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使用Go语言实现eBPF程序内核态与用户态的双向数据交换

本文永久链接 – https://tonybai.com/2022/07/25/bidirectional-data-exchange-between-kernel-and-user-states-of-ebpf-programs-using-go

在之前的两篇文章中,无论是使用C语言开发eBPF程序,还是使用Go开发的eBPF程序,都是hello world级别的,可能有用,但谈不上十分实用。

通常来说,一个实用的eBPF程序,它的内核态部分与用户态部分是有数据交换的,有了这种数据交换,eBPF才能发挥更大的威力。而要想让eBPF程序具备较强的实用性,eBPF MAP是绕不过去的机制

在这一篇有关eBPF程序开发的文章中,我们就来看看如何使用Go基于BPF MAP实现eBPF程序内核态与用户态的双向数据交换

一. why BPF MAP?

永远不要忘记BPF字节码是运行于OS内核态的代码,这就意味着它与用户态是有“泾渭分明”的界限的。我们知道用户态要想访问内核态的数据,通常仅能通过系统调用陷入内核态来实现。因此,在BPF内核态程序中创建的各种变量实例仅能由内核态的代码访问。

那我们如何将BPF代码在内核态获取到的有用的数据返回到用户态用于监控、计算、决策、展示、存储呢?用户态代码又是如何在运行时向内核态传递数据以改变BPF代码的运行策略呢?

Linux内核BPF开发者于是就引入了BPF MAP机制BPF MAP为BPF程序的内核态与用户态提供了一个双向数据交换的通道。同时由于bpf map存储在内核分配的内存空间,处于内核态,可以被运行于在内核态的多个BPF程序所共享,同样可以作为多个BPF程序交换和共享数据的机制。

二. BPF MAP不是狭义的map数据结构

BPF MAP究竟是什么呢?它不是我们狭义理解的哈希映射表的数据结构,而是一种通用数据结构,可以存储不同类型数据的通用数据结构。用著名内核BPF开发者Andrii Nakryiko的话来说,MAP就是BPF中代表抽象数据容器(abstract data container)的一个概念

截至目前,内核BPF支持的MAP类型已经有20+种,下面是libbpf中bpf.h中列出的当前支持的MAP类型:

// libbpf/include/uapi/linux/bpf.h
enum bpf_map_type {
    BPF_MAP_TYPE_UNSPEC,
    BPF_MAP_TYPE_HASH,
    BPF_MAP_TYPE_ARRAY,
    BPF_MAP_TYPE_PROG_ARRAY,
    BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY,
    BPF_MAP_TYPE_PERCPU_HASH,
    BPF_MAP_TYPE_PERCPU_ARRAY,
    BPF_MAP_TYPE_STACK_TRACE,
    BPF_MAP_TYPE_CGROUP_ARRAY,
    BPF_MAP_TYPE_LRU_HASH,
    BPF_MAP_TYPE_LRU_PERCPU_HASH,
    BPF_MAP_TYPE_LPM_TRIE,
    BPF_MAP_TYPE_ARRAY_OF_MAPS,
    BPF_MAP_TYPE_HASH_OF_MAPS,
    BPF_MAP_TYPE_DEVMAP,
    BPF_MAP_TYPE_SOCKMAP,
    BPF_MAP_TYPE_CPUMAP,
    BPF_MAP_TYPE_XSKMAP,
    BPF_MAP_TYPE_SOCKHASH,
    BPF_MAP_TYPE_CGROUP_STORAGE,
    BPF_MAP_TYPE_REUSEPORT_SOCKARRAY,
    BPF_MAP_TYPE_PERCPU_CGROUP_STORAGE,
    BPF_MAP_TYPE_QUEUE,
    BPF_MAP_TYPE_STACK,
    BPF_MAP_TYPE_SK_STORAGE,
    BPF_MAP_TYPE_DEVMAP_HASH,
    BPF_MAP_TYPE_STRUCT_OPS,
    BPF_MAP_TYPE_RINGBUF,
    BPF_MAP_TYPE_INODE_STORAGE,
    BPF_MAP_TYPE_TASK_STORAGE,
    BPF_MAP_TYPE_BLOOM_FILTER,
};

这里数据结构类型众多,但不是本文的重点,我们不一一介绍了。其中的BPF_MAP_TYPE_HASH类型是BPF支持的第一种MAP数据结构,这个类型可以理解为我们日常接触的hash映射表,通过键值对的形式索引数据。在后续的例子中我们将使用这种类型的MAP。

那么BPF MAP是如何可以在内核态与用户态共享数据的?原理是什么呢?

bpf这个系统调用的说明中,我们能找到端倪。下面是bpf系统调用的函数原型:

// https://man7.org/linux/man-pages/man2/bpf.2.html

#include <linux/bpf.h>

int bpf(int cmd, union bpf_attr *attr, unsigned int size);

