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Java eBPF 技术：通过 JVM 探针实现内核级网络流量与延迟的精确监控
大家好，今天我们来聊聊 Java eBPF 技术，特别是如何通过 JVM 探针来实现内核级的网络流量与延迟的精确监控。这是一个非常强大的组合，可以帮助我们深入了解 Java 应用的网络行为，并诊断性能问题。
一、什么是 eBPF？
eBPF (extended Berkeley Packet Filter) 是一种内核技术，它允许用户在内核中安全地运行用户定义的程序，而无需修改内核源代码或加载内核模块。eBPF 程序通常用于网络监控、安全策略、性能分析等领域。
- 安全性： eBPF 程序在执行前会经过内核验证器的严格检查，确保不会导致系统崩溃或安全漏洞。
- 性能： eBPF 程序运行在内核态，可以高效地访问内核数据，避免了用户态和内核态之间频繁的上下文切换。
- 灵活性： eBPF 程序可以通过多种事件触发，例如网络数据包到达、系统调用发生、定时器触发等。
二、Java 和 eBPF 如何结合？
Java 本身运行在 JVM (Java Virtual Machine) 上，与底层操作系统内核隔离。为了监控 Java 应用的网络行为，我们需要一种方法来从 JVM 内部获取信息，并将其传递给 eBPF 程序。这就是 JVM 探针发挥作用的地方。
JVM 探针是一种技术，允许我们在运行时动态地插入代码到 JVM 中，而无需修改 Java 应用的源代码。我们可以使用 JVM 探针来收集 Java 应用的网络数据，例如请求的 URL、请求头、响应时间等，然后将这些数据传递给 eBPF 程序进行分析。
三、技术选型：选择合适的 eBPF 框架和 JVM 探针
在开始实现之前，我们需要选择合适的 eBPF 框架和 JVM 探针。
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eBPF 框架： 目前有多种 eBPF 框架可供选择，例如 BCC (BPF Compiler Collection)、libbpf、aya 等。BCC 是一个 Python 库，提供了高级的 API 来编写 eBPF 程序。libbpf 是一个 C 库，提供了更底层的 API，可以更灵活地控制 eBPF 程序的行为。Aya 是一个 Rust 库，提供了类型安全的 API 和更强的性能。
对于 Java 开发者来说，BCC 比较容易上手，因为它提供了 Python API，可以方便地与 Java 应用进行交互。但是，BCC 的性能可能不如 libbpf 和 Aya。
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JVM 探针： 也有多种 JVM 探针技术可供选择，例如 Java Agent、JVMTI (JVM Tool Interface)、Byte Buddy 等。Java Agent 是一种特殊的 Java 程序，可以在 JVM 启动时加载，并修改 JVM 的行为。JVMTI 是 JVM 提供的一组 API，允许外部程序与 JVM 进行交互。Byte Buddy 是一个代码生成库，可以动态地创建和修改 Java 类。
对于监控网络流量和延迟来说，Java Agent 和 JVMTI 是比较常用的选择。Java Agent 可以方便地拦截网络请求和响应，并收集相关数据。JVMTI 提供了更底层的 API，可以更精确地控制 JVM 的行为。
在本文中，我们将使用 BCC 作为 eBPF 框架，Java Agent 作为 JVM 探针。
四、实现步骤：从零开始构建监控系统
下面我们来一步步地构建一个基于 Java eBPF 的网络流量与延迟监控系统。
1. 编写 Java Agent
首先，我们需要编写一个 Java Agent，用于拦截 Java 应用的网络请求和响应，并收集相关数据。
import java.lang.instrument.Instrumentation;
import java.net.URI;
import java.net.http.HttpClient;
import java.net.http.HttpRequest;
import java.net.http.HttpResponse;
import java.time.Duration;
import java.time.Instant;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class NetworkMonitorAgent {
private static final String BPF_MAP_NAME = "network_data"; // eBPF map 名称，用于传递数据
private static final Map<Long, Instant> requestStartTimes = new HashMap<>(); // 保存请求开始时间
public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) {
System.out.println("[NetworkMonitorAgent] Agent is running!");
inst.addTransformer((loader, className, classBeingRedefined, protectionDomain, bytecode) -> {
if (className.equals("java/net/http/HttpClient$SendSynchronously")) {
try {
// 使用 Byte Buddy 动态修改 HttpClient$SendSynchronously 类
return new net.bytebuddy.agent.builder.AgentBuilder.Default()
.type(className)
.transform((builder, typeDescription, classLoader, module) -> builder
.method(net.bytebuddy.matcher.ElementMatchers.named("send"))
.intercept(net.bytebuddy.implementation.MethodDelegation.to(NetworkInterceptor.class))
)
.installOn(inst);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
return null;
}
}
return null;
});
}
public static class NetworkInterceptor {
// 拦截 send 方法，记录请求开始时间和结束时间，并将数据传递给 eBPF
public static HttpResponse<Object> send(HttpRequest request, HttpClient client, Duration timeout) throws Exception {
long requestId = request.hashCode(); // 使用请求的 hashCode 作为唯一 ID
requestStartTimes.put(requestId, Instant.now());
HttpResponse<Object> response = client.send(request, HttpResponse.BodyHandlers.ofString()); // 发送请求
Instant endTime = Instant.now();
