LSF(Linux socket filter)起源於BPF（Berkeley Packet Filter），基礎從架構一致，但使用更簡單。LSF內部的BPF最早是cBPF（classic），後來x86平台首先切換到eBPF（extended），但由於很多上層應用程序仍然使用cBPF（tcpdump、iptables），並且eBPF還沒有支持很多平台，所以內核提供了從cBPF向eBPF轉換的邏輯，並且eBPF在設計的時候也是沿用了很多cBPF的指令編碼。但是在指令集合寄存器，還有架構設計上有很大不同（例如eBPF已經可以調用C函數，並且可以跳轉到另外的eBPF程序）。
但是新的eBPF一出來就被玩壞了，人們很快發現了它在內核trace方面的意義，它可以保證絕對安全的獲取內核執行信息。是內核調試和開發者的不二選擇，所以針對這個方面，例如kprobe、ktap、perf eBPF等優秀的工作逐漸產生。反而包過濾部門關注的人不夠多。tc（traffic controll）是使用eBPF的一角優秀的用戶端程序，它允許不用重新編譯模塊就可以動態添加刪除新的流量控制算法。netfilter的xtable模塊，配合xt_bpf模塊，就可以實現將eBPF程序添加到hook點，來實現過濾。當然，內核中提供了從cBPF到eBPF編譯的函數，所以，任何情況下想要使用cBPF都可以，內核會自動檢測和編譯。
其核心原理是對用戶提供了兩種SOCKET選項：SO_ATTACH_FILTER和SO_ATTACH_BPF。允許用戶在某個sokcet上添加一個自定義的filter，只有滿足該filter指定條件的數據包才會上發到用戶空間。因為sokect有很多種，你可以在各個維度的socket添加這種filter，如果添加在raw socket，就可以實現基於全部IP數據包的過濾（tcpdump就是這個原理），如果你想做一個http分析工具，就可以在基於80端口（或其他http監聽端口）的socket添加filter。還有一種使用方式離線式的，使用libpcap抓包存儲在本地，然後可以使用bpf代碼對數據包進行離線分析，這對於實驗新的規則和測試bpf程序非常有幫：SO_ATTACH_FILTER插入的是cBPF代碼，SO_ATTACH_BPF插入的是eBPF代碼。eBPF是對cBPF的增強，目前用戶端的tcpdump等程序還是用的cBPF版本，其加載到內核中後會被內核自動的轉變為eBPF。
echo 2 > /proc/sys/net/core/bpf_jit_enable
通過像這個寫入0/1/2可以實現關閉、打開、調試日志等bpf模式。
在用戶空間使用，最簡單的辦法是使用libpcap的引擎，由於bpf是一種匯編類型的語言，自己寫難度比較高，所以libpcap提供了一些上層封裝可以直接調用。然而libpcap並不能提供所有需求，比如bpf模塊開發者的測試需求，還有高端的自定義bpf腳本的需求。這種情況下就需要自己編寫bpf代碼，然後使用內核tools/net/目錄下的工具進行編譯成bpf匯編代碼，再使用socket接口傳入這些代碼即可。bpf引擎在內核中實現，但是bpf程序的工作地點很多需要額外的模塊來支持，常用的有netfilter自帶的xtable、xt_bpf 可以實現在netfilter的hook點執行bpf程序、cls_bpf和act_bpf可以實現對流量進行分類和丟棄（qos）.
內核對bpf的完整支持是從3.9開始的，作為iptables的一部分存在，默認使用的是xt_bpf，用戶端的庫是libxt_bpf。iptables一開始對規則的管理方式是順序的一條條的執行，這種執行方式難免在匹配數目多的時候帶來性能瓶頸，添加了bpf支持後，靈活性大大提升。以上所有提到的可以使用bpf的地方均指同時可使用eBPF和cBPF。因為內核在執行前會自動檢查是否需要轉換編碼。
前面說的bpf程序是用來做包過濾的，那麼bpf代碼只能用來做包過濾嗎？非也。內核的bpf支持是一種基礎架構，只是一種中間代碼的表達方式，是向用戶空間提供一個向內核注入可執行代碼的公共接口。只是目前的大部分應用是使用這個接口來做包過濾。其他的如seccomp BPF可以用來實現限制用戶進程可使用的系統調用，cls_bpf可以用來將流量分類，PTP dissector/classifier（干啥的還不知道）等都是使用內核的eBPF語言架構來實現各自的目的，並不一定是包過濾功能。
工具：tcpdump、tools/net、cloudfare、seccomp BPF、IO visitor、ktap
cBPF中每一條匯編指令都是如下格式：
struct sock_filter { /* Filter block */
__u16 code; /* Actual filter code */
__u8 jt; /* Jump true */
__u8 jf; /* Jump false */
__u32 k; /* Generic multiuse field */
};
一個列子：op:16, jt:8, jf:8, k:32
