利用 eBPF 精准追踪 TCP 和 DNS 延迟,揪出网络性能瓶颈
什么是 eBPF?
eBPF 在网络性能分析中的应用
跟踪 TCP 三次握手延迟
1. 确定跟踪点
2. 编写 eBPF 程序
3. 分析数据
跟踪 DNS 查询延迟
1. 确定跟踪点
2. 编写 eBPF 程序
3. 分析数据
案例分析
总结
网络延迟是影响用户体验的关键因素之一。当网站加载缓慢、视频卡顿或者在线游戏延迟过高时,用户往往会感到沮丧。网络工程师和系统管理员需要快速定位并解决这些问题,而 eBPF(extended Berkeley Packet Filter)提供了一种强大的工具,可以深入内核追踪网络数据包,分析延迟的来源。
本文将重点介绍如何使用 eBPF 跟踪 TCP 三次握手和 DNS 查询的延迟,并利用这些数据来诊断常见的网络瓶颈。
什么是 eBPF?
eBPF 最初是 BSD 内核中的一个数据包过滤器,后来被扩展到可以运行用户自定义的沙箱程序,无需修改内核源码即可动态地向内核添加新的功能。eBPF 程序运行在内核态,但通过了严格的验证,保证安全性和稳定性。
eBPF 的强大之处在于其能够监听内核事件,例如网络数据包的收发、系统调用等。通过编写 eBPF 程序,我们可以捕获这些事件,提取关键信息,并进行实时分析。
eBPF 在网络性能分析中的应用
eBPF 提供了多种工具和框架,可以用于网络性能分析,例如:
- 跟踪网络数据包: 捕获网络数据包,分析其头部信息,例如源 IP 地址、目标 IP 地址、端口号、协议类型等。
- 测量延迟: 记录数据包到达和离开内核的时间戳,计算延迟。
- 统计网络流量: 统计特定类型的数据包的数量、字节数等。
- 监控 TCP 连接: 跟踪 TCP 连接的状态变化,例如建立连接、关闭连接等。
跟踪 TCP 三次握手延迟
TCP 三次握手是建立 TCP 连接的关键步骤。如果三次握手过程出现延迟,会导致连接建立缓慢,影响用户体验。我们可以使用 eBPF 跟踪三次握手过程,分析延迟的来源。
1. 确定跟踪点
我们需要跟踪以下内核函数:
tcp_v4_connect
:客户端发起 SYN 包时调用。tcp_v4_syn_recv
:服务器收到 SYN 包时调用。tcp_v4_建立连接完成的函数
:客户端收到 SYN-ACK 包后,发送 ACK 包时调用 (具体函数名取决于内核版本,可以使用trace
工具查找)。
2. 编写 eBPF 程序
以下是一个简单的 eBPF 程序,用于跟踪 TCP 三次握手延迟:
#include <uapi/linux/ptrace.h> #include <net/sock.h> #include <net/tcp.h> #include <linux/tcp.h> struct data_t { u32 pid; u32 saddr; u32 daddr; u16 sport; u16 dport; u64 ts; char state[8]; }; BPF_PERF_OUTPUT(events); // 记录 SYN_SENT 的时间 int kprobe__tcp_v4_connect(struct pt_regs *ctx, struct sock *sk) { struct data_t data = {}; data.pid = bpf_get_current_pid_tgid(); data.saddr = sk->__sk_common.skc_rcv_saddr; data.daddr = sk->__sk_common.skc_daddr; data.sport = sk->__sk_common.skc_num; data.dport = sk->__sk_common.skc_dport; data.dport = ntohs(data.dport); data.ts = bpf_ktime_get_ns(); strcpy(data.state, "SYN_SENT"); events.perf_submit(ctx, &data, sizeof(data)); return 0; } // 记录 SYN_RECV 的时间 int kprobe__tcp_v4_syn_recv(struct pt_regs *ctx, struct sock *sk, struct sk_buff *skb, const struct tcp_request_sock *req) { struct data_t data = {}; data.pid = bpf_get_current_pid_tgid(); data.saddr = sk->__sk_common.skc_rcv_saddr; data.daddr = sk->__sk_common.skc_daddr; data.sport = sk->__sk_common.skc_num; data.dport = sk->__sk_common.skc_dport; data.dport = ntohs(data.dport); data.ts = bpf_ktime_get_ns(); strcpy(data.state, "SYN_RECV"); events.perf_submit(ctx, &data, sizeof(data)); return 0; } // 记录 ESTABLISHED 的时间 (需要根据内核版本调整函数名) int kprobe__tcp_建立连接完成的函数(struct pt_regs *ctx, struct sock *sk) { struct data_t data = {}; data.pid = bpf_get_current_pid_tgid(); data.saddr = sk->__sk_common.skc_rcv_saddr; data.daddr = sk->__sk_common.skc_daddr; data.sport = sk->__sk_common.skc_num; data.dport = sk->__sk_common.skc_dport; data.dport = ntohs(data.dport); data.ts = bpf_ktime_get_ns(); strcpy(data.state, "ESTABLISHED"); events.perf_submit(ctx, &data, sizeof(data)); return 0; }
代码解释:
#include
:包含必要的头文件,例如ptrace.h
、sock.h
和tcp.h
,这些头文件定义了内核数据结构和函数。struct data_t
