【eBPF-02】入門：基於 BCC 框架的程式進階

来源:https://www.cnblogs.com/lianyihong/archive/2023/12/28/17932675.html
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本文在前一篇文章的基礎上，對進程執行監控工具（execsnoop）進行了升級，實時列印進程執行時傳入的參數列表；並通過 `kprobe` 和 `tracepoint` 兩種方式，綁定 eBPF 程式，給出了代碼實現。同時，對這兩種 eBPF 事件類型進行了簡單比較。顯然，在你手動開發一個 eBPF ... ...


本文是 eBPF 系列的第二篇文章，我們來學習 eBPF BCC 框架的進階用法，對上一篇文章中的代碼進行升級，動態輸出進程運行時的參數情況。

主要內容包括：

  1. 通過 kprobe 掛載內核事件的 eBPF 程式要如何編寫？
  2. 通過 tracepoint 掛載內核事件的 eBPF 程式要如何編寫？
  3. eBPF 的程式事件類型有哪些？

在開始之前，我們來回顧一下前一篇文章的內容。

前一篇文章介紹瞭如何通過 BCC 框架來編寫一個簡單的 eBPF 程式。在內核空間，使用 c 程式實現 eBPF 的核心邏輯；在用戶空間，使用 python 腳本作為 eBPF 程式的控制、載入和展示。其中，內核態通過若幹 eBPF helper 函數，獲取內核觀測數據，並通過 PERF 區域，將這些數據傳遞到用戶空間；用戶態使用attach_kprobe() 將內核 eBPF 函數綁定到某個內核事件上。

整個流程如下圖所示：

image

在上面的實現過程中，用戶態通過 kprobe 的方式，為某個內核事件掛載自定義處理邏輯（圖中是指定了內核中 do_execve 函數）。通過這種方式，我們能夠監測絕大部分的內核函數，這正是 eBPF 技術牛逼的原因。

對於這種 kprobe 類型的 eBPF 程式，我們再來看一個例子（改編自 Brendan Gregg 大神的 execsnoop 工具：https://github.com/iovisor/bcc/blob/master/tools/execsnoop.py ）

1 進程執行參數的監控

接下來，我們要對上圖中的工具再次進行功能升級，我希望這個工具在運行時，能夠輸出當前執行進程的參數信息。

如果將 eBPF 程式等同於 C 程式來看，這個問題似乎沒那麼困難。何以見得？

1.1 分析

sys_execve 系統調用的函數簽名為：int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]), 其中，argv[]便記錄了進程執行的參數。我們大可以像提取 filename 的方式那樣，提取 argv[]，並將其傳入到用戶空間中。

但實際上，eBPF 程式與 C 程式並不等同。eBPF 編程中有 “兩座大山” 般的限制，分別是：

限制一：eBPF 程式運行棧僅有 512 位元組。

限制二：eBPF 程式可以調用的介面極其有限。

因此，如果我們想嘗試在 512 位元組的 eBPF 運行棧中完整拼接整理不定長的 argv[] 參數列表，是根本不可能的。

基於以上分析，本文給出一個比較合理的解決方案：

Q：如何防止運行棧爆棧？

1）既然運行棧有大小限制，不如直接將拼接操作轉移到用戶態完成。eBPF 程式只需要將 argv[] 數組中每個 argv 傳輸到用戶態程式中。
2）對於長度過長的 argv，沒辦法了，只能手動截斷了。

Q：用戶態何時進行參數拼接？何時進行參數展示？

1）既然需要用戶態完成拼接，那麼，可以分為兩個階段。STEP-1，僅專註字元串的拼接；STEP-2，僅專註字元串展示。
2）對於 execve 系統調用，我們可以在 enter 時執行 STEP-1 操作，在 exit 是執行 STEP-2 操作。

