在 WebAssembly 中使用 Rust 编写 eBPF 程序并发布 OCI 镜像
作者：于桐，郑昱笙
eBPF（extended Berkeley Packet Filter）是一种高性能的内核虚拟机，可以运行在内核空间中，以收集系统和网络信息。随着计算机技术的不断发展，eBPF 的功能日益强大，并且已经成为各种效率高效的在线诊断和跟踪系统，以及构建安全的网络、服务网格的重要组成部分。
WebAssembly（Wasm）最初是以浏览器安全沙盒为目的开发的，发展到目前为止，WebAssembly 已经成为一个用于云原生软件组件的高性能、跨平台和多语言软件沙箱环境，Wasm 轻量级容器也非常适合作为下一代无服务器平台运行时，或在边缘计算等资源受限的场景高效执行。
现在，借助 Wasm-bpf 编译工具链和运行时，我们可以使用 Wasm 将 eBPF 程序编写为跨平台的模块，使用 C/C++ 和 Rust 编写程序。通过在 WebAssembly 中使用 eBPF 程序，我们不仅让 Wasm 应用获得 eBPF 的高性能、对系统接口的访问能力，还可以让 eBPF 程序享受到 Wasm 的沙箱、灵活性、跨平台性、和动态加载的能力，并且使用 Wasm 的 OCI 镜像来方便、快捷地分发和管理 eBPF 程序。例如，可以类似 docker 一样，从云端一行命令获取 Wasm 轻量级容器镜像，并运行任意 eBPF 程序。通过结合这两种技术，我们将会给 eBPF 和 Wasm 生态来一个全新的开发体验！
使用 Wasm-bpf 工具链在 Wasm 中编写、动态加载、分发运行 eBPF 程序
在前两篇短文中，我们已经介绍了 Wasm-bpf 的设计思路，以及如何使用 C/C++ 在 Wasm 中编写 eBPF 程序:
- Wasm-bpf: 架起 Webassembly 和 eBPF 内核可编程的桥梁: https://mp.weixin.qq.com/s/2InV7z1wcWic5ifmAXSiew
- 在 WebAssembly 中使用 C/C++ 和 libbpf 编写 eBPF 程序: https://zhuanlan.zhihu.com/p/605542090
基于 Wasm，我们可以使用多种语言构建 eBPF 应用，并以统一、轻量级的方式管理和发布。以我们构建的示例应用 bootstrap.wasm 为例，使用 C/C++ 构建的镜像大小最小仅为 ~90K，很容易通过网络分发，并可以在不到 100ms 的时间内在另一台机器上动态部署、加载和运行，并且保留轻量级容器的隔离特性。运行时不需要内核特定版本头文件、LLVM、clang 等依赖，也不需要做任何消耗资源的重量级的编译工作。对于 Rust 而言，编译产物会稍大一点，大约在 2M 左右。
本文将以 Rust 语言为例，讨论：
- 使用 Rust 编写 eBPF 程序并编译为 Wasm 模块
- 使用 OCI 镜像发布、部署、管理 eBPF 程序，获得类似 Docker 的体验
我们在仓库中提供了几个示例程序，分别对应于可观测、网络、安全等多种场景。
编写 eBPF 程序并编译为 Wasm 的大致流程
一般说来，在非 Wasm 沙箱的用户态空间，使用 libbpf-bootstrap 脚手架，可以快速、轻松地使用 C/C++构建 BPF 应用程序。编译、构建和运行 eBPF 程序（无论是采用什么语言），通常包含以下几个步骤：
- 编写内核态 eBPF 程序的代码，一般使用 C/C++ 或 Rust 语言
- 使用 clang 编译器或者相关工具链编译 eBPF 程序（要实现跨内核版本移植的话，需要包含 BTF 信息）。
- 在用户态的开发程序中，编写对应的加载、控制、挂载、数据处理逻辑；
- 在实际运行的阶段，从用户态将 eBPF 程序加载进入内核，并实际执行。
使用 Rust 编写 eBPF 程序并编译为 Wasm
Rust 可能是 WebAssembly 生态系统中支持最好的语言。Rust 不仅支持几个 WebAssembly 编译目标，而且 wasmtime、Spin、Wagi 和其他许多 WebAssembly 工具都是用 Rust 编写的。因此，我们也提供了 Rust 的开发示例：
- Wasm 和 WASI 的 Rust 生态系统非常棒
- 许多 Wasm 工具都是用 Rust 编写的，这意味着有大量的代码可以复用。
- Spin 通常在对其他语言的支持之前就有Rust的功能支持
- Wasmtime 是用 Rust编写的，通常在其他运行时之前就有最先进的功能。
- 可以在 WebAssembly 中使用许多现成的 Rust 库。
- 由于 Cargo 的灵活构建系统，一些 Crates 甚至有特殊的功能标志来启用Wasm的功能（例如Chrono）。
- 由于 Rust 的内存管理技术，与同类语言相比，Rust 的二进制大小很小。
我们同样提供了一个 Rust 的 eBPF SDK，可以使用 Rust 编写 eBPF 的用户态程序并编译为 Wasm。借助 aya-rs 提供的相关工具链支持，内核态的 eBPF 程序也可以用 Rust 进行编写，不过在这里，我们还是复用之前使用 C 语言编写的内核态程序。
首先，我们需要使用 rust 提供的 wasi 工具链，创建一个新的项目：
rustup target add wasm32-wasi
cargo new rust-helloworld
之后，可以使用 Makefile 运行 make 完成整个编译流程，并生成 bootstrap.bpf.o eBPF 字节码文件。
使用 wit-bindgen 生成类型信息，用于内核态和 Wasm 模块之间通信
wit-bindgen 项目是一套着眼于 WebAssembly，并使用组件模型的语言的绑定生成器。绑定是用 *.wit 文件描述的，文件中描述了 Wasm 模块导入、导出的函数和接口。我们可以 wit-bindgen 它来生成多种语言的类型定义，以便在内核态的 eBPF 和用户态的 Wasm 模块之间传递数据。
我们首先需要在 Cargo.toml 配置文件中加入 wasm-bpf-binding 和 wit-bindgen-guest-rust 依赖：
wasm-bpf-binding = { path = "wasm-bpf-binding" }
这个包提供了 wasm-bpf 由运行时提供给 Wasm 模块，用于加载和控制 eBPF 程序的函数的绑定。
wasm-bpf-binding在 wasm-bpf 仓库中有提供。
[dependencies]
wit-bindgen-guest-rust = { git = "https://github.com/bytecodealliance/wit-bindgen", version = "0.3.0" }
[patch.crates-io]
wit-component = {git = "https://github.com/bytecodealliance/wasm-tools", version = "0.5.0", rev = "9640d187a73a516c42b532cf2a10ba5403df5946"}
wit-parser = {git = "https://github.com/bytecodealliance/wasm-tools", version = "0.5.0", rev = "9640d187a73a516c42b532cf2a10ba5403df