ebpf

eBPF

目的

libbpf、bpftrace、bpftool を使用して eBPF プログラムを作成、ロード、デバッグする方法をエージェントに案内します。マップタイプ、プログラムタイプ、ベリファイアエラー、XDP ネットワーキング、CO-RE による移植性について説明します。

トリガー

• 「システムコールをトレースする eBPF プログラムはどう書けばよいですか？」
• 「eBPF プログラムでベリファイアエラーが発生します」
• 「カーネルイベントのトレースに bpftrace を使うにはどうすればよいですか？」
• 「カーネル内の eBPF とユーザー空間の間でデータを共有するにはどうすればよいですか？」
• 「パケットフィルタリング用の XDP プログラムはどう書けばよいですか？」
• 「カーネルのバージョン間で eBPF プログラムを移植可能にするにはどうすればよいですか（CO-RE）？」

ワークフロー

1. 適切なツールを選ぶ

Goal?
├── One-liner kernel tracing / scripting → bpftrace
├── Production eBPF program with userspace → libbpf (C) or aya (Rust)
├── Inspect loaded programs and maps → bpftool
└── High-performance packet processing → XDP + libbpf

2. bpftrace — カーネルを手早くトレースする

# Trace all execve calls with comm and args
bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_execve { printf("%s %s\n", comm, str(args->filename)); }'

# Count syscalls by process
bpftrace -e 'tracepoint:raw_syscalls:sys_enter { @[comm] = count(); }'

# Latency histogram for read() syscall
bpftrace -e '
  tracepoint:syscalls:sys_enter_read { @start[tid] = nsecs; }
  tracepoint:syscalls:sys_exit_read  { @us = hist((nsecs - @start[tid]) / 1000); delete(@start[tid]); }'

# List available tracepoints
bpftrace -l 'tracepoint:syscalls:*'
bpftrace -l 'kprobe:tcp_*'

3. libbpf スケルトン — 最小限の C プログラム

// counter.bpf.c — kernel-side
#include <vmlinux.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>

struct {
    __uint(type, BPF_MAP_TYPE_HASH);
    __type(key, u32);
    __type(value, u64);
    __uint(max_entries, 1024);
} call_count SEC(".maps");

SEC("tracepoint/syscalls/sys_enter_read")
int trace_read(struct trace_event_raw_sys_enter *ctx)
{
    u32 pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
    u64 *cnt = bpf_map_lookup_elem(&call_count, &pid);
    if (cnt)
        (*cnt)++;
    else {
        u64 one = 1;
        bpf_map_update_elem(&call_count, &pid, &one, BPF_ANY);
    }
    return 0;
}

char LICENSE[] SEC("license") = "GPL";

// counter.c — userspace loader
#include "counter.skel.h"

int main(void) {
    struct counter_bpf *skel = counter_bpf__open();
    if (!skel || counter_bpf__load(skel))
        return 1;
    counter_bpf__attach(skel);
    // read map, print results
    counter_bpf__destroy(skel);
}

# Build with libbpf 1.x
clang -g -O2 -target bpf -D__TARGET_ARCH_x86 -I/usr/include/bpf \
      -c counter.bpf.c -o counter.bpf.o
bpftool gen skeleton counter.bpf.o > counter.skel.h
gcc -o counter counter.c -lbpf -lelf -lz

libbpf 1.x の API 変更点：

// Open and load (replaces older bpf_object__open/load split patterns)
struct counter_bpf *skel = counter_bpf__open();
counter_bpf__load(skel);
counter_bpf__attach(skel);

// Or explicit file open
struct bpf_object *obj = bpf_object__open_file("counter.bpf.o", NULL);
bpf_object__load(obj);

// Skeleton generation (always via bpftool)
// bpftool gen skeleton counter.bpf.o name counter > counter.skel.h

4. eBPF マップタイプ

マップタイプ	キー→値	用途
BPF_MAP_TYPE_HASH	任意→任意	PID ごとのカウンター、状態
BPF_MAP_TYPE_ARRAY	u32→固定	設定、CPU ごとにインデックス化されたメトリクス
BPF_MAP_TYPE_PERCPU_HASH	キー→CPU ごとの値	ロックなしの高頻度カウンター
BPF_MAP_TYPE_RINGBUF	—	効率的なカーネル→ユーザー空間イベント
BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY	—	レガシーな perf イベント出力
BPF_MAP_TYPE_LRU_HASH	キー→値	接続追跡、サイズ制限あり
BPF_MAP_TYPE_PROG_ARRAY	u32→プログラム	テールコール、プログラムの連鎖
BPF_MAP_TYPE_XSKMAP	—	AF_XDP ソケットへのリダイレクト

新しいコードでは PERF_EVENT_ARRAY よりも BPF_MAP_TYPE_RINGBUF を使用してください。オーバーヘッドが低く、可変サイズのレコードを扱えます。

5. ベリファイアエラーの切り分け

エラーメッセージ	根本原因	修正方法
invalid mem access 'scalar'	範囲が限定されていないポインターの参照	使用前に null チェックでポインターを検証する
R0 !read_ok	R0 を設定せずに戻っている	すべての経路で戻り値を設定する
jump out of range	分岐先がプログラムの終端を超えている	条件分岐を組み直す
back-edge detected	後方へのジャンプ（ループ）	bpf_loop() ヘルパー（カーネル ≥5.17）または回数が制限されたループを使う
unreachable insn	return 後のデッドコード	デッドブランチを削除する
invalid indirect read	初期化されていないバイトをスタックから読み取っている	構造体をゼロ初期化する：struct foo x = {}
misaligned stack access	ポインター演算によるアラインメントのずれ	読み取りを __u64 境界に合わせる

