BPF

✍ dations ◷ 2025-08-22 11:48:26 #BPF

伯克利包过滤器(Berkeley Packet Filter,缩写 BPF),是类Unix系统上数据链路层的一种原始接口,提供原始链路层封包的收发。除此之外,如果网卡驱动支持混杂模式,那么它可以让网卡处于此种模式,这样可以收到网络上的所有包,不管他们的目的地是不是所在主机。

另外,BPF支持过滤数据包——用户态的进程可以提供一个过滤程序来声明它想收到哪些数据包。通过这种过滤可以避免从操作系统内核向用户态复制其他对用户态程序无用的数据包,从而极大地提高性能。

BPF有时也只表示过滤机制,而不是整个接口。一些系统,比如Linux和Tru64 Unix,提供了数据链路层的原始接口,而不是BPF的接口,但使用了BPF的过滤机制。

BSD 内核实现例程如 bpf_mtap()bpf_tap(),以BPF_MTAP()BPF_TAP()等宏定义的形式进行包裹由网卡驱动(以及伪驱动pseudo-drivers) 向BPF机制发送进出的封包。

原始的论文由Steven McCanne 和 Van Jacobson于1992年在劳伦斯伯克利国家实验室工作时编写,于1993年在San Diego举办的USENIX冬季会议上正式发表。

许多版本的Unix操作系统提供了用于捕获数据包的设施,使得监控当前网络情况成为了可能。但是,因为网络监控程序运行在用户态,数据包必须被拷贝来通过内核与用户态之间的边界。可以通过使用一种被称为“数据包过滤器”的内核代理来减少拷贝的数量,它会尽量早地丢弃不想要的数据包。早先的数据包过滤器被实现为基于栈的虚拟机,在RISC CPU上性能不佳。BPF使用了一种新的基于寄存器(Register)的虚拟机,在性能上有显著提升。

BPF的过滤功能是以对于BPF虚拟机机器语言的一种解释器的形式实现的,使用这种语言编写的程序可以抓取数据包,对数据包中的数据采取算术操作,并将结果与常量或数据包中的数据或结果中的测试位比较,根据比较的结果决定接受还是拒绝封包。

传统的Unix BPF实现能够被用于用户态,尽管它是为内核态编写。这是通过编译时的条件预处理完成的。

一些项目使用了不同以往的BPF指令集或者执行方法。

包括FreeBSD和WinPcap在内的一些平台,使用即时编译(JIT)编译器来把BPF指令转换为原始字节码,以进一步提高性能。Linux有一个BPF JIT编译器,但被默认禁用。

此虚拟机语言的内核态解释器则被用于其他操作系统的原始数据链路机制,例如Tru64 Unix系统,以及Linux内核中的套接字过滤器,和WinPcap数据包抓取机制。

用户态解释器由实现了pcap API的libpcap/WinPcap提供,因此,在对此过滤机制没有内核态支持的系统上抓取数据包时,数据包可以在内核态过滤,使用pcap API的代码可以工作于此两种模式;在使用用户态过滤的系统上,所有数据包由内核态复制到用户态,包括将被过滤出去的封包。这种解释器也可以用于包含由pcap抓取的封包的文件。

2007年,Robert Watson(英语:Robert Watson (computer scientist))与Christian Peron为FreeBSD操作系统中BPF的实现加入了zero-copy buffer extension,使得驱动程序中断处理器中的内核封包抓取能直接向用户内存写,以避免BPF设备收到的所有封包数据的两次复制需要,一份副本存在于用户进程的接收路径中,这保证了不同BPF设备调用者的独立性,同时使得只把封包头部放入BPF缓冲区,而不是复制整个封包数据。

Will Drewry为seccomp(安全计算)系统调用策略添加了BPF过滤器,这也是BPF第一次在网络领域之外的使用。

从3.18版本开始,Linux 内核提供了一种扩展的BPF虚拟机,被称为“extended BPF”,简称为eBPF。它能够被用于非网络相关的功能,比如附在不同的tracepoints上,从而获取当前内核运行的许多信息。

