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learn.lianglianglee.com/专栏/容器实战高手课/加餐05 eBPF：怎么更加深入地查看内核中的函数？.md.html
周伟 d9c5ffd627 u
2022-05-11 19:04:14 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>加餐05 eBPF：怎么更加深入地查看内核中的函数？</h1>
<p>你好，我是程远。</p>
<p>今天这一讲，我们聊一聊 eBPF。在我们专题加餐第一讲的分析案例时就说过，当我们碰到网络延时问题，在毫无头绪的情况下，就是依靠了我们自己写的一个 eBPF 工具，找到了问题的突破口。</p>
<p>由此可见，eBPF 在内核问题追踪上的重要性是不言而喻的。那什么是 eBPF，它的工作原理是怎么样，它的编程模型又是怎样的呢？</p>
<p>在这一讲里，我们就来一起看看这几个问题。</p>
<h2>eBPF 的概念</h2>
<p>eBPF，它的全称是“Extended Berkeley Packet Filter”。从名字看，你可能会觉奇怪，似乎它就是一个用来做网络数据包过滤的模块。</p>
<p>其实这么想也没有错，eBPF 的概念最早源自于 BSD 操作系统中的 BPF（Berkeley Packet Filter），1992 伯克利实验室的一篇论文 “The BSD Packet Filter: A New Architecture for User-level Packet Capture”。这篇论文描述了，BPF 是如何更加高效灵活地从操作系统内核中抓取网络数据包的。</p>
<p>我们很熟悉的 tcpdump 工具，它就是利用了 BPF 的技术来抓取 Unix 操作系统节点上的网络包。Linux 系统中也沿用了 BPF 的技术。</p>
<p>那 BPF 是怎样从内核中抓取数据包的呢？我借用 BPF 论文中的图例来解释一下：</p>
<p><img src="assets/ae55e7de056120c57af0703e0afd7b04.png" alt="img" /></p>
<p>结合这张图，我们一起看看 BPF 实现有哪些特点。</p>
<p>第一，内核中实现了一个虚拟机，用户态程序通过系统调用，把数据包过滤代码载入到个内核态虚拟机中运行，这样就实现了内核态对数据包的过滤。这一块对应图中灰色的大方块，也就是 BPF 的核心。</p>
<p>第二，BPF 模块和网络协议栈代码是相互独立的，BPF 只是通过简单的几个 hook 点，就能从协议栈中抓到数据包。内核网络协议代码变化不影响 BPF 的工作，图中右边的“protocol stack”方块就是指内核网络协议栈。</p>
<p>第三，内核中的 BPF filter 模块使用 buffer 与用户态程序进行通讯，把 filter 的结果返回给用户态程序（例如图中的 network monitor），这样就不会产生内核态与用户态的上下文切换（context switch）。</p>
<p>在 BPF 实现的基础上，Linux 在 2014 年内核 3.18 的版本上实现了 eBPF，全名是 Extended BPF，也就是 BPF 的扩展。这个扩展主要做了下面这些改进。</p>
<p>首先，对虚拟机做了增强，扩展了寄存器和指令集的定义，提高了虚拟机的性能，并且可以处理更加复杂的程序。</p>
<p>其次，增加了 eBPF maps，这是一种存储类型，可以保存状态信息，从一个 BPF 事件的处理函数传递给另一个，或者保存一些统计信息，从内核态传递给用户态程序。</p>
<p>最后，eBPF 可以处理更多的内核事件，不再只局限在网络事件上。你可以这样来理解，eBPF 的程序可以在更多内核代码 hook 点上注册了，比如 tracepoints、kprobes 等。</p>
<p>在 Brendan Gregg 写的书《BPF Performance Tools》里有一张 eBPF 的架构图，这张图对 eBPF 内核部分的模块和工作流的描述还是挺完整的，我也推荐你阅读这本书。图书的网上预览部分也可以看到这张图，我把它放在这里，你可以先看一下。</p>
<p>这里我想提醒你，我们在后面介绍例子程序的时候，你可以回头再来看看这张图，那时你会更深刻地理解这张图里的模块。</p>
<p><img src="assets/1f1af6f7ab8d4a3a2f58cbcd9e9c2e8d.png" alt="img" /></p>
<p>当 BPF 增强为 eBPF 之后， 它的应用范围自然也变广了。从单纯的网络包抓取，扩展到了下面的几个领域：</p>
<p>网络领域，内核态网络包的快速处理和转发，你可以看一下XDP（eXpress Data Path）。</p>
<p>安全领域，通过LSM（Linux Security Module）的 hook 点，eBPF 可以对 Linux 内核做安全监控和访问控制，你可以参考KRSI（Kernel Runtime Security Instrumentation）的文档。</p>
<p>内核追踪 / 调试，eBPF 能通过 tracepoints、kprobes、 perf-events 等 hook 点来追踪和调试内核，这也是我们在调试生产环境中，解决容器相关问题时使用的方法。</p>
<h2>eBPF 的编程模型</h2>
<p>前面说了很多 eBPF 概念方面的内容，如果你是刚接触 eBPF，也许还不能完全理解。所以接下来，我们看一下 eBPF 编程模型，然后通过一个编程例子，再帮助你理解 eBPF。</p>
