C/C++教程
【eBPF-02】入门：基于 BCC 框架的程序进阶
本文是 eBPF 系列的第二篇文章，我们来学习 eBPF BCC 框架的进阶用法，对上一篇文章中的代码进行升级，动态输出进程运行时的参数情况。
主要内容包括：
- 通过
kprobe挂载内核事件的 eBPF 程序要如何编写？- 通过
tracepoint挂载内核事件的 eBPF 程序要如何编写？- eBPF 的程序事件类型有哪些？
在开始之前，我们来回顾一下前一篇文章的内容。
前一篇文章介绍了如何通过 BCC 框架来编写一个简单的 eBPF 程序。在内核空间，使用 c 程序实现 eBPF 的核心逻辑；在用户空间，使用 python 脚本作为 eBPF 程序的控制、加载和展示。其中，内核态通过若干 eBPF helper 函数，获取内核观测数据，并通过 PERF 区域，将这些数据传递到用户空间；用户态使用attach_kprobe() 将内核 eBPF 函数绑定到某个内核事件上。
整个流程如下图所示：
在上面的实现过程中，用户态通过 kprobe 的方式，为某个内核事件挂载自定义处理逻辑（图中是指定了内核中 do_execve 函数）。通过这种方式，我们能够监测绝大部分的内核函数，这正是 eBPF 技术牛逼的原因。
对于这种 kprobe 类型的 eBPF 程序，我们再来看一个例子（改编自 Brendan Gregg 大神的 execsnoop 工具：https://github.com/iovisor/bcc/blob/master/tools/execsnoop.py ）
1 进程执行参数的监控
接下来，我们要对上图中的工具再次进行功能升级，我希望这个工具在运行时，能够输出当前执行进程的参数信息。
如果将 eBPF 程序等同于 C 程序来看，这个问题似乎没那么困难。何以见得？
1.1 分析
sys_execve 系统调用的函数签名为：int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]), 其中，argv[]便记录了进程执行的参数。我们大可以像提取 filename 的方式那样，提取 argv[]，并将其传入到用户空间中。
但实际上，eBPF 程序与 C 程序并不等同。eBPF 编程中有 “两座大山” 般的限制，分别是：
限制一：eBPF 程序运行栈仅有 512 字节。
限制二：eBPF 程序可以调用的接口极其有限。
因此，如果我们想尝试在 512 字节的 eBPF 运行栈中完整拼接整理不定长的 argv[] 参数列表，是根本不可能的。
基于以上分析，本文给出一个比较合理的解决方案：
Q：如何防止运行栈爆栈？
1）既然运行栈有大小限制，不如直接将拼接操作转移到用户态完成。eBPF 程序只需要将 argv[] 数组中每个 argv 传输到用户态程序中。
2）对于长度过长的 argv，没办法了，只能手动截断了。
Q：用户态何时进行参数拼接？何时进行参数展示？
1）既然需要用户态完成拼接，那么，可以分为两个阶段。STEP-1，仅专注字符串的拼接；STEP-2，仅专注字符串展示。
2）对于 execve 系统调用，我们可以在 enter 时执行 STEP-1 操作，在 exit 是执行 STEP-2 操作。
接下来更新代码。
1.2 定义
首先，对于用于交互的结构体，增加两个个字段，其一用于记录 execve 调用的每个参数，其二用于记录 eBPF 执行的阶段；同时，去掉冗余字段 fname
#define ARGSIZE 128
#define MAXARG 60
enum event_step {
STEP_1, // STEP 1: 执行 argv 拼接
STEP_2, // STEP 2: 执行 argv 展示
};
struct data_t {
u32 pid;
enum event_step step; // 记录 eBPF 执行阶段
char comm[TASK_COMM_LEN];
char argv[ARGSIZE]; // 记录每一个参数
};
定义 BPF_PERF_OUTPUT：
BPF_PERF_OUTPUT(events);
1.3 处理
实现 execve 系统调用 enter 和 exit 回调函数：
// 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 = {};
// 设置 step = STEP 1
data.step = STEP_1;
// 设置 pid
data.pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
// 设置 comm
bpf_get_current_comm(&data.comm, sizeof(data.comm));
// 设置每一个 argv，并导出
...