接下來更新代碼。

1.2 定義

首先，對於用於交互的結構體，增加兩個個欄位，其一用於記錄 execve 調用的每個參數，其二用於記錄 eBPF 執行的階段；同時，去掉冗餘欄位 fname

#define ARGSIZE     128
#define MAXARG      60

enum event_step {
	STEP_1,		// STEP 1: 執行 argv 拼接
	STEP_2,		// STEP 2: 執行 argv 展示
};

struct data_t {
	u32		pid;
	enum		event_step step;	// 記錄 eBPF 執行階段
	char		comm[TASK_COMM_LEN];
	char		argv[ARGSIZE];		// 記錄每一個參數
};

定義 BPF_PERF_OUTPUT：

BPF_PERF_OUTPUT(events);

1.3 處理

實現 execve 系統調用 enter 和 exit 回調函數：

// exter execve
int syscall__execve(struct pt_regs *ctx, const char __user *filename,
			const char __user *const __user *__argv,
			const char __user *const __user *__envp) {
	struct data_t data = {};
	// 設置 step = STEP 1
	data.step = STEP_1;
	// 設置 pid
	data.pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
	// 設置 comm
	bpf_get_current_comm(&data.comm, sizeof(data.comm));
	// 設置每一個 argv，並導出
	...
	
	return 0;
}


// exit execve
int do_ret_sys_execve(struct pt_regs *ctx) {
	struct data_t data = {};
	// 設置 step = STEP 1
	data.step = STEP_2;
	// 設置 pid
	data.pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
	// 設置 comm
	bpf_get_current_comm(&data.comm, sizeof(data.comm));
	// 提交 perf
	events.perf_submit(ctx, &data, sizeof(data));
    return 0;
}

註意，這裡 bpf_get_current_pid_tgid() 輔助函數返回值高 32 為內核視角下的 process ID（用戶視角下為 TID），低 32 位為內核視角下的 thread group ID（用戶視角下的 PID）。這裡右移 32 位，是獲取用戶視角的 PID。

1.4 綁定

用戶態綁定 kprobe 事件：

b = BPF(src_file="execsnoop.c")
execve_fnname = b.get_syscall_fnname("execve")
# enter 事件
b.attach_kprobe(event=execve_fnname, fn_name="syscall__execve")
# exit 事件
b.attach_kretprobe(event=execve_fnname, fn_name="do_ret_sys_execve")

1.5 難點

內核態如何設置並導出每一個 argv[]？

// 字元串提交
static int __submit_arg(struct pt_regs *ctx, void *ptr, struct data_t *data) {
	// 提交 perf 之前，需要拷貝到用戶態變數中
	bpf_probe_read_user(data->argv, sizeof(data->argv), ptr);
	// 將這個 argv 提交
	events.perf_submit(ctx, data, sizeof(struct data_t));
	return 1;
}
// 字元串控制
static int submit_arg(struct pt_regs *ctx, void *ptr, struct data_t *data) {
	const char *argp = NULL;
	bpf_probe_read_user(&argp, sizeof(argp), ptr);
	// 是否到達末尾字元串
	if (argp) {
		return __submit_arg(ctx, (void *)(argp), data);
	}
	return 0;
}

int syscall__execve(struct pt_regs *ctx, const char __user *filename,
			const char __user *const __user *__argv,
			const char __user *const __user *__envp) {
	// 設置過程
	...
	// (A) 設置每一個 argv，並導出
	#pragma unroll
	for (int i = 1; i < MAXARG; i++) {
		if (submit_arg(ctx, (void *)&__argv[i], &data) == 0)
			goto out;
	}
	// (B) 如果當前的 argv[] 太長了，進行截斷操作
	char ellipsis[] = "...";
	__submit_arg(ctx, (void *)ellipsis, &data);
out:
	return 0;
}

關註核心的兩個步驟：

(A) MAXARG 代表一個 argv[] 的最大監測數量。首先要遍歷這個 argv[] 的每一個字元串，如果這個字元不為 NULL（說明沒有到當前 argv[] 結尾）或不超過最大值 MAXARG，那麼將每個字元串提交到 PERF 區域。

註意：
低版本（5.3 以前）的 eBPF 程式不支持迴圈。5.3 版本後也僅支持有界迴圈。在低版本的 eBPF 中使用迴圈有一個小技巧，那就是通過 #pragma unroll 進行編譯器迴圈展開預處理。