<p>eBPF 程序其实也是遵循了一个固定的模式，Daniel Thompson 的“Kernel analysis using eBPF”里的一张图解读得非常好，它很清楚地说明了 eBPF 的程序怎么编译、加载和运行的。</p>
<p><img src="assets/c4ace7ab4a77d6a9522801c96fd6d2a2.png" alt="img" /></p>
<p>结合这张图，我们一起分析一下 eBPF 的运行原理。</p>
<p>一个 eBPF 的程序分为两部分，第一部分是内核态的代码，也就是图中的 foo_kern.c，这部分的代码之后会在内核 eBPF 的虚拟机中执行。第二部分是用户态的代码，对应图中的 foo_user.c。它的主要功能是负责加载内核态的代码，以及在内核态代码运行后通过 eBPF maps 从内核中读取数据。</p>
<p>然后我们看看 eBPF 内核态程序的编译，因为内核部分的代码需要被编译成 eBPF bytecode 二进制文件，也就是 eBPF 的虚拟机指令，而在 Linux 里，最常用的 GCC 编译器不支持生成 eBPF bytecode，所以这里必须要用 Clang/LLVM 来编译，编译后的文件就是 foo_kern.o。</p>
<p>foo_user.c 编译链接后就会生成一个普通的用户态程序，它会通过 bpf() 系统调用做两件事：第一是去加载 eBPF bytecode 文件 foo_kern.o，使 foo_kern.o 这个 eBPF bytecode 在内核 eBPF 的虚拟机中运行；第二是创建 eBPF maps，用于内核态与用户态的通讯。</p>
<p>接下来，在内核态，eBPF bytecode 会被加载到 eBPF 内核虚拟机中，这里你可以参考一下前面的 eBPF 架构图。</p>
<p>执行 BPF 程序之前，BPF Verifier 先要对 eBPF bytecode 进行很严格的指令检查。检查通过之后，再通过 JIT（Just In Time）编译成宿主机上的本地指令。</p>
<p>编译成本地指令之后，eBPF 程序就可以在内核中运行了，比如挂载到 tracepoints hook 点，或者用 kprobes 来对内核函数做分析，然后把得到的数据存储到 eBPF maps 中，这样 foo_user 这个用户态程序就可以读到数据了。</p>
<p>我们学习 eBPF 的编程的时候，可以从编译和执行 Linux 内核中 samples/bpf 目录下的例子开始。在这个目录下的例子里，包含了 eBPF 各种使用场景。每个例子都有两个.c 文件，命名规则都是 xxx_kern.c 和 xxx_user.c ，编译和运行的方式就和我们刚才讲的一样。</p>
<p>本来我想拿 samples/bpf 目录下的一个例子来具体说明的，不过后来我在 github 上看到了一个更好的例子，它就是ebpf-kill-example。下面，我就用这个例子来给你讲一讲，如何编写 eBPF 程序，以及 eBPF 代码需要怎么编译与运行。</p>
<p>我们先用 git clone 取一下代码：</p>
<pre><code># git clone https://github.com/niclashedam/ebpf-kill-example
# cd ebpf-kill-example/
# ls
docs img LICENSE Makefile README.md src test
</code></pre>
<p>这里你可以先看一下 Makefile，请注意编译 eBPF 程序需要 Clang/LLVM，以及由 Linux 内核源代码里的 tools/lib/bpf 中生成的 libbpf.so 库和相关的头文件。如果你的 OS 是 Ubuntu，可以运行make deps;make kernel-src这个命令，准备好编译的环境。</p>
<pre><code># cat Makefile
…
deps:
sudo apt update
sudo apt install -y build-essential git make gcc clang libelf-dev gcc-multilib
kernel-src:
git clone --depth 1 --single-branch --branch ${LINUX_VERSION} https://github.com/torvalds/linux.git kernel-src
cd kernel-src/tools/lib/bpf &amp;&amp; make &amp;&amp; make install prefix=../../../../
…
</code></pre>
<p>完成上面的步骤后，在 src/ 目录下，我们可以看到两个文件，分别是 bpf_program.c 和 loader.c。</p>
<p>在这个例子里，bpf_program.c 对应前面说的 foo_kern.c 文件，也就是说 eBPF 内核态的代码在 bpf_program.c 里面。而 loader.c 就是 eBPF 用户态的代码，它主要负责把 eBPF bytecode 加载到内核中，并且通过 eBPF Maps 读取内核中返回的数据。</p>
<pre><code># ls src/
bpf_program.c loader.c
</code></pre>
<p>我们先看一下 bpf_program.c 中的内容：</p>
<pre><code># cat src/bpf_program.c