从bpf的原型来看,似乎比较简单。但bpf其实是一个“富调用”,即不止能干一件事,通过cmd传入的值不同,它可以围绕BPF完成很多事情。最主要的功能是加载bpf程序(cmd=BPF_PROG_LOAD),其次是围绕MAP的一系列操作,包括创建MAP(cmd=BPF_MAP_CREATE)、MAP元素查询(cmd=BPF_MAP_LOOKUP_ELEM)、MAP元素值更新(cmd=BPF_MAP_UPDATE_ELEM)等。

当cmd=BPF_MAP_CREATE时,即bpf执行创建MAP的操作后,bpf调用会返回一个文件描述符fd,通过该fd后续可以操作新创建的MAP。通过fd访问map,这个很unix

当然这么底层的系统调用,一般BPF用户态开发人员无需接触到,像libbpf就包装了一系列的map操作函数,这些函数不会暴露map fd给用户,简化了使用方法,提升了使用体验。

下面我们先来看一下如何用C语言实现基于map的BPF用户态与内核态的数据交换。

三. 使用C基于libbpf使用map的示例

这个示例改造自helloworld示例。原helloworld示例在execve这个系统调用被调用时输出一条内核日志(在/sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe中可以查看到),用户态程序并没有与内核态程序做任何数据交换。

在这个新示例(execve_counter)中,我们依然跟踪系统调用execve,不同的是我们对execve进行调用计数,并将技术存储在BPF MAP中。而用户态部分程序则读取该MAP中的计数并定时输出计数值。

我们先来看看BPF内核态部分的源码:

// https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/ebpf-examples/execve-counter/execve_counter.bpf.c

#include <linux/bpf.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>

typedef __u64 u64;
typedef char stringkey[64];

struct {
    __uint(type, BPF_MAP_TYPE_HASH);
    __uint(max_entries, 128);
    //__type(key, stringkey);
    stringkey* key;
    __type(value, u64);
} execve_counter SEC(".maps");

SEC("tracepoint/syscalls/sys_enter_execve")
int bpf_prog(void *ctx) {
  stringkey key = "execve_counter";
  u64 *v = NULL;
  v = bpf_map_lookup_elem(&execve_counter, &key);
  if (v != NULL) {
    *v += 1;
  }
  return 0;
}

char LICENSE[] SEC("license") = "Dual BSD/GPL";

和helloworld示例不同,我们在新示例中定义了一个map结构execve_counter,通过SEC宏将其标记为BPF MAP变量。

这个map结构有四个字段:

  • type: 使用的BPF MAP类型(参见前面的bpf_map_type枚举类型),这里我们使用BPF_MAP_TYPE_HASH,即一个hash散列表结构;
  • max_entries:map内的key-value对的最大数量;
  • key: 指向key内存空间的指针。这里我们自定义了一个类型stringkey(char[64])来表示每个key元素的类型;
  • value: 指向value内存空间的指针,这里value元素的类型为u64,一个64位整型。

内核态函数bpf_prog的实现也比较简单:在上面的map中查询”execve_counter”这个key,如果查到了,则将得到的value指针指向的内存中的值加1。

我们再来看看execve_counter这个示例的用户态部分的程序源码:

// https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/ebpf-examples/execve_counter/execve_counter.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/resource.h>
#include <bpf/libbpf.h>
#include <linux/bpf.h>
#include "execve_counter.skel.h"

typedef __u64 u64;
typedef char stringkey[64];

static int libbpf_print_fn(enum libbpf_print_level level, const char *format, va_list args)
{
    return vfprintf(stderr, format, args);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    struct execve_counter_bpf *skel;
    int err;

    libbpf_set_strict_mode(LIBBPF_STRICT_ALL);
    /* Set up libbpf errors and debug info callback */
    libbpf_set_print(libbpf_print_fn);

    /* Open BPF application */
    skel = execve_counter_bpf__open();
    if (!skel) {
        fprintf(stderr, "Failed to open BPF skeleton\n");
        return 1;
    }

    /* Load & verify BPF programs */
    err = execve_counter_bpf__load(skel);
    if (err) {
        fprintf(stderr, "Failed to load and verify BPF skeleton\n");
        goto cleanup;
    }

    /* init the counter */
    stringkey key = "execve_counter";
    u64 v = 0;
    err = bpf_map__update_elem(skel->maps.execve_counter, &key, sizeof(key), &v, sizeof(v), BPF_ANY);
    if (err != 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to init the counter, %d\n", err);
        goto cleanup;
    }

