数据包过滤
LSF(Linux socket filter)起源于BPF（Berkeley Packet Filter），基础从架构一致，但使用更简单。其核心原理是对用户提供了一种SOCKET选项：SO_ATTACH_FILTER。允许用户在某个sokcet上添加一个自定义的filter，只有满足该filter指定条件的数据包才会上发到用户空间。因为sokket有很多种，你可以在各个维度的socket添加这种filter，如果添加在raw socket，就可以实现基于全部IP数据包的过滤（tcpdump就是这个原理），如果你想做一个http分析工具，就可以在基于80端口（或其他http监听端口）的socket添加filter。还有一种使用方式离线式的，使用libpcap抓包存储在本地，然后可以使用bpf代码对数据包进行离线分析，这对于实验新的规则和测试bpf程序非常有帮助。甚至更底层的用法，可以在内核模块中直接写eBPF（内核中的表达方法，后面介绍）程序，直接插入内核的执行流程。
echo 2 > /proc/sys/net/core/bpf_jit_enable通过像这个写入0/1/2可以实现关闭、打开、调试日志等bpf模式。
在用户空间使用，最简单的办法是使用libpcap的引擎，由于bpf是一种汇编类型的语言，自己写难度比较高，所以libpcap提供了一些上层封装可以直接调用。然而libpcap并不能提供所有需求，比如bpf模块开发者的测试需求，还有高端的自定义bpf脚本的需求。这种情况下就需要自己编写bpf代码，然后使用内核tools/net/目录下的工具进行编译成bpf汇编代码，再使用socket接口传入这些代码即可。bpf引擎在内核中大部分以模块的形式提供，并且可以替换采用不同的引擎，常用的由netfilter自带的xt_bpf 、cls_bpf，
内核对bpf的完整支持是从3.9开始的，作为iptables的一部分存在，默认使用的是xt_bpf，用户端的库是libxt_bpf。iptables一开始对规则的管理方式是顺序的一条条的执行，这种执行方式难免在匹配数目多的时候带来性能瓶颈，添加了bpf支持后，灵活性大大提升。
其他的BPF程序
前面说的bpf程序是用来做包过滤的，那么bpf代码只能用来做包过滤吗？非也。内核的bpf支持是一种基础架构，只是一种中间代码的表达方式，是向用户空间提供一个向内核注入可执行代码的公共接口。只是目前的大部分应用是使用这个接口来做包过滤。其他的如seccomp BPF可以用来实现限制用户进程可使用的系统调用，cls_bpf可以用来将流量分类，PTP dissector/classifier（干啥的还不知道）等都是使用内核的eBPF语言架构来实现各自的目的，并不一定是包过滤功能。
用户空间bpf支持
工具：tcpdump、tools/net、cloudfare、seccomp BPF
用户空间bpf汇编架构分析
bpf中每一条汇编指令都是如下格式：
struct sock_filter { /* Filter block */
__u16 code; /* Actual filter code */
__u8 jt; /* Jump true */
__u8 jf; /* Jump false */
__u32 k; /* Generic multiuse field */
};一个列子：op:16, jt:8, jf:8, k:32
code是真实的汇编指令，jt是指令结果为true的跳转，jf是为false的跳转，k是指令的参数，根据指令不同不同。一个bpf程序编译后就是一个sock_filter的数组，而可以使用类似汇编的语法进行编程，然后使用内核提供的bpf_asm程序进行编译。
bpf在内核中实际上是一个虚拟机，有自己定义的虚拟寄存器组。和我们熟悉的java虚拟机的原理一致。这个虚拟机的设计是lsf的成功的所在。有3种寄存器：
A 32位，所有加载指令的目的地址和所有指令运算结果的存储地址
X 32位，二元指令计算A中参数的辅助寄存器（例如移位的位数，除法的除数）
M[] 0-15共16个32位寄存器，可以自由使用我们最常见的用法莫过于从数据包中取某个字的数据内来做判断。按照bpf的规定，我们可以使用偏移来指定数据包的任何位置，而很多协议很常用并且固定，例如端口和ip地址等，bpf就为我们提供了一些预定义的变量，只要使用这个变量就可以直接取值到对应的数据包位置。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()更可贵的是这个列表还可以由用户自己去扩展。各种bpf引擎的具体实现还会定义各自的扩展。
内核的BPF支持