(B) 如果超過了這個最大數量 MAXARG，後面及時再有參數，也進行截斷處理。

1.6 拼接

用戶態獲取和拼接參數列表是基於 eBPF 階段的。

from collections import defaultdict

argv = defaultdict(list)
class EventStep(object):
	STEP_1 = 0
	STEP_2 = 1

# PERF 事件回調處理
def print_event(cpu, data, size):
	event = b["events"].event(data)
	# STEP 1：拼接
	if event.step == EventStep.STEP_1:
		argv[event.pid].append(event.argv)
	# STEP 2：顯示
	elif event.step == EventStep.STEP_2:
		argv_text = b' '.join(argv[event.pid]).replace(b'\n', b'\\n')
		printb(b"%-16s %-7d %s" % (event.comm, event.pid, argv_text))
		try:
			del(argv[event.pid])
		except Exception:
			pass

# 綁定 PERF 事件回調處理
b["events"].open_perf_buffer(print_event)
while 1:
	try:
		b.perf_buffer_poll()
	except KeyboardInterrupt:
		exit()

用戶態程式需要註意：event 事件通過 PERF 獲取的結構數據為 Byte 類型，需要通過 decode('utf-8')/encode() 與 str 類型進行轉換。

1.7 完整代碼和運行效果

// execsnoop.c
#include <linux/sched.h>
#include <linux/fs.h>

#define ARGSIZE     128
#define MAXARG      60
enum event_step {
	STEP_1,
	STEP_2,
};
struct data_t {
	u32		pid;
	enum		event_step step;
	char		comm[TASK_COMM_LEN];
	char		argv[ARGSIZE];
};
BPF_PERF_OUTPUT(events);

static int __submit_arg(struct pt_regs *ctx, void *ptr, struct data_t *data) {
	bpf_probe_read_user(data->argv, sizeof(data->argv), ptr);
	events.perf_submit(ctx, data, sizeof(struct data_t));
	return 1;
}
static int submit_arg(struct pt_regs *ctx, void *ptr, struct data_t *data) {
	const char *argp = NULL;
	bpf_probe_read_user(&argp, sizeof(argp), ptr);
	if (argp) {
		return __submit_arg(ctx, (void *)(argp), data);
	}
	return 0;
}
// exter execve
int syscall__execve(struct pt_regs *ctx, const char __user *filename,
			const char __user *const __user *__argv,
			const char __user *const __user *__envp) {
	struct data_t data = {};
	data.step = STEP_1;
	data.pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
	bpf_get_current_comm(&data.comm, sizeof(data.comm));
	#pragma unroll
	for (int i = 1; i < MAXARG; i++) {
		if (submit_arg(ctx, (void *)&__argv[i], &data) == 0)
			goto out;
	}
	char ellipsis[] = "...";
	__submit_arg(ctx, (void *)ellipsis, &data);
out:
	return 0;
}
// exit execve
int do_ret_sys_execve(struct pt_regs *ctx) {
	struct data_t data = {};
	data.step = STEP_2;
	data.pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
	bpf_get_current_comm(&data.comm, sizeof(data.comm));
	events.perf_submit(ctx, &data, sizeof(data));
	return 0;
}

# execsnoop.py
#!/usr/bin/python3
from bcc import BPF
from bcc.utils import printb
from collections import defaultdict

argv = defaultdict(list)
class EventStep(object):
	STEP_1 = 0
	STEP_2 = 1

b = BPF(src_file="execsnoop.c")
execve_fnname = b.get_syscall_fnname("execve")
b.attach_kprobe(event=execve_fnname, fn_name="syscall__execve")
b.attach_kretprobe(event=execve_fnname, fn_name="do_ret_sys_execve")

print("%-7s %-16s %s" % ("PID", "PCOMM", "ARGS"))

# process event
def print_event(cpu, data, size):
	event = b["events"].event(data)
	fname = ""
	if event.step == EventStep.STEP_1:
		argv[event.pid].append(event.argv)
	elif event.step == EventStep.STEP_2:
		argv_text = b' '.join(argv[event.pid]).replace(b'\n', b'\\n')
		printb(b"%-7d %-16s %s" % (event.pid, event.comm, argv_text))
		try:
			del(argv[event.pid])
		except Exception:
			pass