# Get detailed verifier log
bpftool prog load prog.bpf.o /sys/fs/bpf/prog type kprobe \
    2>&1 | head -100

# Check loaded programs
bpftool prog list
bpftool prog dump xlated id 42

6. XDP プログラム

// xdp_drop_icmp.bpf.c
#include <vmlinux.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>
#include <bpf/bpf_endian.h>

SEC("xdp")
int xdp_filter(struct xdp_md *ctx)
{
    void *data_end = (void *)(long)ctx->data_end;
    void *data     = (void *)(long)ctx->data;
    struct ethhdr *eth = data;

    if ((void *)(eth + 1) > data_end)
        return XDP_PASS;

    if (bpf_ntohs(eth->h_proto) != ETH_P_IP)
        return XDP_PASS;

    struct iphdr *ip = (void *)(eth + 1);
    if ((void *)(ip + 1) > data_end)
        return XDP_PASS;

    if (ip->protocol == IPPROTO_ICMP)
        return XDP_DROP;

    return XDP_PASS;
}
char LICENSE[] SEC("license") = "GPL";

# Attach XDP program to interface
ip link set dev eth0 xdp obj xdp_drop_icmp.bpf.o sec xdp
# Remove
ip link set dev eth0 xdp off
# Use native (driver) mode for best performance
ip link set dev eth0 xdp obj prog.bpf.o sec xdp mode native

XDP の戻りコード：XDP_PASS、XDP_DROP、XDP_TX（ヘアピン）、XDP_REDIRECT。

7. CO-RE — 一度コンパイルすれば、どこでも実行

CO-RE（Compile Once - Run Everywhere）は BTF 型情報を使い、ロード時にフィールドアクセスを再配置します。

// Use BTF-based field access (CO-RE aware)
#include <vmlinux.h>        // generated from running kernel's BTF
#include <bpf/bpf_core_read.h>

SEC("kprobe/tcp_connect")
int trace_connect(struct pt_regs *ctx)
{
    struct sock *sk = (struct sock *)PT_REGS_PARM1(ctx);
    u16 dport = BPF_CORE_READ(sk, __sk_common.skc_dport);
    // BPF_CORE_READ relocates the field offset at load time
    bpf_printk("connect to port %d\n", bpf_ntohs(dport));
    return 0;
}

# Generate vmlinux.h from running kernel
bpftool btf dump file /sys/kernel/btf/vmlinux format c > vmlinux.h

# Verify BTF is enabled
ls /sys/kernel/btf/vmlinux

8. BPF リングバッファと perf バッファの比較

// Ring buffer (preferred for new programs — better perf, no per-CPU loss)
struct {
    __uint(type, BPF_MAP_TYPE_RINGBUF);
    __uint(max_entries, 256 * 1024);
} rb SEC(".maps");

SEC("kprobe/sys_open")
int handle_open(struct pt_regs *ctx)
{
    struct event *e = bpf_ringbuf_reserve(&rb, sizeof(*e), 0);
    if (!e)
        return 0;
    e->pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
    bpf_ringbuf_submit(e, 0);
    // bpf_ringbuf_discard(e, 0) on error paths
    return 0;
}

特徴	リングバッファ	perf バッファ
API	bpf_ringbuf_reserve/submit	bpf_perf_event_output
バックプレッシャー	満杯の場合、reserve は失敗する	イベントがドロップされる場合がある
ユーザー空間	ring_buffer__poll（libbpf）	perf_buffer__poll
マルチプロデューサー	対応	CPU ごとのバッファ

9. BPF イテレーター

struct {
    __uint(type, BPF_MAP_TYPE_PROG_ARRAY);
    __uint(max_entries, 1);
} iter_prog SEC(".maps");

SEC("iter/task")
int dump_tasks(struct bpf_iter__task *ctx)
{
    struct task_struct *task = ctx->task;
    if (task)
        bpf_seq_printf(ctx->meta->seq, "%d %s\n", task->tgid, task->comm);
    return 0;
}

# Read iterator output from userspace
bpftool prog tracelog   # or attach iter to seq_file reader
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe

イテレーターは、要素ごとの kprobe オーバーヘッドなしで、カーネルのデータ構造（タスク、マップ、TCP ソケット）を走査します。

10. BPF アトミック操作

// GCC/Clang atomic builtins in BPF programs (kernel 5.12+)
static __always_inline void inc_counter(__u32 *counter)
{
    __sync_fetch_and_add(counter, 1);
}

// Use for per-CPU or map-backed counters under concurrent probes

高頻度カウンターには CPU ごとの配列マップを優先し、単一のマップ値に集約する場合はアトミック操作を使用してください。

マップタイプの全リファレンスについては、references/ebpf-map-types.md を参照してください。

関連スキル

• Aya フレームワークを使った Rust eBPF プログラムには skills/observability/ebpf-rust を使用してください
• eBPF を使わずに perf ベースのトレースを行うには skills/profilers/linux-perf を使用してください
• seccomp-bpf によるシステムコールのフィルタリングには skills/runtimes/binary-hardening を使用してください
• カーネルモジュールの開発には skills/low-level-programming/linux-kernel-modules を使用してください
• XDP_REDIRECT を AF_XDP ソケットにリダイレクトするには skills/async-io/af-xdp を使用してください