code是真實的匯編指令，jt是指令結果為true的跳轉，jf是為false的跳轉，k是指令的參數，根據指令不同不同。一個bpf程序編譯後就是一個sock_filter的數組，而可以使用類似匯編的語法進行編程，然後使用內核提供的bpf_asm程序進行編譯。
bpf在內核中實際上是一個虛擬機，有自己定義的虛擬寄存器組。和我們熟悉的java虛擬機的原理一致。這個虛擬機的設計是lsf的成功的所在。cBPF有3種寄存器：
A 32位，所有加載指令的目的地址和所有指令運算結果的存儲地址
X 32位，二元指令計算A中參數的輔助寄存器（例如移位的位數，除法的除數）
M[] 0-15共16個32位寄存器，可以自由使用
我們最常見的用法莫過於從數據包中取某個字的數據內來做判斷。按照bpf的規定，我們可以使用偏移來指定數據包的任何位置，而很多協議很常用並且固定，例如端口和ip地址等，bpf就為我們提供了一些預定義的變量，只要使用這個變量就可以直接取值到對應的數據包位置。例如：
len skb->len
proto skb->protocol
type skb->pkt_type
poff Payload start offset
ifidx skb->dev->ifindex
nla Netlink attribute of type X with offset A
nlan Nested Netlink attribute of type X with offset A
mark skb->mark
queue skb->queue_mapping
hatype skb->dev->type
rxhash skb->hash
cpu raw_smp_processor_id()
vlan_tci skb_vlan_tag_get(skb)
vlan_avail skb_vlan_tag_present(skb)
vlan_tpid skb->vlan_proto
rand prandom_u32()
更可貴的是這個列表還可以由用戶自己去擴展。各種bpf引擎的具體實現還會定義各自的擴展。
由於用戶可以提交cBPF的代碼，首先是將用戶提交來的結構體數組進行編譯成eBPF代碼（提交的是eBPF就不用了）。然後再將eBPF代碼轉變為可直接執行的二進制。cBPF這在很多平台還在使用，這個代碼就和用戶空間使用的那種匯編是一樣的，但是在X86架構，現在在內核態已經都切換到使用eBPF作為中間語言了。也就是說x86在用戶空間使用的匯編和在內核空間使用的並不一樣。但是內核在定義eBPF的時候已經盡量的復用cBPF的編碼，有的指令的編碼和意義，如BPF_LD都是完全一樣的。然而在還不支持eBPF的平台，cBPF則是唯一可以直接執行的代碼，不需要轉換為eBPF。
eBPF對每一個bpf語句的表達與cBPF稍有不同，如下定義：
struct bpf_insn {
__u8 code; /* opcode */
__u8 dst_reg:4; /* dest register */
__u8 src_reg:4; /* source register */
__s16 off; /* signed offset */
__s32 imm; /* signed immediate constant */
};
其寄存器也不同：
* R0 - return value from in-kernel function, and exit value for eBPF program
* R1 - R5 - arguments from eBPF program to in-kernel function
* R6 - R9 - callee saved registers that in-kernel function will preserve
* R10 - read-only frame pointer to access stack
為了配合更強大的功能，eBPF匯編架構使用的寄存器有所增加，上述的寄存器的存在，充分體現了函數調用的概念，而不再是加載處理的原始邏輯。有了函數調用的邏輯設置可以直接調用內核內部的函數（這是一個安全隱患，但是內部有規避機制）。不但如此，由於這種寄存器架構與x86等CPU的真實寄存器架構非常像，實際的實現正是實行了直接的寄存器映射，也就是說這些虛擬的寄存器實際上是使用的同功能的真實的寄存器，這無疑是對效率的極大提高。而且，在64位的計算機上這些計算機將會有64位的寬度，完美的發揮硬件能力。但是目前的64位支持還不太完善，但已經可用。
目前的內核實現，只可以在eBPF程序中調用預先定義好的內核函數，不可以調用其他的eBPF程序(但是可以通過map的支持跳轉到其他eBPF程序，然後再跳回來，後面有介紹)。這看起來無關緊要，但是卻是一個極大的能力，這就意味著你可以使用C語言來實現eBPF程序邏輯，eBPF只需要調用這個C函數就好了。
eBPF不但是程序，還可以訪問外部的數據，重要的是這個外部的數據可以在用戶空間管理。這個k-v格式的map數據體是通過在用戶空間調用bpf系統調用創建、添加、刪除等操作管理的。
