此必須轉換為字節碼。相比之下，Linux 內核的 iptables 已經編譯為代碼。

如你所見，將eBPF與iptables進行簡單的比較意義不大。我們需要評估的是性能，這里要看的兩個關鍵因素是延遲（速度）和開銷。如果 eBPF 非常快但占用了你 80% 的資源，那么它就像一輛蘭博基尼——一輛昂貴的快車。如果這對你有用，那就太好了（也許你真的很喜歡昂貴、快速的汽車）。

注意，更多的 CPU 占用，意味著更多的錢花在你的云提供商上。因此，雖然蘭博基尼可能比許多其他汽車更快，但如果你需要遵守日常通勤的速度限制，它可能不是最好的花錢方式。

何時使用 eBPF（何時不使用）

想要獲得高性能，自然也需要付出一定的代價。使用eBPFizer之前需要通過計算其性能價格，來確定是否可以接受，從而在兩者之間找到平衡點。

下面是是一些使用 eBPF 的特定情況，包括適用和不適用的場景。

何時不使用eBPF

實施應用層政策——由于價格與性能的權衡，使用 eBPF 執行深度協議檢查和實施應用層策略并不是很有效。

你可以利用 Linux 內核的連接跟蹤器來實施策略，對每個流應用一次策略（無論該流有 5 個數據包還是 5,000 個數據包），然后在 Linux conntrack 表中將其標記為允許或拒絕。你無需繼續檢查流中的每個數據包。如果你要使用 eBPF 實施策略，它允許你在單個 TCP 連接上擁有多個 HTTP 事務，你將需要檢查每個數據包以檢測這些事務，然后實施第 7 層控制。為此，你需要執行 CPU 周期，這將變得昂貴。

一個更有效的方法是獲得像 Envoy 這樣的代理，并使用 eBPF 優化 Envoy 的流量，同時讓 Envoy 為你翻譯應用程序協議。具有像 Envoy 這樣的代理的 iptables 是一個更好的設計，在這種情況下將是一個更好的選擇。

構建??服務網格??控制平面——類似地，服務網格依賴于像 Envoy 這樣的代理。多年來，人們在設計這個過程中進行了很多思考。這樣做的主要原因是，在許多情況下，以集群內部的高速對 HTTP 等應用程序協議進行內聯處理是不可行的。因此，你應該考慮使用 eBPF 以一種有效的方式將流量路由到像 Envoy 這樣的代理，而不是使用它來替換代理本身。

逐包處理——使用 eBPF 執行 CPU 密集型或逐包處理，例如加密流的解密和重新加密，效率不高，因為你需要構建結構并查找每個數據包，這是昂貴的。

何時使用

XDP—— eBPF 提供了一種在原始數據包緩沖區進入系統時檢查它們的有效方法，使您可以快速決定如何處理它們。

連接時負載平衡——使用eBPF，您可以使用加載到內核中的程序在源頭進行負載平衡，而不是使用虛擬 IP。由于 DNAT 不需要在數據包處理路徑上進行，因此消除了服務連接的所有 NAT 開銷。

可觀測性——eBPF 程序是在 Linux 內核中添加探測器作為傳感器以獲取上下文豐富的數據的絕佳方式。這是一個巨大的好處，因為無需更改內核即可啟用跟蹤和分析。您可以在打開套接字的程序的上下文中輕松接收套接字調用，或者添加程序以跟蹤內核中的系統調用。在我們看來，可觀測性是 eBPF 最有益的用例。

寫在最后

eBPF 是 iptables 的替代品嗎？不完全是。很難想象使用eBPF和使用 iptables 一樣高效。目前，兩者共存，用戶可以根據自己的具體需求權衡性價比并決定何時使用哪個功能。

我們相信正確的解決方案是利用 eBPF 以及 Linux 內核中的現有機制來實現你想要的結果。這就是一些開源方案支持標準Linux、Windows HNS、Linux eBPF等多個數據平面的原因。

既然我們已經確定 eBPF 和 iptables 都是有用的，那么唯一合乎邏輯的事情就是同時擁抱這兩者。

譯者介紹

陳豪，51CTO社區編輯，具有6年工作經驗的高級系統工程師。擅長技能有Linux內嵌匯編語言，Python，C，C++，Java，Linux內核分析，智能機器人軟件設計等。

原文標題：??When (And When Not) to Use eBPF??，作者：Manish Sampat