#include &lt;linux/bpf.h&gt;
#include &lt;stdlib.h&gt;
#include &quot;bpf_helpers.h&quot;
//这里定义了一个eBPF Maps
//Data in this map is accessible in user-space
struct bpf_map_def SEC(&quot;maps&quot;) kill_map = {
.type = BPF_MAP_TYPE_HASH,
.key_size = sizeof(long),
.value_size = sizeof(char),
.max_entries = 64,
};
// This is the tracepoint arguments of the kill functions
// /sys/kernel/debug/tracing/events/syscalls/sys_enter_kill/format
struct syscalls_enter_kill_args {
long long pad;
long syscall_nr;
long pid;
long sig;
};
// 这里定义了BPF_PROG_TYPE_TRACEPOINT类型的BPF Program
SEC(&quot;tracepoint/syscalls/sys_enter_kill&quot;)
int bpf_prog(struct syscalls_enter_kill_args *ctx) {
// Ignore normal program terminations
if(ctx-&gt;sig != 9) return 0;
// We can call glibc functions in eBPF
long key = labs(ctx-&gt;pid);
int val = 1;
// Mark the PID as killed in the map
bpf_map_update_elem(&amp;kill_map, &amp;key, &amp;val, BPF_NOEXIST);
return 0;
}
// All eBPF programs must be GPL licensed
char _license[] SEC(&quot;license&quot;) = &quot;GPL&quot;;
</code></pre>
<p>在这一小段代码中包含了 eBPF 代码最重要的三个要素，分别是：</p>
<p>BPF Program Types</p>
<p>BPF Maps</p>
<p>BPF Helpers</p>
<p>“BPF Program Types”定义了函数在 eBPF 内核态的类型，这个类型决定了这个函数会在内核中的哪个 hook 点执行，同时也决定了函数的输入参数的类型。在内核代码bpf_prog_type的枚举定义里，你可以看到 eBPF 支持的所有“BPF Program Types”。</p>
<p>比如在这个例子里的函数 bpf_prog()，通过 SEC() 这个宏，我们可以知道它的类型是 BPF_PROG_TYPE_TRACEPOINT，并且它注册在 syscalls subsystem 下的 sys_enter_kill 这个 tracepoint 上。</p>
<p>既然我们知道了具体的 tracepoint，那么这个 tracepoint 的注册函数的输入参数也就固定了。在这里，我们就把参数组织到 syscalls_enter_kill_args{}这个结构里，里面最主要的信息就是 kill() 系统调用中，输入信号的编号 sig 和信号发送目标进程的 pid。</p>
<p>“BPF Maps”定义了 key/value 对的一个存储结构，它用于 eBPF 内核态程序之间，或者内核态程序与用户态程序之间的数据通讯。eBPF 中定义了不同类型的 Maps，在内核代码bpf_map_type的枚举定义中，你可以看到完整的定义。</p>
<p>在这个例子里，定义的 kill_map 是 BPF_MAP_TYPE_HASH 类型，这里也用到了 SEC() 这个宏，等会儿我们再解释，先看其他的。</p>
<p>kill_map 是 HASH Maps 里的一个 key，它是一个 long 数据类型，value 是一个 char 字节。bpf_prog() 函数在系统调用 kill() 的 tracepoint 上运行，可以得到目标进程的 pid 参数，Maps 里的 key 值就是这个 pid 参数来赋值的，而 val 只是简单赋值为 1。</p>
<p>然后，这段程序调用了一个函数 bpf_map_update_elem()，把这组新的 key/value 对写入了到 kill_map 中。这个函数 bpf_map_update_elem() 就是我们要说的第三个要素 BPF Helpers。</p>
<p>我们再看一下“BPF Helpers”，它定义了一组可以在 eBPF 内核态程序中调用的函数。</p>
<p>尽管 eBPF 程序在内核态运行，但是跟 kernel module 不一样，eBPF 程序不能调用普通内核 export 出来的函数，而是只能调用在内核中为 eBPF 事先定义好的一些接口函数。这些接口函数叫作 BPF Helpers，具体有哪些你可以在”Linux manual page”中查看。</p>
<p>看明白这段代码之后，我们就可以运行 make build 命令，把 C 代码编译成 eBPF bytecode 了。这里生成了 src/bpf_program.o 这个文件：</p>