return 0;
}
// exit execve
int do_ret_sys_execve(struct pt_regs *ctx) {
struct data_t data = {};
// 设置 step = STEP 1
data.step = STEP_2;
// 设置 pid
data.pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
// 设置 comm
bpf_get_current_comm(&data.comm, sizeof(data.comm));
// 提交 perf
events.perf_submit(ctx, &data, sizeof(data));
return 0;
}
注意，这里 bpf_get_current_pid_tgid() 辅助函数返回值高 32 为内核视角下的 process ID（用户视角下为 TID），低 32 位为内核视角下的 thread group ID（用户视角下的 PID）。这里右移 32 位，是获取用户视角的 PID。
1.4 绑定
用户态绑定 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 难点
内核态如何设置并导出每一个 argv[]？
// 字符串提交
static int __submit_arg(struct pt_regs *ctx, void *ptr, struct data_t *data) {
// 提交 perf 之前，需要拷贝到用户态变量中
bpf_probe_read_user(data->argv, sizeof(data->argv), ptr);
// 将这个 argv 提交
events.perf_submit(ctx, data, sizeof(struct data_t));
return 1;
}
// 字符串控制
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);
// 是否到达末尾字符串
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) {
// 设置过程
...
// (A) 设置每一个 argv，并导出
#pragma unroll
for (int i = 1; i < MAXARG; i++) {
if (submit_arg(ctx, (void *)&__argv[i], &data) == 0)
goto out;
}
// (B) 如果当前的 argv[] 太长了，进行截断操作
char ellipsis[] = "...";
__submit_arg(ctx, (void *)ellipsis, &data);
out:
return 0;
}
关注核心的两个步骤：
(A) MAXARG 代表一个 argv[] 的最大监测数量。首先要遍历这个 argv[] 的每一个字符串，如果这个字符不为 NULL（说明没有到当前 argv[] 结尾）或不超过最大值 MAXARG，那么将每个字符串提交到 PERF 区域。
注意：
低版本（5.3 以前）的 eBPF 程序不支持循环。5.3 版本后也仅支持有界循环。在低版本的 eBPF 中使用循环有一个小技巧，那就是通过#pragma unroll进行编译器循环展开预处理。
(B) 如果超过了这个最大数量 MAXARG，后面及时再有参数，也进行截断处理。
1.6 拼接
用户态获取和拼接参数列表是基于 eBPF 阶段的。
from collections import defaultdict argv = defaultdict(list) class EventStep(object): STEP_1 = 0 STEP_2 = 1 # PERF 事件回调处理 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：显示 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 # 绑定 PERF 事件回调处理 b["events"].open_perf_buffer(print_event) while 1: try: b.perf_buffer_poll() except KeyboardInterrupt: exit()
用户态程序需要注意：event 事件通过 PERF 获取的结构数据为 Byte 类型，需要通过 decode('utf-8')/encode() 与 str 类型进行转换。
1.7 完整代码和运行效果
// 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()
运行效果：
2 Tracepoint 追踪点
前文提到过，kprobe 方式，几乎可以使 eBPF 挂载到内核中任意一个函数事件上，随着内核函数的执行而触发。但是，由于不同的内核版本，其某个具体函数的定义、参数和实现可能会有所不同（kprobe 实现的事件处理函数要求和挂载点函数拥有相同的参数）。因此，使用 kprobe 方式实现的 eBPF 程序可能无法在其他内核的主机上运行。此外，kprobe 无法挂载到静态函数或内联函数上。而出于性能考虑，大部分网络相关的内层函数都是内联或者静态的，因此，kprobe 方式在这些领域也只能望洋兴叹了。