传统的BPF,现在被称为cBPF(classical BPF)。

eBPF由Alexei Starovoitov在PluMgrid工作时设计,这家公司专注于研究新的方法来设计软件定义网络解决方案。在它只是一个提议时,Daniel Borkmann——Red Hat公司的内核工程师,帮助修改使得它能够进入内核代码并完全替代已有的BPF实现。这是二十年来BPF首次主要的更新,使得BPF成为了一个通用的虚拟机。

eBPF被Linux内核合并的事件线如下:

因为eBPF虚拟机使用的是类似于汇编语言的指令,对于程序编写来说直接使用难度非常大。和将C语言生成汇编语言类似,现在的编译器正在逐步完善从更高级的语言生成BPF虚拟机使用的指令。LLVM在3.7版本开始支持BPF作为后端输出。GCC 10也将会支持BPF作为后端。BCC是IOVisor项目下的编译器工具集,用于创建内核跟踪(tracing)工具。bpftrace是为eBPF设计的高级跟踪语言,在Linux内核(4.x)中提供。

eBPF现在被应用于网络、跟踪、内核优化、硬件建模等领域。

Spectre攻击可以利用Linux内核的eBPF JIT编译器来从其它内核进程提取信息。

相关

  • 磁道炮磁道炮(英语:railgun)是一种与单极马达原理相似的电磁炮发射装置。磁道炮以电流产生的劳仑兹力加速载物,令其沿平行的导轨移动,并进入下一个轨道继续加速。磁道炮的动力来源与其
  • 错觉错觉(illusion)是感觉的扭曲。是大脑对刺激的错误分析。在心理学研究中,意指假性幻觉所呈现的状态。当一个人将畏惧或焦虑的感受投射在外在物体与经验上,或是因为想像、虚构或错
  • 美国领地美国领地是指美国行政区划的一种分类,其领土由美国政府管理但不属于美国任何一个州。建立这些领地的目的是为了管理这些新获得的地区,因为当时美国领土的边界还在扩张中。这些
  • 沃纳·多灵沃纳·多灵(Werner Döring,1911年9月2日-2006年6月6日,是德国理论物理学家,他自1963年起担任汉堡大学的正教授,一直到1977年退休为止。他主要的兴趣是电磁学的理论。他理论物理学
  • 罗穆阿尔多·帕切科小何塞·安东尼奥·罗穆阿尔多·帕切科(José Antonio Romualdo Pacheco Jr.,1831年10月31日-1899年1月23日),美国政治家、外交家,共和党人,曾任加利福尼亚州副州长(1871年-1875年)、
  • 乌法高原乌法高原是俄罗斯的高原,位于巴什科尔托斯坦共和国和斯维尔德洛夫斯克州,南北端相距150公里,平均海拔高度350至450米,最高点海拔高度517米。
  • 今村麻莉爱今村麻莉爱(日语:今村 麻莉愛/いまむら まりあ  */?,2003年9月14日-)是日本偶像艺人,为女子偶像团体HKT48 Team TII成员。群马县出身,所属经纪公司为Mercury。HKT48AKB48单曲CD秋
  • 约翰·F·雷诺兹美国南北战争约翰·富尔顿·雷诺兹(John Fulton Reynolds,1820年9月20日-1863年7月1日),美国陆军少将,曾参与美墨战争和美国南北战争。1863年,雷诺兹在率领北方军参与葛底斯堡战役
  • 韦恩·布拉文德尔韦恩·布拉文德尔(西班牙语:Wayne Brabender,1945年10月16日-),西班牙男子篮球运动员。他曾代表西班牙国家的参加1974年和1982年国际篮联世界锦标赛。他也曾出战1972年和1980年夏季奥林匹克运动会。Template:1974年国际篮联世界锦标赛西班牙队阵容Template:1982年国际篮联世界锦标赛西班牙队阵容
  • 盖温·卡斯奇盖温·卡斯奇(或译为加温·卡斯基,泰语:กวิน แคสกี้,罗马化:,1997年8月17日-),小名Fluke(泰语:ฟลุ๊ค),为GMMTV旗下的美籍泰裔男演员、歌手及模特。代表作有《深蓝之吻》及《他不是我》等。Fluke出生于1997年8月17日,为泰美混血。于美国的McDowell High School(英语:McDowell High School)完成高中学业后,返回泰国就读易三仓大学的Martin de Tours 管理与经济学院。。2018年在电视剧《爱我你再亲亲我》中饰演"Mork