Instant startTime = requestStartTimes.get(requestId);
if (startTime != null) {
Duration latency = Duration.between(startTime, endTime);
long latencyMillis = latency.toMillis();
// 获取请求的 URL
URI uri = request.uri();
String url = uri.toString();
// 将数据传递给 eBPF Map
sendDataToBpfMap(requestId, url, latencyMillis);
requestStartTimes.remove(requestId);
}
return response;
}
private static native void sendDataToBpfMap(long requestId, String url, long latencyMillis); // Native 方法，用于与 eBPF 程序交互
}
}这个 Java Agent 使用 Byte Buddy 库来动态修改 java.net.http.HttpClient$SendSynchronously 类的 send 方法。它记录了请求的开始时间和结束时间，计算出延迟，并将请求的 URL 和延迟传递给一个 Native 方法 sendDataToBpfMap，该方法将与 eBPF 程序交互。
2. 编写 eBPF 程序
接下来，我们需要编写一个 eBPF 程序，用于接收 Java Agent 传递的数据，并进行分析。
#include <uapi/linux/ptrace.h>
#include <linux/sched.h>
// 定义 eBPF Map，用于存储网络数据
BPF_HASH(network_data, u64, struct data_t);
// 定义数据结构，用于存储网络数据
struct data_t {
u64 timestamp;
u64 latency;
char url[128];
};
// 定义 kprobe，用于拦截 Java Agent 传递的数据
KPROBE(sendDataToBpfMap) {
u64 requestId = (u64)ctx->ax; // 获取请求 ID
char *url = (char *)ctx->dx; // 获取 URL
u64 latency = (u64)ctx->cx; // 获取延迟
// 获取当前时间戳
u64 timestamp = bpf_ktime_get_ns();
// 创建数据结构
struct data_t data = {0};
data.timestamp = timestamp;
data.latency = latency;
bpf_probe_read_str(data.url, sizeof(data.url), url);
// 将数据存储到 eBPF Map 中
network_data.update(&requestId, &data);
return 0;
}
// 定义 perf event，用于将数据从内核态传递到用户态
BPF_PERF_OUTPUT(events);
// 定义定时器，定期将数据从 eBPF Map 中读取出来，并发送到用户态
int cleanup(void *ctx) {
u64 key = 0;
struct data_t *data;
// 遍历 eBPF Map
while ((data = network_data.lookup(&key)) != NULL) {
// 将数据发送到用户态
events.perf_submit(ctx, data, sizeof(struct data_t));
// 删除 eBPF Map 中的数据
network_data.delete(&key);
key++;
}
return 0;
}这个 eBPF 程序定义了一个 network_data 的 BPF_HASH，用于存储从 Java Agent 传递过来的网络数据。它还定义了一个 sendDataToBpfMap 的 KPROBE，用于拦截 Java Agent 传递的数据，并将其存储到 network_data 中。最后，它定义了一个定时器 cleanup，用于定期将数据从 network_data 中读取出来，并通过 BPF_PERF_OUTPUT 将其发送到用户态。
3. 编写 Python 脚本
最后，我们需要编写一个 Python 脚本，用于加载 eBPF 程序，并接收 eBPF 程序发送的数据。
from bcc import BPF
import time
# 加载 eBPF 程序
b = BPF(src_file="network_monitor.c")
# 加载 kprobe
b.attach_kprobe(event="sendDataToBpfMap", fn_name="sendDataToBpfMap");
# 定义 perf event 回调函数
def print_event(cpu, data, size):
event = b["events"].event(data)
print(f"Timestamp: {event.timestamp}, URL: {event.url.decode()}, Latency: {event.latency} ms")
# 注册 perf event 回调函数
b["events"].open_perf_buffer(print_event)
# 运行 eBPF 程序
while True:
try:
b.perf_buffer_poll()
time.sleep(0.1)
except KeyboardInterrupt:
exit()这个 Python 脚本使用 BCC 库来加载 eBPF 程序，并将其附加到 sendDataToBpfMap 函数上。它还定义了一个 print_event 函数，用于接收 eBPF 程序发送的数据，并将其打印到控制台上。最后，它运行一个循环，定期调用 b.perf_buffer_poll() 函数来接收 eBPF 程序发送的数据。
4. 编译和运行
现在，我们可以编译和运行我们的监控系统了。
首先，我们需要编译 eBPF 程序。
clang -O2 -target bpf -c network_monitor.c -o network_monitor.o然后，我们需要将 Java Agent 打包成一个 JAR 文件。
javac NetworkMonitorAgent.java
jar cvfm NetworkMonitorAgent.jar manifest.txt NetworkMonitorAgent$.class NetworkMonitorAgent$NetworkInterceptor.class NetworkMonitorAgent.class其中，manifest.txt 文件的内容如下：
Manifest-Version: 1.0
Agent-Class: NetworkMonitorAgent
Can-Redefine-Classes: true
Can-Retransform-Classes: true最后，我们需要运行 Java 应用，并指定 Java Agent。
java -javaagent:NetworkMonitorAgent.jar -jar your_application.jar同时，我们需要运行 Python 脚本来加载 eBPF 程序，并接收 eBPF 程序发送的数据。
sudo python3 network_monitor.py现在，我们可以看到 Java 应用的网络流量和延迟数据了。
五、代码结构和编译流程
为了更好地理解整个系统，这里提供代码结构和编译流程的总结。
| 组件 | 描述 |
|---|