    /* Attach tracepoint handler */
    err = execve_counter_bpf__attach(skel);
    if (err) {
        fprintf(stderr, "Failed to attach BPF skeleton\n");
        goto cleanup;
    }

    for (;;) {
            // read counter value from map
            err = bpf_map__lookup_elem(skel->maps.execve_counter, &key, sizeof(key), &v, sizeof(v), BPF_ANY);
            if (err != 0) {
               fprintf(stderr, "Lookup key from map error: %d\n", err);
               goto cleanup;
            } else {
               printf("execve_counter is %llu\n", v);
            }

            sleep(5);
    }

cleanup:
    execve_counter_bpf__destroy(skel);
    return -err;
}

map是在execve_counter_bpf__load中完成的创建,跟踪代码你会发现(参考libbpf源码),最终会调用bpf系统调用创建map。

和helloworld示例不同的是,我们在attach handler之前,先使用libbpf封装的bpf_map__update_elem初始化了bpf map中的key(初始化为0,如果没有这一步,第一次bpf程序执行时,会提示找不到key)。

然后attach handler后,我们在一个循环中每隔5s通过bpf_map__lookup_elem查询一下key=”execve_counter”的值并输出到控制台。

用户态程序之所以可以直接使用map,是因为bpftool基于execve_counter.bpf.c生成的execve_counter.skel.h中包含了map的各种信息。

接下来我们执行make编译一下这个ebpf程序,然后执行并观察输出:

$sudo ./execve_counter
libbpf: loading object 'execve_counter_bpf' from buffer
libbpf: elf: section(3) tracepoint/syscalls/sys_enter_execve, size 192, link 0, flags 6, type=1
libbpf: sec 'tracepoint/syscalls/sys_enter_execve': found program 'bpf_prog' at insn offset 0 (0 bytes), code size 24 insns (192 bytes)
libbpf: elf: section(4) .reltracepoint/syscalls/sys_enter_execve, size 16, link 22, flags 0, type=9
libbpf: elf: section(5) .rodata, size 64, link 0, flags 2, type=1
libbpf: elf: section(6) .maps, size 32, link 0, flags 3, type=1
libbpf: elf: section(7) license, size 13, link 0, flags 3, type=1
libbpf: license of execve_counter_bpf is Dual BSD/GPL
libbpf: elf: section(13) .BTF, size 898, link 0, flags 0, type=1
libbpf: elf: section(15) .BTF.ext, size 176, link 0, flags 0, type=1
libbpf: elf: section(22) .symtab, size 744, link 1, flags 0, type=2
libbpf: looking for externs among 31 symbols...
libbpf: collected 0 externs total
libbpf: map 'execve_counter': at sec_idx 6, offset 0.
libbpf: map 'execve_counter': found type = 1.
libbpf: map 'execve_counter': found key [9], sz = 64.
libbpf: map 'execve_counter': found value [13], sz = 8.
libbpf: map 'execve_counter': found max_entries = 128.
libbpf: map 'execve_c.rodata' (global data): at sec_idx 5, offset 0, flags 480.
libbpf: map 1 is "execve_c.rodata"
libbpf: sec '.reltracepoint/syscalls/sys_enter_execve': collecting relocation for section(3) 'tracepoint/syscalls/sys_enter_execve'
libbpf: sec '.reltracepoint/syscalls/sys_enter_execve': relo #0: insn #15 against 'execve_counter'
libbpf: prog 'bpf_prog': found map 0 (execve_counter, sec 6, off 0) for insn #15
libbpf: map 'execve_counter': created successfully, fd=4
libbpf: map 'execve_c.rodata': created successfully, fd=5
execve_counter is 0
execve_counter is 0
execve_counter is 9
execve_counter is 23
... ...

注:如果不知道如何编译execve_counter这个示例,请先移步《使用C语言从头开发一个Hello World级别的eBPF程序》了解其构建原理。

bpftool工具提供了查看map的特性,我们可以通过它查看示例创建的map:

$sudo bpftool map
114: hash  name execve_counter  flags 0x0
    key 64B  value 8B  max_entries 128  memlock 20480B
    btf_id 120
116: array  name execve_c.rodata  flags 0x80
    key 4B  value 64B  max_entries 1  memlock 4096B
    frozen

我们还可以dump一下整个map:

$sudo bpftool map dump id 114
[{
        "key": "execve_counter",
        "value": 23
    }
]

我们看到,整个map中就一个键值对(key=”execve_counter”),其值与示例的用户态部分程序输出的一致。

好了,有了C示例作为基础,我们再来看看如何基于Go来实现这个示例。

四. 使用Go基于cilium/ebpf实现execve-counter示例

使用Go开发BPF用户态部分程序要容易的多,cilium/ebpf提供了的包用起来很简单。如果还不知道如何用Go开发ebpf用户态部分的套路,请先移步《使用Go语言开发eBPF程序》一文了解一下。

