Extended Berkeley Packet Filter (eBPF) は、Linux カーネルの可観測性、パフォーマンス監視、およびセキュリティに革命をもたらしました。 eBPF を使用すると、開発者はカーネル コードを変更せずにサンドボックス プログラムをカーネル内で直接実行できるため、データを効率的に監視、追跡、操作する権限が解放されます。シンプルさ、同時実行性、堅牢なエコシステムで知られる Go ebpf プログラミング言語と組み合わせると、eBPF は、パフォーマンスが高く、安全でスケーラブルなアプリケーションを構築するための強力なツールになります。この記事では、Go の eBPF、その仕組み、使用例、実用的な例について説明します。

eBPF とは何ですか?
eBPF は、もともとパケット フィルタリング用に設計されましたが、カーネル レベルの幅広いプログラミング タスクに使用される、より汎用的なテクノロジに進化しました。 eBPF プログラムは Linux カーネル内で実行され、カーネル自体を変更することなく、システム イベント、ネットワーキング パケット、およびシステム コールとの対話を可能にします。

eBPF を利用することで、開発者は次のメリットを得られます:
• カーネルの内部動作を詳細に可視化します。
• 厳密な検証によるサンドボックス実行によるセキュリティ。
• 最小限のオーバーヘッドとリアルタイムのイベント処理によるパフォーマンス。
• セキュリティ ポリシーのトレース、プロファイリング、適用の柔軟性。
この多用途性により、eBPF は Prometheus などの可観測性ツール、Cilium などのセキュリティ プラットフォーム、およびネットワーキング ツールで普及するようになりました。

eBPF で Go を使用する理由
Go は、そのシンプルさ、同時実行モデル、強力な標準ライブラリで知られる最新のプログラミング言語です。 Go はコードベースを管理しやすく保ちながら、スケーラブルで効率的なシステムの開発を簡素化するため、これらの特性により、eBPF での作業に理想的になります。 Go のツールとライブラリの豊富なエコシステムと eBPF の機能を組み合わせることで、エンジニアは保守しやすい言語で高性能のカーネル レベルのコードを作成できます。

eBPF で Go を使用する利点:
• 高パフォーマンス: Go は高速であり、eBPF の最小限のオーバーヘッドと組み合わせることで、アプリケーションはカーネルに近い速度で動作できます。
• 使いやすさ: Go の構文と同時実行モデルにより、開発サイクルが短縮されます。
• 効率的なメモリ管理: Go のガベージ コレクションにより、メモリがクリーンに処理されることが保証され、C ベースの eBPF プログラムでよくあるメモリ リークのリスクが軽減されます。

Go における eBPF の主要な概念
Go コードに入る前に、eBPF の基本的な概念をいくつか見てみましょう:
1. eBPF プログラム
eBPF プログラムは、特定のイベントに応答してカーネル内で実行される小さな関数です。プログラムはサンドボックス化されており、システムに悪影響を及ぼさないようにさまざまなチェックが行われます。一般的なイベントには、ネットワーク パケット処理、関数トレース、パフォーマンス カウンターなどがあります。
2. eBPF マップ
eBPF マップは、eBPF プログラムがアクセスできるデータを保存するために使用されるデータ構造です。これらのマップには、メトリック、構成データ、およびユーザー空間とカーネル空間の間で共有されるその他の重要な情報を保持できます。
3. eBPF 検証者
eBPF プログラムは実行前に、安全でない動作や誤った動作がないかチェックするベリファイアを通過する必要があります。ベリファイアは、プログラムがカーネルをクラッシュさせたり、データを漏洩したりしないことを保証します。
4. eBPF フック
eBPF プログラムは、トレースポイント、kprobe (関数エントリ ポイント)、uprobe (ユーザー空間関数トレース)、およびソケット フィルターを含むフックを介してカーネル イベントに接続されます。
Go での eBPF プログラムの構築
Go で eBPF を操作するには、主に使用するライブラリは Cilium/ebpf です。これは、eBPF プログラム、マップ、ヘルパーと対話できる Go ネイティブ ライブラリです。

前提条件
手順を進めるには、次のものが揃っていることを確認してください:

1. カーネル バージョン 4.14 以降を搭載した Linux システム。
2. システムにインストールします。
3. Cilium の eBPF ライブラリ: github.com/cilium/ebpf
を取得してください

Go で基本的な eBPF プログラムを作成する
システム コールをトレースするために eBPF プログラムをアタッチする簡単な例を次に示します:

1. C
で eBPF プログラムを作成します。 eBPF プログラムは他の言語でも作成できますが、依然として C が最も一般的です。特定のシステムコールが行われるたびにカウンターをインクリメントする簡単なプログラムを作成します:

#include 
#include 

BPF_HASH(syscall_count, u32, u64);

int trace_syscall(struct pt_regs *ctx) {
    u32 pid = bpf_get_current_pid_tgid();
    u64 *count = syscall_count.lookup(&pid);
    if (count) {
        (*count)  ;
    } else {
        u64 initial_count = 1;
        syscall_count.update(&pid, &initial_count);
    }
    return 0;
}

このプログラムは、プロセスによって行われたシステム コールを追跡し、プロセス ID ごとのシステム コールの数を保存します。

2. eBPF プログラムのコンパイル
作成したら、LLVM:
を使用して eBPF プログラムをコンパイルします。 Clang -O2 -target bpf -c syscall_counter.c -o syscall_counter.o

3. Go での eBPF プログラムのロードと実行
ここで、eBPF プログラムをロードして対話する Go コードを作成します。
パッケージメイン

import (
    "log"
    "github.com/cilium/ebpf"
    "golang.org/x/sys/unix"
)

func main() {
    // Load the precompiled eBPF program
    prog, err := ebpf.LoadProgram("syscall_counter.o")
    if err != nil {
        log.Fatalf("failed to load eBPF program: %v", err)
    }
    defer prog.Close()

    // Attach the eBPF program to the system call entry point
    err = unix.SetSyscallEntry(prog, unix.SYS_write)
    if err != nil {
        log.Fatalf("failed to attach eBPF program: %v", err)
    }

    log.Println("eBPF program successfully attached.")
}

ここでは、コンパイルされた eBPF プログラムをロードし、Go の syscall パッケージを使用して書き込みシステム コールにアタッチします。

4.出力の観察
プログラムが実行されると、システム コールの追跡が開始されます。 eBPF マップにアクセスすることでカウントを検査できます。これは Go で eBPF ライブラリを使用して実行されます。

func readMap() {
    syscallCount := ebpf.Map("syscall_count")
    defer syscallCount.Close()

    iter := syscallCount.Iterate()
    var pid uint32
    var count uint64

    for iter.Next(&pid, &count) {
        log.Printf("PID: %d, Syscall Count: %d\n", pid, count)
    }
}

Go eBPF のユースケース
Go と eBPF の組み合わせには、さまざまなドメインにわたっていくつかの強力な使用例があります:

1.可観測性とモニタリング
bpftrace のようなツールは eBPF を利用して、大きなオーバーヘッドを発生させることなく詳細なメトリクスとログを収集します。 Go では、アプリケーションのパフォーマンスやネットワーク トラフィックをリアルタイムで監視するカスタム メトリクス パイプラインを作成できます。
2.セキュリティの強化
Go を使用すると、セキュリティに敏感なイベント (不正なシステム コール、不審なネットワーク動作など) を監視して記録するカスタム eBPF プログラムを作成することで、これらのイベントを自動的に監視するシステムを構築できます。
3.ネットワークパフォーマンスの最適化
eBPF を使用すると、ネットワーク パケットと帯域幅の使用状況をきめ細かく監視できます。これを Go のパフォーマンスと組み合わせることで、負荷分散、トラフィック シェーピング、リアルタイム ネットワーク分析のための効率的なシステムを構築できます。

結論
Go eBPF は、開発者がカーネル レベルの可観測性と制御を活用した効率的で高性能なアプリケーションを作成できるようにします。パフォーマンス監視、セキュリティ強化、ネットワーク最適化のためのツールを構築している場合でも、Go と eBPF の柔軟性を組み合わせることで、大きな可能性が生まれます。主要な概念を理解し、Go eBPF を実際に体験することで、アプリケーションの Linux カーネルの真の力を解き放つことができます。