:定义了一个数据结构,用于存储我们需要的信息,例如 PID、源 IP 地址、目标 IP 地址、端口号、时间戳和连接状态。BPF_PERF_OUTPUT(events)
:定义了一个 perf 事件输出,用于将数据从内核空间传递到用户空间。kprobe__tcp_v4_connect
、kprobe__tcp_v4_syn_recv
和kprobe__tcp_建立连接完成的函数
:定义了三个 kprobe 函数,分别用于跟踪tcp_v4_connect
、tcp_v4_syn_recv
和tcp_建立连接完成的函数
函数的调用。在这些函数中,我们提取相关信息,并将其存储到data_t
结构体中,然后通过events.perf_submit
将数据发送到用户空间。
编译和加载 eBPF 程序:
可以使用 bcc
或 libbpf
等工具来编译和加载 eBPF 程序。
3. 分析数据
在用户空间,我们可以编写程序来读取 perf 事件,并分析 TCP 三次握手的延迟。例如,我们可以计算 SYN_SENT 到 SYN_RECV 的时间差,以及 SYN_RECV 到 ESTABLISHED 的时间差,从而确定延迟的来源。
跟踪 DNS 查询延迟
DNS 查询是将域名解析为 IP 地址的过程。如果 DNS 查询延迟过高,会导致网站加载缓慢。我们可以使用 eBPF 跟踪 DNS 查询过程,分析延迟的来源。
1. 确定跟踪点
我们需要跟踪以下内核函数:
dns_lookup
:发起 DNS 查询时调用。dns_query_recv
:收到 DNS 响应时调用。
2. 编写 eBPF 程序
以下是一个简单的 eBPF 程序,用于跟踪 DNS 查询延迟:
#include <uapi/linux/ptrace.h> #include <net/sock.h> #include <net/dns.h> struct data_t { u32 pid; u32 saddr; u32 daddr; u16 sport; u16 dport; u64 ts_start; u64 ts_end; char qname[64]; }; BPF_HASH(start, u32, struct data_t); BPF_PERF_OUTPUT(events); // 记录 DNS 查询开始的时间 int kprobe__dns_lookup(struct pt_regs *ctx, struct sock *sk, struct sk_buff *skb, const unsigned char *name, int len) { u32 pid = bpf_get_current_pid_tgid(); struct data_t data = {}; data.pid = pid; data.saddr = sk->__sk_common.skc_rcv_saddr; data.daddr = sk->__sk_common.skc_daddr; data.sport = sk->__sk_common.skc_num; data.dport = sk->__sk_common.skc_dport; data.dport = ntohs(data.dport); data.ts_start = bpf_ktime_get_ns(); bpf_probe_read_str(data.qname, sizeof(data.qname), name); start.update(&pid, &data); return 0; } // 记录 DNS 查询结束的时间 int kprobe__dns_query_recv(struct pt_regs *ctx, struct sock *sk, struct sk_buff *skb) { u32 pid = bpf_get_current_pid_tgid(); struct data_t *data = start.lookup(&pid); if (data) { data->ts_end = bpf_ktime_get_ns(); events.perf_submit(ctx, data, sizeof(struct data_t)); start.delete(&pid); } return 0; }
代码解释:
BPF_HASH(start, u32, struct data_t)
:定义了一个哈希表,用于存储 DNS 查询的开始时间。kprobe__dns_lookup
:记录 DNS 查询开始的时间,并将数据存储到哈希表中。kprobe__dns_query_recv
:记录 DNS 查询结束的时间,从哈希表中读取开始时间,计算延迟,并将数据发送到用户空间。
3. 分析数据
在用户空间,我们可以编写程序来读取 perf 事件,并分析 DNS 查询的延迟。例如,我们可以统计不同域名的查询延迟,找出延迟较高的域名。
案例分析
以下是一些使用 eBPF 分析网络延迟的案例:
- 案例 1:TCP 三次握手延迟过高
- 使用 eBPF 跟踪 TCP 三次握手过程,发现 SYN_SENT 到 SYN_RECV 的时间差较长。
- 进一步分析,发现服务器的 SYN backlog 队列已满,导致 SYN 包被丢弃。
- 解决方法:调整服务器的 SYN backlog 队列大小。
- 案例 2:DNS 查询延迟过高
- 使用 eBPF 跟踪 DNS 查询过程,发现特定域名的查询延迟较高。
- 进一步分析,发现 DNS 服务器的负载过高,导致查询响应缓慢。
- 解决方法:增加 DNS 服务器的资源,或者使用 CDN 等技术来缓存 DNS 记录。
总结
eBPF 是一种强大的网络性能分析工具,可以深入内核追踪网络数据包,分析延迟的来源。通过使用 eBPF,我们可以快速定位网络瓶颈,并采取相应的措施来优化网络性能。本文介绍了如何使用 eBPF 跟踪 TCP 三次握手和 DNS 查询的延迟,并提供了一些案例分析,希望能帮助读者更好地理解和应用 eBPF 技术。
注意: 上述代码只是示例,实际应用中需要根据具体情况进行调整。同时,eBPF 程序的编写需要一定的内核知识和编程经验。建议参考相关的文档和教程,例如:
- bcc (BPF Compiler Collection): https://github.com/iovisor/bcc
- libbpf: https://github.com/libbpf/libbpf
- Brendan Gregg's Blog: http://www.brendangregg.com/ebpf.html
希望这篇文章能够帮助你利用 eBPF 来诊断和解决网络性能问题。