Go语言示例的必不可少的原料是execve_counter.bpf.c,这个C源码文件与上面的execve_counter示例中的execve_counter.bpf.c的唯一差别就是include的头文件改成了common.h:

$diff execve_counter.bpf.c ../execve-counter/execve_counter.bpf.c
1,2c1,2
<
< #include "common.h"
---
> #include <linux/bpf.h>
> #include <bpf/bpf_helpers.h>

基于原料execve_counter.bpf.c,bpf2go工具会生成用户态部分所需的Go源码,比如:bpfObject中包含的bpf map实例:

// bpfMaps contains all maps after they have been loaded into the kernel.
//
// It can be passed to loadBpfObjects or ebpf.CollectionSpec.LoadAndAssign.
type bpfMaps struct {
    ExecveCounter *ebpf.Map `ebpf:"execve_counter"`
}

最后,我们在main包main函数中直接使用这些生成的与bpf objects相关的Go函数即可,下面是main.go部分源码:

// https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/ebpf-examples/execve-counter-go/main.go

// $BPF_CLANG, $BPF_CFLAGS and $BPF_HEADERS are set by the Makefile.
//go:generate bpf2go -cc $BPF_CLANG -cflags $BPF_CFLAGS -target bpfel,bpfeb bpf execve_counter.bpf.c -- -I $BPF_HEADERS
func main() {
    stopper := make(chan os.Signal, 1)
    signal.Notify(stopper, os.Interrupt, syscall.SIGTERM)

    // Allow the current process to lock memory for eBPF resources.
    if err := rlimit.RemoveMemlock(); err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    // Load pre-compiled programs and maps into the kernel.
    objs := bpfObjects{}
    if err := loadBpfObjects(&objs, nil); err != nil {
        log.Fatalf("loading objects: %s", err)
    }
    defer objs.Close()

    // init the map element
    var key [64]byte
    copy(key[:], []byte("execve_counter"))
    var val int64 = 0
    if err := objs.bpfMaps.ExecveCounter.Put(key, val); err != nil {
        log.Fatalf("init map key error: %s", err)
    }

    // attach to xxx
    kp, err := link.Tracepoint("syscalls", "sys_enter_execve", objs.BpfProg, nil)
    if err != nil {
        log.Fatalf("opening tracepoint: %s", err)
    }
    defer kp.Close()

    ticker := time.NewTicker(5 * time.Second)
    defer ticker.Stop()

    for {
        select {
        case <-ticker.C:
            if err := objs.bpfMaps.ExecveCounter.Lookup(key, &val); err != nil {
                log.Fatalf("reading map error: %s", err)
            }
            log.Printf("execve_counter: %d\n", val)

        case <-stopper:
            // Wait for a signal and close the perf reader,
            // which will interrupt rd.Read() and make the program exit.
            log.Println("Received signal, exiting program..")
            return
        }
    }
}

在main函数,我们通过objs.bpfMaps.ExecveCounter直接访问map实例,并通过其Put和Lookup方法可以直接操作map。这里要注意的是key的类型必须与execve_counter.bpf.c中的key类型(char[64])保持内存布局一致,不能直接用string类型,否则会在执行时报下面错误:

init map key error: can't marshal key: string doesn't marshal to 64 bytes

编译和执行execve-counter-go和helloworld-go别无二致:

$make
$go run -exec sudo main.go bpf_bpfel.go

2022/07/17 16:59:52 execve_counter: 0
2022/07/17 16:59:57 execve_counter: 14
^C2022/07/17 16:59:59 Received signal, exiting program..

五. 小结

本文介绍了eBPF内核态部分与用户态部分进行数据交换的主要方法:BPF MAP机制。这里的MAP不是狭义的一种hash散列表,而是一个抽象数据结构容器,目前支持二十几种数据结构,大家可以根据自己的需求挑选适当的结构(可查询手册了解各种数据结构的特点)。

MAP本质上也是由bpf系统调用创建的,bpf程序只需要声明map的key、value、type等组成信息即可。用户态可以通过bpf系统调用返回的fd操作map,libbpf和cilium/ebpf等封装了对fd的操作,这样简化了API的使用。

内核中map的update操作不是原子的,因此当有多个bpf程序并发访问一个map时,需要同步操作。bpf提供了bpf_spin_lock来实现对map操作的同步。我们可以在value类型中加入bpf_spin_lock来同步对value的修改,就像下面的例子(例子来自《Linux Observability with BPF》一书):

struct concurrent_element {
    struct bpf_spin_lock semaphore;
    int count;
}

struct bpf_map_def SEC("maps") concurrent_map = {
    .type = BPF_MAP_TYPE_HASH,
    .key_size = sizeof(int),
    .value_size = sizeof(struct concurrent_element),
    .max_entries = 100,
};

int bpf_program(struct pt_regs *ctx) {
      intkey=0;
      struct concurrent_element init_value = {};
      struct concurrent_element *read_value;
      bpf_map_create_elem(&concurrent_map, &key, &init_value, BPF_NOEXIST);
      read_value = bpf_map_lookup_elem(&concurrent_map, &key);
      bpf_spin_lock(&read_value->semaphore);
      read_value->count += 100;
      bpf_spin_unlock(&read_value->semaphore);
}