用戶可以同時定義多個map，使用fd來訪問某個map。有一個特殊種類的map，叫program arry，這個map存儲的是其他eBPF程序的fd，通過這個map可以實現eBPF之間的跳轉，跳轉走了就不會跳轉回來，最大深度是32，這樣就防止了無限循環的產生（也就是可以使用這個機制實現有限循環）。更重要的是，這個map在運行時可以通過bpf系統調用動態的改變，這就提供了強大的動態編程能力。比如可以實現一個大型過程函數的中間某個過程的改變。實際上一共有3種map：
BPF_MAP_TYPE_HASH, //hash類型
BPF_MAP_TYPE_ARRAY, //數組類型
BPF_MAP_TYPE_PROG_ARRAY, //程序表類型
除了在用戶空間通過nettable和tcpdump來使用bpf，在內核中或者在其他通用的編程中可以直接使用C寫eBPF代碼，但是需要LLVM支持，例子。
![內核的C輔助函數支持](https://www.unixlinux.online/unixlinux/UploadFiles_9426/201703/2017030112185292.png "\")
在用戶空間通過使用bpf系統調用的BPF_PROG_LOAD方法，就可以發送eBPF的代碼進內核，如此發送的代碼不需要再做轉換，因為其本身就是eBPF格式的。如果要在內核空間模塊使用eBPF，可以直接使用對應的函數接口插入eBPF程序到sk_buff，提供強大的過濾能力。
Linux提供的系統調用bpf，用於操作eBPF相關的內核部分：
#include
int bpf(int cmd, union bpf_attr *attr, unsigned int size);
bpf man page
這個函數的第一個參數cmd就是內核支持的操作種類，包括BPF_MAP_CREATE、BPF_MAP_LOOKUP_ELEM、BPF_MAP_UPDATE_ELEM、BPF_MAP_DELETE_ELEM、BPF_MAP_GET_NEXT_KEY、BPF_PROG_LOAD 6種。然而，從名字上就可以發現，有5種是用來操作map的。這個map前面說過，是用戶程序和內核eBPF程序通信的唯一方式。這5個調用類型都是給用戶空間的程序使用的。最後一個BPF_PROG_LOAD 方法用來向內核中加載eBPF代碼體。
第二個參數attr則是cmd參數的具體參數了，根據cmd的不同而不同，如果load的話還包括了完整的eBPF程序。
值得注意的是，每一個map和eBPF都是一個文件，都有對應的fd，這個fd在用戶空間看來與其他fd無異，可以釋放可以通過unix domain socket在進程間傳遞。如果定義一個raw類型的socket，在其上附上eBPF程序過濾程序，其甚至就可以直接充當iptable的規則使用。
act_bpf
cls_bpf
IO visitor:這可能是基於eBPF相關的最大型的系統了。由多個廠商參與。
xtable、xt_bpf
我們知道eBPF有map數據結構，有程序執行能力。那麼這就是完美的跟蹤框架。比如通過kprobe將一個eBPF程序插入IO代碼，監控IO次數，然後通過map向用戶空間匯報具體的值。用戶端只需要每次使用bpf系統調用查看這個map就可以得到想要統計的內容了。那麼為何要用eBPF，而不是直接使用kprobe的c代碼本身呢？這就是eBPF的安全性，其機制設計使其永遠不會crash掉內核，不會與正常的內核邏輯發生交叉影響。可以說，通過工具選擇避免了可能發生的很多問題。更可貴的是eBPF是原生的支持tracepoint，這就為kprobe不穩定的情況提供了可用性。
Brendan Gregg’s Blog 描述了一個使用eBPF進行kprobe測試的例子。
ktap創造性的使用eBPF機制實現了內核模塊的腳本化，使用ktap，你可以直接使用腳本編程，無需要編譯內核模塊，就可以實現內核代碼的追蹤和插入。這背後就是eBPF和內核的tracing子系統。
bpf subcommand to perf：華為也在為bpf添加perf腳本的支持能力。
可以看出來，eBPF起源於包過濾，但是目前在trace市場得到越來越廣泛的應用。
也就是說目前使用傳統的bpf語法和寄存器在用戶空間寫bpf代碼，代碼在內核中會被編譯成eBPF代碼，然後編譯為二進制執行。傳統的bpf語法和寄存器簡單，更面向業務，類似於高層次的編程語言，而內核的eBPF語法和寄存器復雜，類似於真實的匯編代碼。
那麼為何內核要大費周章的實現如此一個引擎呢？因為輕量級、安全性和可移植性。由於是中間代碼，可移植性不必說，但是使用內核模塊調用內核的函數接口一般也是可移植的，所以這個並不是很重要的理由。eBPF代碼在執行的過程中被嚴格的限制了禁止循環和安全審查，使得eBPF被嚴格的定位於提供過程式的執行語句塊，甚至連函數都算不上，最大不超過4096個指令。所以這就是其定位：輕量級、安全、不循環。
上面說了幾個bpf的用途，但遠不至於此。
http://www.tcpdump.org/papers/bpf-usenix93.pdf
http://lwn.net/Articles/498231/
https://www.kernel.org/doc/Documentation/networking/filter.txt
