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eBPF实战：追踪`open()`系统调用，揪出应用的文件访问秘密

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为什么选择eBPF？

准备工作

编写eBPF程序

代码详解

eBPF程序

用户空间程序

运行程序

进阶应用

注意事项

总结

作为一名程序员，我们经常需要深入了解应用程序的行为。特别是在调试、性能分析和安全审计等场景下，能够追踪特定函数的执行路径和参数信息，无疑是一项强大的技能。eBPF（Extended Berkeley Packet Filter）正是这样一种技术，它允许我们在内核中安全地运行自定义代码，而无需修改内核源代码或加载内核模块。

本文将以追踪open()系统调用为例，介绍如何利用eBPF来监控应用程序的文件访问行为。通过记录open()系统调用打开的文件名和权限，我们可以深入了解应用程序的文件读写模式，发现潜在的安全漏洞或性能瓶颈。

为什么选择eBPF？

在深入探讨具体实现之前，我们先来了解一下为什么选择eBPF来实现这个任务。

  • 安全性：eBPF程序在内核中运行之前，会经过严格的验证器检查，确保程序的安全性和正确性，避免造成系统崩溃或安全漏洞。
  • 高性能：eBPF程序可以被JIT（Just-In-Time）编译成本地机器码，从而获得接近原生代码的执行效率。这使得eBPF成为一种高性能的内核态代码执行引擎。
  • 灵活性：eBPF程序可以动态加载和卸载，无需重启系统或修改内核源代码。这使得eBPF成为一种非常灵活的内核扩展机制。
  • 广泛支持：现代Linux内核已经广泛支持eBPF，并且提供了丰富的API和工具，方便开发者编写和调试eBPF程序。

准备工作

在开始编写eBPF程序之前，我们需要准备以下工具和环境：

  • Linux内核：建议使用较新的Linux内核版本（4.14及以上），以获得更好的eBPF支持。
  • bcc：bcc（BPF Compiler Collection）是一个Python库，提供了方便的API和工具，用于编写、编译和加载eBPF程序。
  • libbpf：libbpf是一个C库，提供了更底层的API，用于编写和管理eBPF程序。
  • clang/LLVM：clang和LLVM是编译eBPF程序所必需的编译器和工具链。

安装bcc：

sudo apt-get update
sudo apt-get install -y bpfcc-tools linux-headers-$(uname -r)
sudo apt-get install -y python3-pip
sudo pip3 install --upgrade pip
sudo pip3 install bcc

编写eBPF程序

接下来，我们将使用bcc来编写一个简单的eBPF程序，用于追踪open()系统调用。

from bcc import BPF
 
# 定义eBPF程序
program = '''
#include <uapi/linux/ptrace.h>
#include <linux/sched.h>
 
struct data_t {
    u32 pid;
    u64 ts;
    char comm[TASK_COMM_LEN];
    char filename[256];
    int flags;
};
 
BPF_PERF_OUTPUT(events);
 
int kprobe__do_sys_openat2(struct pt_regs *ctx, int dirfd, const char *pathname, int flags, int mode)
{
    struct data_t data = {};
    data.pid = bpf_get_current_pid_tgid();
    data.ts = bpf_ktime_get_ns();
    bpf_get_current_comm(&data.comm, sizeof(data.comm));
    bpf_probe_read_user(&data.filename, sizeof(data.filename), (void *)pathname);
    data.flags = flags;
    events.perf_submit(ctx, &data, sizeof(data));
    return 0;
}
'''
 
# 创建BPF实例
bpf = BPF(text=program)
 
# 定义回调函数，用于处理eBPF程序输出的事件
def print_event(cpu, data, size):
    event = bpf['events'].event(data)
    print(f'PID: {event.pid}, Timestamp: {event.ts}, Command: {event.comm.decode()}, Filename: {event.filename.decode()}, Flags: {event.flags}')
 