本文涉及代码可以在这里下载。

六. 参考资料


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使用Go语言开发eBPF程序

本文永久链接 – https://tonybai.com/2022/07/19/develop-ebpf-program-in-go

在前面的《使用C语言从头开发一个Hello World级别的eBPF程序》一文中,我们详细说明了如何基于C语言和libbpf库从头开发一个eBPF程序(包括其用户态部分)。那篇文章是后续有关eBPF程序开发文章的基础,因为到目前为止,无论eBPF程序的用户态部分用什么语言开发,运行于内核态的eBPF程序内核态部分还是必须由C语言开发的。这样一来,其他编程语言只能拼一下如何让eBPF程序的用户态部分的开发更为简单了,Go语言也不例外。

在Go社区中,目前最为活跃的用于开发eBPF用户态部分的Go eBPF包莫过于cilium项目开源的cilium/ebpf,cilium项目背后的Isovalent公司也是eBPF技术在云原生领域应用的主要推手之一。

本文我们就来说说基于cilium/ebpf开发eBPF程序的套路

一. 探索cilium/ebpf项目示例

cilium/ebpf项目借鉴了libbpf-boostrap的思路,通过代码生成与bpf程序内嵌的方式构建eBPF程序用户态部分。为了搞清楚基于cilium/ebpf开发ebpf程序的套路,我们先来探索一下cilium/ebpf项目提供的示例代码。

我们首先来下载和看看ebpf的示例的结构。

  • 下载cilium/ebpf项目
$ git clone https://github.com/cilium/ebpf.git
Cloning into 'ebpf'...
remote: Enumerating objects: 7054, done.
remote: Counting objects: 100% (183/183), done.
remote: Compressing objects: 100% (112/112), done.
remote: Total 7054 (delta 91), reused 124 (delta 69), pack-reused 6871
Receiving objects: 100% (7054/7054), 10.91 MiB | 265.00 KiB/s, done.
Resolving deltas: 100% (4871/4871), done.
  • 探索ebpf项目示例代码结构

ebpf示例在examples目录下,我们以tracepoint_in_c为例看看其组织形式:

$tree tracepoint_in_c
tracepoint_in_c
├── bpf_bpfeb.go
├── bpf_bpfeb.o
├── bpf_bpfel.go
├── bpf_bpfel.o
├── main.go
└── tracepoint.c

0 directories, 6 files

根据经验判断,这里面的tracepoint.c对应的是ebpf程序内核态部分,而main.go和bpf_bpfel.go/bpf_bpfeb.go则是ebpf程序用户态部分,至于bpf_bpfeb.o/bpf_bpfel.o应该是某种中间目标文件。通过readelf -a bpf_bpfeb.o查看该中间文件:

$readelf -a bpf_bpfeb.o
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 02 02 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  Class:                             ELF64
  Data:                              2's complement, big endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              REL (Relocatable file)
  Machine:                           Linux BPF
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x0
  Start of program headers:          0 (bytes into file)
  Start of section headers:          1968 (bytes into file)
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           0 (bytes)
  Number of program headers:         0
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         13
  Section header string table index: 1
... ...

我们看到这是一个内含linux bpf字节码的elf文件(Machine: Linux BPF)。

阅读了cilium/ebpf的相关文档,我搞明白了这几个文件的关系,用下面示意图呈现给大家:

ebpf程序的源码文件(比如图中tracepoint.c)经过bpf2go(cilium/ebpf提供的一个代码生成工具)被编译(bpf2go调用clang)为ebpf字节码文件bpf_bpfeb.o(大端)和bpf_bpfel.o(小端),然后bpf2go会基于ebpf字节码文件生成bpf_bpfeb.go或bpf_bpfel.go,ebpf程序的字节码会以二进制数据的形式内嵌到这两个go源文件中,以bpf_bpfel.go为例,我们可以在其代码中找到下面内容(利用go:embed特性):

//go:embed bpf_bpfel.o
var _BpfBytes []byte

main.go则是ebpf程序用户态部分的主程序,将main.go与bpf_bpfeb.go或bpf_bpfel.go之一一起编译就形成了ebpf程序。

有了对cilium/ebpf项目示例的初步探索后,我们来构建ebpf示例代码。

二. 构建ebpf示例代码

cilium/ebpf提供了便利的构建脚本,我们只需在ebpf/examples下面执行”make -C ..”即可进行示例代码的构建。

make构建过程会基于quay.io/cilium/ebpf-builder镜像启动构建容器,不过在国内的童鞋需要像下面一样对Makefile内容做一丁点修改,增加GOPROXY环境变量,否则wall外的go module无法拉取:

$git diff ../Makefile
diff --git a/Makefile b/Makefile
index 3a1da88..d7b1712 100644
--- a/Makefile
+++ b/Makefile
@@ -48,6 +48,7 @@ container-all:
        ${CONTAINER_ENGINE} run --rm ${CONTAINER_RUN_ARGS} \
                -v "${REPODIR}":/ebpf -w /ebpf --env MAKEFLAGS \
                --env CFLAGS="-fdebug-prefix-map=/ebpf=." \
+               --env GOPROXY="https://goproxy.io" \
                --env HOME="/tmp" \
                "${IMAGE}:${VERSION}" \
                $(MAKE) all

这之后再执行构建就会顺利得到我们所要的结果:

$ cd examples
$ make -C ..
make: Entering directory '/root/go/src/github.com/cilium/ebpf'
docker run --rm  --user "0:0" \
    -v "/root/go/src/github.com/cilium/ebpf":/ebpf -w /ebpf --env MAKEFLAGS \
    --env CFLAGS="-fdebug-prefix-map=/ebpf=." \
    --env GOPROXY="https://goproxy.io" \
    --env HOME="/tmp" \
    "quay.io/cilium/ebpf-builder:1648566014" \
    make all
make: Entering directory '/ebpf'
find . -type f -name "*.c" | xargs clang-format -i
go generate ./cmd/bpf2go/test
go: downloading golang.org/x/sys v0.0.0-20210906170528-6f6e22806c34
Compiled /ebpf/cmd/bpf2go/test/test_bpfel.o
Stripped /ebpf/cmd/bpf2go/test/test_bpfel.o
Wrote /ebpf/cmd/bpf2go/test/test_bpfel.go
Compiled /ebpf/cmd/bpf2go/test/test_bpfeb.o
Stripped /ebpf/cmd/bpf2go/test/test_bpfeb.o
Wrote /ebpf/cmd/bpf2go/test/test_bpfeb.go
go generate ./internal/sys
enum AdjRoomMode
enum AttachType
enum Cmd
enum FunctionId
enum HdrStartOff
enum LinkType
enum MapType
enum ProgType
enum RetCode
enum SkAction
enum StackBuildIdStatus
enum StatsType
enum XdpAction
struct BtfInfo
... ...
attr ProgRun
attr RawTracepointOpen
cd examples/ && go generate ./...
go: downloading github.com/cilium/ebpf v0.8.2-0.20220424153111-6da9518107a8
go: downloading golang.org/x/sys v0.0.0-20211001092434-39dca1131b70
Compiled /ebpf/examples/cgroup_skb/bpf_bpfel.o
Stripped /ebpf/examples/cgroup_skb/bpf_bpfel.o
Wrote /ebpf/examples/cgroup_skb/bpf_bpfel.go
Compiled /ebpf/examples/cgroup_skb/bpf_bpfeb.o
Stripped /ebpf/examples/cgroup_skb/bpf_bpfeb.o
Wrote /ebpf/examples/cgroup_skb/bpf_bpfeb.go
Compiled /ebpf/examples/fentry/bpf_bpfeb.o
Stripped /ebpf/examples/fentry/bpf_bpfeb.o
Wrote /ebpf/examples/fentry/bpf_bpfeb.go
Compiled /ebpf/examples/fentry/bpf_bpfel.o
Stripped /ebpf/examples/fentry/bpf_bpfel.o
Wrote /ebpf/examples/fentry/bpf_bpfel.go
Compiled /ebpf/examples/kprobe/bpf_bpfel.o
Stripped /ebpf/examples/kprobe/bpf_bpfel.o
Wrote /ebpf/examples/kprobe/bpf_bpfel.go
Stripped /ebpf/examples/uretprobe/bpf_bpfel_x86.o
... ...
Wrote /ebpf/examples/uretprobe/bpf_bpfel_x86.go
ln -srf testdata/loader-clang-14-el.elf testdata/loader-el.elf
ln -srf testdata/loader-clang-14-eb.elf testdata/loader-eb.elf
make: Leaving directory '/ebpf'
make: Leaving directory '/root/go/src/github.com/cilium/ebpf'

以uretprobe下面的ebpf为例,我们运行一下:

$go run -exec sudo uretprobe/*.go
2022/06/05 18:23:23 Listening for events..