我们可以看到，用户端即使经过编译的bpf代码也只是内核的一个结构体数组，与具体的可执行的实际汇编代码还是有差距的。要想得到可以直接执行的二进制代码，还需要在内核中进行编译。首先是将用户提交来的结构体数组进行编译成eBPF代码。这个代码是内核层级的虚拟汇编代码，这套汇编代码不用用户自己写，而是用户需要完成的只是sock_filter结构体数组，后面的转换为eBPF代码是内核自己完成的。然后再将eBPF代码转变为可直接执行的二进制。在eBPF之前的内核表达方法叫classic BPF format，这在很多平台还在使用，这个代码就和用户空间使用的那种汇编是一样的，但是在X86架构，现在在内核态已经都切换到使用eBPF作为中间语言了。也就是说x86在用户空间使用的汇编和在内核空间使用的并不一样。但是内核在定义eBPF的时候已经尽量的复用bpf的编码，有的指令的编码和意义，如BPF_LD都是完全一样的。
所以可以看出，eBPF的野心绝不止于此， 作为一种内核中存在的平台中间语言，他希望将所有用户希望在内核中执行的代码逻辑编译成eBPF。
内核eBPF汇编架构分析
`
* 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
`
为了配合更强大的功能，eBPF汇编架构使用的寄存器有所增加，上述的寄存器的存在，充分体现了函数调用的概念，而不再是加载处理的原始逻辑。有了函数调用的逻辑设置可以直接调用内核内部的函数（这是一个安全隐患，但是内部有规避机制）。不但如此，由于这种寄存器架构与x86等CPU的真实寄存器架构非常像，实际的实现正是实行了直接的寄存器映射，也就是说这些虚拟的寄存器实际上是使用的同功能的真实的寄存器，这无疑是对效率的极大提高。而且，在64位的计算机上这些计算机将会有64位的宽度，完美的发挥硬件能力。但是目前的64位支持还不太完善，但已经可用。
目前的内核实现，只可以在eBPF程序中调用预先定义好的内核函数，不可以调用其他的eBPF程序(因为eBPF本身不是函数的概念)。这看起来无关紧要，但是却是一个极大的能力，这就意味着你可以使用C语言来实现eBPF程序逻辑，eBPF只需要调用这个C函数就好了。
eBPF的数据交互：map
eBPF不但是程序，还可以访问外部的数据，重要的是这个外部的数据可以在用户空间管理。这个k-v格式的map数据体是通过在用户空间调用bpf系统调用创建、添加、删除等操作管理的。
eBPF的直接编程方法
除了在用户空间通过nettable和tcpdump来使用bpf，在内核中或者在其他通用的编程中可以直接使用C写eBPF代码，但是需要LLVM支持，例子。
在用户空间通过使用bpf系统调用的BPF_PROG_LOAD方法，就可以发送eBPF的代码进内核，如此发送的代码不需要再做转换，因为其本身就是eBPF格式的。如果要在内核空间模块使用eBPF，可以直接使用对应的函数接口插入eBPF程序到sk_buff，提供强大的过滤能力。
用于内核TRACING
我们知道eBPF有map数据结构，有程序执行能力。那么这就是完美的跟踪框架。比如通过kprobe将一个eBPF程序插入IO代码，监控IO次数，然后通过map向用户空间汇报具体的值。用户端只需要每次使用bpf系统调用查看这个map就可以得到想要统计的内容了。那么为何要用eBPF，而不是直接使用kprobe的c代码本身呢？这就是eBPF的安全性，其机制设计使其永远不会crash掉内核，不会与正常的内核逻辑发生交叉影响。可以说，通过工具选择避免了可能发生的很多问题。更可贵的是eBPF是原生的支持tracepoint，这就为kprobe不稳定的情况提供了可用性。
业界对eBPF的使用
Brendan Gregg’s Blog描述了一个使用eBPF进行kprobe测试的例子。
ktap创造性的使用eBPF机制实现了内核模块的脚本化，使用ktap，你可以直接使用脚本编程，无需要编译内核模块，就可以实现内核代码的追踪和插入。这背后就是eBPF和内核的tracing子系统。
bpf subcommand to perf：华为也在为bpf添加perf脚本的支持能力。
可以看出来，eBPF起源于包过滤，但是目前在trace市场得到越来越广泛的应用。
意义和总结
也就是说目前使用传统的bpf语法和寄存器在用户空间写bpf代码，代码在内核中会被编译成eBPF代码，然后编译为二进制执行。传统的bpf语法和寄存器简单，更面向业务，类似于高层次的编程语言，而内核的eBPF语法和寄存器复杂，类似于真实的汇编代码。
那么为何内核要大费周章的实现如此一个引擎呢？因为轻量级、安全性和可移植性。由于是中间代码，可移植性不必说，但是使用内核模块调用内核的函数接口一般也是可移植的，所以这个并不是很重要的理由。eBPF代码在执行的过程中被严格的限制了禁止循环和安全审查，使得eBPF被严格的定位于提供过程式的执行语句块，甚至连函数都算不上，并且限制同时只有一个eBPF程序，最大不超过4096个指令。所以这就是其定位：轻量级、安全、不循环。
上面说了几个bpf的用途，但远不至于此。
http://www.tcpdump.org/papers/bpf-usenix93.pdf
http://lwn.net/Articles/498231/
https://www.kernel.org/doc/Documentation/networking/filter.txt