# loop with callback to print_event
b["events"].open_perf_buffer(print_event)
while 1:
	try:
		b.perf_buffer_poll()
	except KeyboardInterrupt:
		exit()

運行效果：

image

2 Tracepoint 追蹤點

前文提到過，kprobe 方式，幾乎可以使 eBPF 掛載到內核中任意一個函數事件上，隨著內核函數的執行而觸發。但是，由於不同的內核版本，其某個具體函數的定義、參數和實現可能會有所不同（kprobe 實現的事件處理函數要求和掛載點函數擁有相同的參數）。因此，使用 kprobe 方式實現的 eBPF 程式可能無法在其他內核的主機上運行。此外，kprobe 無法掛載到靜態函數或內聯函數上。而出於性能考慮，大部分網路相關的內層函數都是內聯或者靜態的，因此，kprobe 方式在這些領域也只能望洋興嘆了。

上述兩點，均為 kprobe 方式的局限性，它並不具備很好的可移植性。於是，從 Linux 內核 4.7 開始，能讓 eBPF 使用的 tracepoint 出現了（官方文檔）。tracepoint 是由內核開發人員在代碼中設置的靜態 hook 點，具有穩定的 API 介面，不會隨著內核版本的變化而變化。但由於 tracepoint 是需要內核研發人員參數編寫，其數量有限，並不是所有的內核函數中都具有類似的跟蹤點，所以從靈活性上不如 kprobes 這種方式。

2.1 kprobe 和 tracepoint 對比

在 3.10 內核中，kprobe 與 tracepoint 方式對比如下：

內容 kprobe tracepoint
追蹤類型 動態 靜態
Hook 點數量 100000+ 1200+
穩定的 API 否 是

可以使用以下命令查看系統支持的 tracepoint，支持 grep 檢索。

perf list
perf list | grep execve

image

上面的執行結果可以看到，execve系統調用具有兩個 syscalls 類型的靜態跟蹤點，並且，tracepoint 已經對 enter 和 exit 做了區分，其功能基本等同於 kprobe/kretprobe。

在使用 tracepoint 之前，我們需要瞭解 tracepoint 相關參數的格式。syscalls:sys_enter_execve 格式定義在 /sys/kernel/debug/tracing/events/syscalls/sys_enter_execve/format 文件中。

# 查看 syscalls:sys_enter_execve 參數
cat /sys/kernel/debug/tracing/events/syscalls/sys_enter_execve/format

2.2 重構代碼

接下來，使用 tracepoint 方式重構第 1 節的代碼，如下：

// execsnoop.c
#include <linux/sched.h>
#include <linux/fs.h>

#define ARGSIZE         128
#define MAXARG          60

enum event_step {
	STEP_1,
	STEP_2,
};
struct data_t {
	u32 pid;
	char comm[TASK_COMM_LEN];
	enum event_step step;
	char argv[ARGSIZE];
};
BPF_PERF_OUTPUT(events);
static int __submit_arg(struct pt_regs *ctx, void *ptr, struct data_t *data) {
	bpf_probe_read_user(data->argv, sizeof(data->argv), ptr);
	events.perf_submit(ctx, data, sizeof(struct data_t));
	return 1;
}
static int submit_arg(struct pt_regs *ctx, void *ptr, struct data_t *data) {
	const char *argp = NULL;
	bpf_probe_read_user(&argp, sizeof(argp), ptr);
	if (argp) {
		return __submit_arg(ctx, (void *)(argp), data);
	}
	return 0;
}
// (A) sys_enter_execve tracepoint
TRACEPOINT_PROBE(syscalls, sys_enter_execve) {
	struct data_t data = {};
	const char **argv = (const char **) (args->argv);
	
	data.step = STEP_1;
	data.pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
	bpf_get_current_comm(&data.comm, sizeof(data.comm));