打开一个新的terminal,然后在用户home目录下执行vi .bashrc。在上面的uretprobe程序的执行窗口我们能看到:

2022/06/05 18:24:34 Listening for events..
2022/06/05 18:24:42 /bin/bash:readline return value: vi .bashrc

这就表明uretprobe下面的ebpf程序如预期地执行了。

三. 使用cilium/ebpf为前文的Hello World eBPF程序开发用户态部分

有了对cilium/ebpf示例程序的初步了解,下面我们就来为前面的《使用C语言从头开发一个Hello World级别的eBPF程序》一文中的那个helloworld ebpf程序开发用户态部分。

回顾一下那个hello world ebpf程序的C源码:

// github.com/bigwhite/experiments/tree/master/ebpf-examples/helloworld-go/helloworld.bpf.c
#include <linux/bpf.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>

SEC("tracepoint/syscalls/sys_enter_execve")

int bpf_prog(void *ctx) {
  char msg[] = "Hello, World!";
  bpf_printk("invoke bpf_prog: %s\n", msg);
  return 0;
}

char LICENSE[] SEC("license") = "Dual BSD/GPL";

当这个ebpf程序被加载到内核中后,每当execve这个系统调用被执行,该ebpf程序都会被调用一次,我们就会在/sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe中看到对应的日志输出。

1. 使用bpf2go将ebpf核心态程序转换为Go代码

根据我们在前面探索cilium/ebpf示例程序时所得到的“套路”,我们接下来第一个要做的就是将helloworld.bpf.c转换为Go代码文件,这一转换过程不可缺少的工具就是cilium/ebpf提供的bpf2go工具,我们先来安装一下该工具:

$go install github.com/cilium/ebpf/cmd/bpf2go@latest

接下来,我们可以直接使用bpf2go工具将helloworld.ebpf.c转换为对应的go源文件:

$GOPACKAGE=main bpf2go -cc clang-10 -cflags '-O2 -g -Wall -Werror' -target bpfel,bpfeb bpf helloworld.bpf.c -- -I /home/tonybai/test/ebpf/libbpf/include/uapi -I /usr/local/bpf/include -idirafter /usr/local/include -idirafter /usr/lib/llvm-10/lib/clang/10.0.0/include -idirafter /usr/include/x86_64-linux-gnu -idirafter /usr/include

Compiled /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfel.o
Stripped /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfel.o
Wrote /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfel.go
Compiled /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfeb.o
Stripped /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfeb.o
Wrote /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfeb.go

不过这里有一个问题,那就是bpf2go命令行后面的一系列提供给clang编译器的头文件引用路径参考了《使用C语言从头开发一个Hello World级别的eBPF程序》一文中的Makefile。如果按照这些头文件路径来引用,虽然bpf2go转换可以成功,但是我们需要依赖并安装libbpf这个库,这显然不是我们想要的。

cilium/ebpf在examples中提供了一个headers目录,这个目录中包含了开发ebpf程序用户态部分所需的所有头文件,我们使用它作为我们的头文件引用路径。不过要想基于这个headers目录构建ebpf,我们需要将helloworld.bpf.c中的原头文件include语句由:

#include <linux/bpf.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>

改为:

#include "common.h"

接下来我们再来执行bpf2go工具进行转换:

$GOPACKAGE=main bpf2go -cc clang-10 -cflags '-O2 -g -Wall -Werror' -target bpfel,bpfeb bpf helloworld.bpf.c -- -I /home/tonybai/go/src/github.com/cilium/ebpf/examples/headers

Compiled /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfel.o
Stripped /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfel.o
Wrote /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfel.go
Compiled /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfeb.o
Stripped /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfeb.o
Wrote /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfeb.go

我们看到bpf2go顺利生成ebpf字节码与对应的Go源文件。

2. 构建helloworld ebpf程序用户态部分

下面是参考cilium/ebpf示例而构建的helloword ebpf程序用户态部分的main.go源码:

// github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/main.go
package main

import (
    "log"
    "os"
    "os/signal"
    "syscall"

    "github.com/cilium/ebpf/link"
    "github.com/cilium/ebpf/rlimit"
)

func main() {
    stopper := make(chan os.Signal, 1)
    signal.Notify(stopper, os.Interrupt, syscall.SIGTERM)

    // Allow the current process to lock memory for eBPF resources.
    if err := rlimit.RemoveMemlock(); err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    // Load pre-compiled programs and maps into the kernel.
    objs := bpfObjects{}
    if err := loadBpfObjects(&objs, nil); err != nil {
        log.Fatalf("loading objects: %s", err)
    }
    defer objs.Close()

    //SEC("tracepoint/syscalls/sys_enter_execve")
    // attach to xxx
    kp, err := link.Tracepoint("syscalls", "sys_enter_execve", objs.BpfProg, nil)
    if err != nil {
        log.Fatalf("opening tracepoint: %s", err)
    }
    defer kp.Close()

    log.Printf("Successfully started! Please run \"sudo cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe\" to see output of the BPF programs\n")