上述两点，均为 kprobe 方式的局限性，它并不具备很好的可移植性。于是，从 Linux 内核 4.7 开始，能让 eBPF 使用的 tracepoint 出现了（官方文档）。tracepoint 是由内核开发人员在代码中设置的静态 hook 点，具有稳定的 API 接口，不会随着内核版本的变化而变化。但由于 tracepoint 是需要内核研发人员参数编写，其数量有限，并不是所有的内核函数中都具有类似的跟踪点，所以从灵活性上不如 kprobes 这种方式。
2.1 kprobe 和 tracepoint 对比
在 3.10 内核中，kprobe 与 tracepoint 方式对比如下：
| 内容 | kprobe | tracepoint |
|---|---|---|
| 追踪类型 | 动态 | 静态 |
| Hook 点数量 | 100000+ | 1200+ |
| 稳定的 API | 否 | 是 |
可以使用以下命令查看系统支持的 tracepoint，支持 grep 检索。
perf list perf list | grep execve
上面的执行结果可以看到，execve系统调用具有两个 syscalls 类型的静态跟踪点，并且，tracepoint 已经对 enter 和 exit 做了区分，其功能基本等同于 kprobe/kretprobe。
在使用 tracepoint 之前，我们需要了解 tracepoint 相关参数的格式。syscalls:sys_enter_execve 格式定义在 /sys/kernel/debug/tracing/events/syscalls/sys_enter_execve/format 文件中。
# 查看 syscalls:sys_enter_execve 参数 cat /sys/kernel/debug/tracing/events/syscalls/sys_enter_execve/format
2.2 重构代码
接下来，使用 tracepoint 方式重构第 1 节的代码，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 强制转换为 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) 不再通过 kprobe 绑定
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()
注意：
A）一个 tracepoint 定义接收两个参数，TRACEPOINT_PROBE(syscalls, sys_enter_execve) 第一个为子系统名称，第二个为事件名称。
B）tracepoint 中的所有参数都会包含在一个固定名称的 args 的结构体中。args 类型为 struct tracepoint__syscalls__sys_enter_open，其第一个字段为 u64 __do_not_use__;，该字段为 ctx 的保留位置。因此，args 可以被强制转换为 ctx。
ctx是啥？在《Linux 内核观测技术 BPF》一书中，
ctx被称为“上下文”，提供了访问内核正在处理的信息。我们可以通过PT_REGS_RC(ctx)来获取当前函数的返回值。
C）用户态代码不再需要 attach_kprobe 手动绑定。
3 eBPF 程序事件类型
像是 kprobe、tracepoint 将 eBPF 程序挂载到内核事件的方式，可以暂且被称为 eBPF 事件类型。事实上，除了以上列出的两种，eBPF 事件类型还有很多，选取其中一些列举如下：
-
kprobes/kretprobes：内核函数事件。不再赘述。 -
tracepoint：内核跟踪点事件。不再赘述。 -
uprobes/uretprobes：用户空间函数事件，可以绑定监听一个用户空间的函数。 -
USDT probes：用户自定义的静态追踪点。用户可以在用户空间的程序中插入静态追踪点，用于挂载 eBPF。 -
LSM Probes：LSM Hook 挂载点。需要内核版本 5.7 以上。
由于篇幅限制，不再列举其他 eBPF 事件类型了，后面如果有精力，再补一篇文章。
4 总结
本文在前一篇文章的基础上，对进程执行监控工具（execsnoop）进行了升级，实时打印进程执行时传入的参数列表；并通过 kprobe 和 tracepoint 两种方式，绑定 eBPF 程序，给出了代码实现。同时，对这两种 eBPF 事件类型进行了简单比较。显然，在你手动开发一个 eBPF 程序时，建议使用 tracepoint，以追求更好的稳定性和可移植性。文章的最后，简单列出了一些支持的 eBPF 事件类型。
以上抛砖引玉，如有不正确指出，请大家及时斧正。如果你喜欢这篇文章，请点个推荐吧！
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