	#pragma unroll
	for (int i = 1; i < MAXARG; i++) {
		// (B) args 強制轉換為 ctx
		if (submit_arg((struct pt_regs *)args, (void *)&argv[i], &data) == 0)
			goto out;
	}
	char ellipsis[] = "...";
	__submit_arg((struct pt_regs *)args, (void *)ellipsis, &data);
out:
	return 0;
}
// sys_exit_execve tracepoint
TRACEPOINT_PROBE(syscalls, sys_exit_execve) {
	struct data_t data = {};
	data.step = STEP_2;
	data.pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
	bpf_get_current_comm(&data.comm, sizeof(data.comm));

	events.perf_submit(args, &data, sizeof(data));
	return 0;
}

# execsnoop.py
#!/usr/bin/python3
from bcc import BPF
from bcc.utils import printb
from collections import defaultdict

argv = defaultdict(list)
class EventStep(object):
	STEP_1 = 0
	STEP_2 = 1

# (C) 不再通過 kprobe 綁定 
b = BPF(src_file="execsnoop.c")
print("%-7s %-16s %s" % ("PID", "PCOMM", "ARGS"))

# process event
def print_event(cpu, data, size):
	event = b["events"].event(data)
	if event.step == EventStep.STEP_1:
		argv[event.pid].append(event.argv)
	elif event.step == EventStep.STEP_2:
		argv_text = b' '.join(argv[event.pid]).replace(b'\n', b'\\n')
		printb(b"%-7d %-16s %s" % (event.pid, event.comm, argv_text))
		try:
			del(argv[event.pid])
		except Exception:
			pass

# loop with callback to print_event
b["events"].open_perf_buffer(print_event)
while 1:
	try:
		b.perf_buffer_poll()
	except KeyboardInterrupt:
		exit()

註意：

A）一個 tracepoint 定義接收兩個參數，TRACEPOINT_PROBE(syscalls, sys_enter_execve) 第一個為子系統名稱，第二個為事件名稱。

B）tracepoint 中的所有參數都會包含在一個固定名稱的 args 的結構體中。args 類型為 struct tracepoint__syscalls__sys_enter_open，其第一個欄位為 u64 __do_not_use__;，該欄位為 ctx 的保留位置。因此，args 可以被強制轉換為 ctx。

ctx 是啥？

在《Linux 內核觀測技術 BPF》一書中，ctx被稱為“上下文”，提供了訪問內核正在處理的信息。我們可以通過 PT_REGS_RC(ctx) 來獲取當前函數的返回值。

C）用戶態代碼不再需要 attach_kprobe 手動綁定。

3 eBPF 程式事件類型

像是 kprobe、tracepoint 將 eBPF 程式掛載到內核事件的方式，可以暫且被稱為 eBPF 事件類型。事實上，除了以上列出的兩種，eBPF 事件類型還有很多，選取其中一些列舉如下：

  • kprobes/kretprobes：內核函數事件。不再贅述。
  • tracepoint：內核跟蹤點事件。不再贅述。
  • uprobes/uretprobes：用戶空間函數事件，可以綁定監聽一個用戶空間的函數。
  • USDT probes：用戶自定義的靜態追蹤點。用戶可以在用戶空間的程式中插入靜態追蹤點，用於掛載 eBPF。
  • LSM Probes：LSM Hook 掛載點。需要內核版本 5.7 以上。

由於篇幅限制，不再列舉其他 eBPF 事件類型了，後面如果有精力，再補一篇文章。

4 總結

本文在前一篇文章的基礎上，對進程執行監控工具（execsnoop）進行了升級，實時列印進程執行時傳入的參數列表；並通過 kprobe 和 tracepoint 兩種方式，綁定 eBPF 程式，給出了代碼實現。同時，對這兩種 eBPF 事件類型進行了簡單比較。顯然，在你手動開發一個 eBPF 程式時，建議使用 tracepoint，以追求更好的穩定性和可移植性。文章的最後，簡單列出了一些支持的 eBPF 事件類型。

以上拋磚引玉，如有不正確指出，請大家及時斧正。如果你喜歡這篇文章，請點個推薦吧！


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