    // Wait for a signal and close the perf reader,
    // which will interrupt rd.Read() and make the program exit.
    <-stopper
    log.Println("Received signal, exiting program..")
}

我们知道一个ebpf程序有几个关键组成:

  • ebpf程序数据
  • map:用于用户态与内核态的数据交互
  • 挂接点(attach point)

根据cilium/ebpf架构的说明,ebpf包将前两部分抽象为了一个数据结构bpfObjects:

// github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfel.go

// bpfObjects contains all objects after they have been loaded into the kernel.
//
// It can be passed to loadBpfObjects or ebpf.CollectionSpec.LoadAndAssign.
type bpfObjects struct {
    bpfPrograms
    bpfMaps
}

我们看到,main函数通过生成的loadBpfObjects函数将ebpf程序加载到内核,并填充bpfObjects结构,一旦加载bpf程序成功,后续我们便可以使用bpfObjects结构中的字段来完成其余操作,比如通过link包的函数将bpf程序与目标挂节点对接在一起(如文中的link.Tracepoint函数),这样挂接后,bpf才能在对应的事件发生后被回调执行。

下面编译执行一下该helloworld示例:

$go run -exec sudo main.go bpf_bpfel.go
[sudo] password for tonybai:
2022/06/05 14:12:40 Successfully started! Please run "sudo cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe" to see output of the BPF programs

之后新打开一个窗口,执行sudo cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe,当execve被调用时,我们就能看到类似下面的日志输出:

<...>-551077  [000] .... 6062226.208943: 0: invoke bpf_prog: Hello, World!
<...>-551077  [000] .... 6062226.209098: 0: invoke bpf_prog: Hello, World!
<...>-551079  [007] .... 6062226.215421: 0: invoke bpf_prog: Hello, World!
<...>-551079  [007] .... 6062226.215578: 0: invoke bpf_prog: Hello, World!
<...>-554756  [007] .... 6063476.785212: 0: invoke bpf_prog: Hello, World!
<...>-554756  [007] .... 6063476.785378: 0: invoke bpf_prog: Hello, World!

3. 使用go generate来驱动bpf2go的转换

在生成代码方面,Go工具链原生提供了go generate工具,cilium/ebpf的examples中也是利用go generate来驱动bpf2go将bpf程序转换为Go源文件的,这里我们也来做一下改造。

首先我们在main.go的main函数上面增加一行go:generate指示语句:

// github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/main.go

// $BPF_CLANG, $BPF_CFLAGS and $BPF_HEADERS are set by the Makefile.
//go:generate bpf2go -cc $BPF_CLANG -cflags $BPF_CFLAGS -target bpfel,bpfeb bpf helloworld.bpf.c -- -I $BPF_HEADERS
func main() {
    stopper := make(chan os.Signal,  1)
    ... ...
}

这样当我们显式执行go generate语句时,go generate会扫描到该指示语句,并执行后面的命令。这里使用了几个变量,变量是定义在Makefile中的。当然如果你不想使用Makefile,也可以将变量替换为相应的值。这里我们使用Makefile,下面是Makefile的内容:

// github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/Makefile

CLANG ?= clang-10
CFLAGS ?= -O2 -g -Wall -Werror

LIBEBPF_TOP = /home/tonybai/go/src/github.com/cilium/ebpf
EXAMPLES_HEADERS = $(LIBEBPF_TOP)/examples/headers

all: generate

generate: export BPF_CLANG=$(CLANG)
generate: export BPF_CFLAGS=$(CFLAGS)
generate: export BPF_HEADERS=$(EXAMPLES_HEADERS)
generate:
    go generate ./...

有了该Makefile后,我们执行make命令便可以执行bpf2go对bpf程序的转换:

$make
go generate ./...
Compiled /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfel.o
Stripped /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfel.o
Wrote /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfel.go
Compiled /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfeb.o
Stripped /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfeb.o
Wrote /home/tonybai/go/src/github.com/bigwhite/experiments/ebpf-examples/helloworld-go/bpf_bpfeb.go

四. 小结

本文我们讲解了如何基于cilium/ebpf包来开发ebpf的用户态部分。

ebpf借鉴了libbpf的思路,通过生成代码与数据内嵌的方式来构建ebpf的用户态部分。

ebpf提供了bpf2go工具,可以将bpf的C源码转换为相应的go源码。

ebpf将bpf程序抽象为bpfObjects,通过生成的loadBpfObjects完成bpf程序加载到内核的过程,然后利用ebpf库提供的诸如link之类的包实现ebpf与内核事件的关联。

ebpf包的玩法还有很多,这一篇仅仅是为了打好基础,在后续文章中,我们还会针对各种类型的bpf程序做进一步学习和说明。

本文代码可以在这里下载。

无. 参考资料


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