<pre><code># make build
clang -O2 -target bpf -c src/bpf_program.c -Ikernel-src/tools/testing/selftests/bpf -Ikernel-src/tools/lib/bpf -o src/bpf_program.o
# ls -l src/bpf_program.o
-rw-r----- 1 root root 1128 Jan 24 00:50 src/bpf_program.o
</code></pre>
<p>接下来，你可以用 LLVM 工具来看一下 eBPF bytecode 里的内容，这样做可以确认下面两点。</p>
<p>编译生成了 BPF 虚拟机的汇编指令，而不是 x86 的指令。</p>
<p>在代码中用 SEC 宏添加的“BPF Program Types”和“BPF Maps”信息也在后面的 section 里。</p>
<p>查看 eBPF bytecode 信息的操作如下：</p>
<pre><code>### 用objdump来查看bpf_program.o里的汇编指令
# llvm-objdump -D src/bpf_program.o
…
Disassembly of section tracepoint/syscalls/sys_enter_kill:
0000000000000000 &lt;bpf_prog&gt;:
0: 79 12 18 00 00 00 00 00 r2 = *(u64 *)(r1 + 24)
1: 55 02 10 00 09 00 00 00 if r2 != 9 goto +16 &lt;LBB0_2&gt;
2: 79 11 10 00 00 00 00 00 r1 = *(u64 *)(r1 + 16)
3: bf 12 00 00 00 00 00 00 r2 = r1
4: c7 02 00 00 3f 00 00 00 r2 s&gt;&gt;= 63
5: 0f 21 00 00 00 00 00 00 r1 += r2
6: af 21 00 00 00 00 00 00 r1 ^= r2
7: 7b 1a f8 ff 00 00 00 00 *(u64 *)(r10 - 8) = r1
8: b7 01 00 00 01 00 00 00 r1 = 1
9: 63 1a f4 ff 00 00 00 00 *(u32 *)(r10 - 12) = r1
10: bf a2 00 00 00 00 00 00 r2 = r10
11: 07 02 00 00 f8 ff ff ff r2 += -8
12: bf a3 00 00 00 00 00 00 r3 = r10
13: 07 03 00 00 f4 ff ff ff r3 += -12
14: 18 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 r1 = 0 ll
16: b7 04 00 00 01 00 00 00 r4 = 1
17: 85 00 00 00 02 00 00 00 call 2
…
### 用readelf读到bpf_program.o中的ELF section信息。
# llvm-readelf -sections src/bpf_program.o
There are 9 section headers, starting at offset 0x228:
Section Headers:
[Nr] Name Type Address Off Size ES Flg Lk Inf Al
…
[ 3] tracepoint/syscalls/sys_enter_kill PROGBITS 0000000000000000 000040 0000a0 00 AX 0 0 8
[ 4] .reltracepoint/syscalls/sys_enter_kill REL 0000000000000000 000190 000010 10 8 3 8
[ 5] maps PROGBITS 0000000000000000 0000e0 00001c 00 WA 0 0 4
</code></pre>
<p>好了，看完了 eBPF 程序的内核态部分，我们再来看看它的用户态部分 loader.c：</p>
<pre><code># cat src/loader.c
#include &quot;bpf_load.h&quot;
#include &lt;unistd.h&gt;
#include &lt;stdio.h&gt;
int main(int argc, char **argv) {
// Load our newly compiled eBPF program
if (load_bpf_file(&quot;src/bpf_program.o&quot;) != 0) {
printf(&quot;The kernel didn't load the BPF program\n&quot;);
return -1;
}
printf(&quot;eBPF will listen to force kills for the next 30 seconds!\n&quot;);
sleep(30);
// map_fd is a global variable containing all eBPF map file descriptors
int fd = map_fd[0], val;
long key = -1, prev_key;
