Rust Aya 编写 eBPF 程序
作者：互联网
1. 前言
Linux 内核 6.1 版本中有一个非常引人注意的变化：引入了对 Rust 编程语言的支持。Rust 是一种系统编程语言，Rust 通过提供非常强大的编译时保证和对内存生命周期的明确控制。在内核开发中引入 Rust 语言，将会为内核开发的早期带来更多的安全保障。eBPF 是在内核中基于事件运行用户自定义程序的技术，其验证器机制可以保障运行在内核中 eBPF 程序的安全性。
Rust 与 eBPF 有着一个共同的目标：保证内核安全，只是两者侧重的维度有所不同。
尽管使用 Rust 编写 eBPF 程序多数情况下都需要通过不安全的方式在内核进行内存读写，但是基于 Rust 和 Aya ，的确能够给我们带来一个快速和高效的开发体验，这包括自动生成整个程序框架（eBPF 程序及对应的用户空间代码）、参数检查确认、错误处理、统一的相关构建和管理方式等等 。
Aya 是一个以可操作性和开发者体验为重点的 eBPF 库，完全是在 Rust 基础上建立的，只使用 libc 包来执行系统调用。Aya 官方仓库地址为 https://github.com/aya-rs/aya/，当前版本为 v0.1.11，项目还处于偏早期。基于 Aya 库开发 eBPF 程序可以给我们带来以下的便利：
- 基于 Rust 的 Cargo 工具来管理、构建和测试项目；
- 支持 CO-RE 直接生成与 Rust 与内核文件的绑定；
- 用户工具代码（Rust）与运行在的内核中的 eBPF 代码轻松共享代码；
- 对于 LLVM、libbpf、bcc 等完全没有任何依赖；
本文仅是基于 Aya 编写 eBPF 程序及用户空间程序的生成和测试的过程记录，不涉及到对于生成 Rust 代码的详细解读。
2. Rust 开发环境搭建
2.1 创建 VM 虚拟机
为了使用 Rust 进行 eBPF 程序编写，那么我们首先需要在本地搭建一个 Rust 开发环境。这里我仍然采用 multipass 工具快速搭建一个 Ubuntu 22.04 LTS 的环境。
$ multipass launch --name rust-aya -d 20G |
默认磁盘为 5G，比较容易造成磁盘空间满，因此这里将磁盘空间大小设置为 20G，你可以根据自己的情况调整。
对于已经创建的 mulipass 实例可以在创建后进行调整，则需要 multipass 版本大于 1.10，而且需要调整的实例处于停止状态，详细可参见调整实例配置，例如 multipass set local.rust-aya.cpus=4 或 multipass set local.rust-aya.memory=8G 分别用于调整实例的 CPU 和 MEM 大小。
2.2 安装 Rust 开发环境
通常情况下，Rust 开发环境推荐通过 rustup 工具管理，我们可以通过以下命令快速安装该工具：
$ curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh |
一般情况下我们选择默认选项安装。整个安装过程会下载一个脚本完成 rustup 工具安装，同时也会安装最新的 Rust 稳定版本。如果安装顺利，我们可以在最后看到如下的信息：
... |
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stable-x86_64-unknown-linux-gnu installed - rustc 1.65.0 (897e37553 2022-11-02) |
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Rust is installed now. Great! |
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To get started you may need to restart your current shell. |
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This would reload your PATH environment variable to include |
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Cargo's bin directory ($HOME/.cargo/bin). |
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To configure your current shell, run: |
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source "$HOME/.cargo/env" |
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在 rustup 工具安装完成后，我们可以使用其安装 Rust 稳定版（实际上默认已经安装）和 nightly ，其中 nightly 为开发者体验新功能的发布通道，Rust 2021 年开始支持编译 eBPF，当前使用 Aya 需要基于 Rust Nightly 版本。
Rust 有 3 个发布通道：
Nightly
Beta
Stable（稳定版）
大部分 Rust 开发者主要采用稳定版通道，不过希望实验新功能的开发者可能会使用 nightly 或 beta 版。详情参见附录 G：Rust 是如何开发的与 “Nightly Rust”
$ source "$HOME/.cargo/env" |
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$ rustup install stable # rustup 命令已经默认安装 |
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info: syncing channel updates for 'stable-x86_64-unknown-linux-gnu' |
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stable-x86_64-unknown-linux-gnu unchanged - rustc 1.65.0 (897e37553 2022-11-02) |
|
info: checking for self-updates |
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$ rustup toolchain install nightly --component rust-src |
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... |
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info: installing component 'rustfmt' |
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nightly-x86_64-unknown-linux-gnu installed - rustc 1.67.0-nightly (09508489e 2022-11-04) |
|
info: checking for self-updates |
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$ rustup toolchain list |
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stable-x86_64-unknown-linux-gnu (default) |
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nightly-x86_64-unknown-linux-gnu |
安装 nightly 以后我们可以使用 rustup toolchain list 查看本地开发环境的开发工具链。
2.3 安装 bpf-linker 依赖 和 bpftool 工具
为了使用 Aya，我们还需要安装依赖包 bpf-linker，但其依赖与 LLVM/Clang 等工具，因此我们也需要提前安装：
$ sudo apt-get update |
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$ sudo apt-get install llvm clang -y |
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$ cargo install bpf-linker |
最后，为了生成内核数据结构的绑定，我们还必须安装 bpftool，可以从发行版中安装或从源代码中构建，这里我选用发行版安装方式（基于 Ubuntu 22.04），源码安装可参考 bpftool 仓库说明文档：
$ sudo apt install linux-tools-common linux-tools-5.15.0-52-generic linux-cloud-tools-5.15.0-52-generic -y |
支持我们完成了基于 Aya 开发的整个环境及依赖的安装。
3. Aya 向导创建 eBPF 程序
3.1 使用向导创建项目
Aya 提供了一套模版向导用于创建 eBPF 对应的程序类型，向导创建依赖于 cargo-generate，因此我们需要在运行程序向导前提前安装：
$ cargo install cargo-generate |
我在安装 cargo-generate 过程中遇到了如下的错误，主要是由于依赖 openssl 库问题导致，如果你也遇到类似问题可参考 cargo-generate 安装指南 和 Rust 文档，如果一切顺利，则可忽略此处的提示。
...warning: build failed, waiting for other jobs to finish...error: failed to compile `cargo-generate v0.16.0`, intermediate artifacts can be found at `/tmp/cargo-install8NrREg...$ sudo apt install openssl pkg-config libssl-dev gcc m4 ca-certificates make perl -y# 重新安装即可