// Iterate over all keys in the map
while(bpf_map_get_next_key(fd, &amp;prev_key, &amp;key) == 0) {
printf(&quot;%ld was forcefully killed!\n&quot;, key);
prev_key = key;
}
return 0;
}
</code></pre>
<p>这部分的代码其实也很简单，主要就是做了两件事：</p>
<p>通过执行 load_bpf_file() 函数，加载内核态代码生成的 eBPF bytecode，也就是编译后得到的文件“src/bpf_program.o”。</p>
<p>等待 30 秒钟后，从 BPF Maps 读取 key/value 对里的值。这里的值就是前面内核态的函数 bpf_prog()，在 kill() 系统调用的 tracepoint 上执行这个函数以后，写入到 BPF Maps 里的值。</p>
<p>至于读取 BPF Maps 的部分，就不需要太多的解释了，这里我们主要看一下 load_bpf_file() 这个函数，load_bpf_file() 是 Linux 内核代码 samples/bpf/bpf_load.c 里封装的一个函数。</p>
<p>这个函数可以读取 eBPF bytecode 中的信息，然后决定如何在内核中加载 BPF Program，以及创建 BPF Maps。这里用到的都是bpf()这个系统调用，具体的代码你可以去看一下内核中bpf_load.c和bpf.c这两个文件。</p>
<p>理解了用户态的 load.c 这段代码后，我们最后编译一下，就生成了用户态的程序 ebpf-kill-example：</p>
<pre><code># make
clang -O2 -target bpf -c src/bpf_program.c -Ikernel-src/tools/testing/selftests/bpf -Ikernel-src/tools/lib/bpf -o src/bpf_program.o
clang -O2 -o src/ebpf-kill-example -lelf -Ikernel-src/samples/bpf -Ikernel-src/tools/lib -Ikernel-src/tools/perf -Ikernel-src/tools/include -Llib64 -lbpf \
kernel-src/samples/bpf/bpf_load.c -DHAVE_ATTR_TEST=0 src/loader.c
# ls -l src/ebpf-kill-example
-rwxr-x--- 1 root root 23400 Jan 24 01:28 src/ebpf-kill-example
</code></pre>
<p>你可以运行一下这个程序，如果在 30 秒以内有别的程序执行了 kill -9 <pid>，那么在内核中的 eBPF 代码就可以截获这个操作，然后通过 eBPF Maps 把信息传递给用户态进程，并且把这个信息打印出来了。</p>
<pre><code># LD_LIBRARY_PATH=lib64/:$LD_LIBRARY_PATH ./src/ebpf-kill-example &amp;
[1] 1963961
# eBPF will listen to force kills for the next 30 seconds!
# kill -9 1
# 1 was forcefully killed!
</code></pre>
<h2>重点小结</h2>
<p>今天我们一起学习了 eBPF，接下来我给你总结一下重点。</p>
<p>eBPF 对早年的 BPF 技术做了增强之后，为 Linux 网络， Linux 安全以及 Linux 内核的调试和跟踪这三个领域提供了强大的扩展接口。</p>
<p>虽然整个 eBPF 技术是很复杂的，不过对于用户编写 eBPF 的程序，还是有一个固定的模式。</p>
<p>eBPF 的程序都分为两部分，一是内核态的代码最后会被编译成 eBPF bytecode，二是用户态代码，它主要是负责加载 eBPF bytecode，并且通过 eBPF Maps 与内核态代码通讯。</p>
<p>这里我们重点要掌握 eBPF 程序里的三个要素，eBPF Program Types，eBPF Maps 和 eBPF Helpers。</p>
<p>eBPF Program Types 可以定义函数在 eBPF 内核态的类型。eBPF Maps 定义了 key/value 对的存储结构，搭建了 eBPF Program 之间以及用户态和内核态之间的数据交换的桥梁。eBPF Helpers 是内核事先定义好了接口函数，方便 eBPF 程序调用这些函数。</p>
<p>理解了这些概念后，你可以开始动手编写 eBPF 的程序了。不过，eBPF 程序的调试并不方便，基本只能依靠 bpf_trace_printk()，同时也需要我们熟悉 eBPF 虚拟机的汇编指令。这些就需要你在实际的操作中，不断去积累经验了。</p>
<h2>思考题</h2>
<p>请你在ebpf-kill-example 这个例子的基础上，做一下修改，让用户态程序也能把调用 kill() 函数的进程所对应的进程号打印出来。</p>
<p>欢迎你在留言区记录你的思考或疑问。如果这一讲让你有所收获，也欢迎转发给你的朋友，同事，跟他一起学习进步。</p>
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