# 绑定回调函数到eBPF程序的输出
bpf['events'].open_perf_buffer(print_event)
 
# 循环读取eBPF程序的输出
while True:
    try:
        bpf.perf_buffer_poll()
    except KeyboardInterrupt:
        exit()

这段代码主要做了以下几件事情：

  1. 定义eBPF程序：使用C语言定义了一个eBPF程序，该程序通过kprobe探针，在do_sys_openat2函数（open()系统调用的内核实现）执行时被触发。程序会读取当前进程的PID、时间戳、进程名、文件名和权限等信息，并将这些信息通过perf ring buffer发送到用户空间。
  2. 创建BPF实例：使用bcc库创建一个BPF实例，并将上面定义的eBPF程序加载到内核中。
  3. 定义回调函数：定义一个回调函数print_event，用于处理eBPF程序输出的事件。该函数会将事件信息打印到终端。
  4. 绑定回调函数：将回调函数绑定到eBPF程序的输出，这样当eBPF程序有数据输出时，回调函数就会被调用。
  5. 循环读取输出：循环读取eBPF程序的输出，并将读取到的事件信息传递给回调函数处理。

代码详解

下面我们来详细分析一下这段代码的关键部分。

eBPF程序

#include <uapi/linux/ptrace.h>
#include <linux/sched.h>
 
struct data_t {
    u32 pid;
    u64 ts;
    char comm[TASK_COMM_LEN];
    char filename[256];
    int flags;
};
 
BPF_PERF_OUTPUT(events);
 
int kprobe__do_sys_openat2(struct pt_regs *ctx, int dirfd, const char *pathname, int flags, int mode)
{
    struct data_t data = {};
    data.pid = bpf_get_current_pid_tgid();
    data.ts = bpf_ktime_get_ns();
    bpf_get_current_comm(&data.comm, sizeof(data.comm));
    bpf_probe_read_user(&data.filename, sizeof(data.filename), (void *)pathname);
    data.flags = flags;
    events.perf_submit(ctx, &data, sizeof(data));
    return 0;
}
  • #include <uapi/linux/ptrace.h>：包含了ptrace相关的头文件，用于定义struct pt_regs结构，该结构包含了函数调用时的寄存器信息。
  • #include <linux/sched.h>：包含了进程调度相关的头文件，用于定义TASK_COMM_LEN常量，该常量表示进程名的最大长度。
  • struct data_t：定义了一个结构体，用于存储要收集的数据，包括PID、时间戳、进程名、文件名和权限等信息。
  • BPF_PERF_OUTPUT(events)：定义了一个perf ring buffer，用于将数据从内核空间传递到用户空间。events是ring buffer的名称。
  • int kprobe__do_sys_openat2(struct pt_regs *ctx, int dirfd, const char *pathname, int flags, int mode)：定义了一个kprobe探针函数，该函数会在do_sys_openat2函数执行时被触发。函数参数包括：
    • struct pt_regs *ctx：包含了函数调用时的寄存器信息。
    • int dirfd：目录文件描述符。
    • const char *pathname：要打开的文件名。
    • int flags：打开文件的权限。
    • int mode：创建文件时的权限。
  • data.pid = bpf_get_current_pid_tgid()：获取当前进程的PID。
  • data.ts = bpf_ktime_get_ns()：获取当前时间戳。
  • bpf_get_current_comm(&data.comm, sizeof(data.comm))：获取当前进程名。
  • bpf_probe_read_user(&data.filename, sizeof(data.filename), (void *)pathname)：从用户空间读取文件名。由于文件名存储在用户空间，因此需要使用bpf_probe_read_user函数来读取。注意，这里需要将pathname转换为void *类型。
  • data.flags = flags：获取打开文件的权限。
  • events.perf_submit(ctx, &data, sizeof(data))：将收集到的数据通过perf ring buffer发送到用户空间。ctx参数是必须的，即使我们没有使用它。
  • return 0：kprobe探针函数必须返回0。

用户空间程序

from bcc import BPF
 
# 定义eBPF程序
program = '''
...
'''
 
# 创建BPF实例
bpf = BPF(text=program)
 
# 定义回调函数，用于处理eBPF程序输出的事件
def print_event(cpu, data, size):
    event = bpf['events'].event(data)
    print(f'PID: {event.pid}, Timestamp: {event.ts}, Command: {event.comm.decode()}, Filename: {event.filename.decode()}, Flags: {event.flags}')
 
# 绑定回调函数到eBPF程序的输出
bpf['events'].open_perf_buffer(print_event)
 
# 循环读取eBPF程序的输出
while True:
    try:
        bpf.perf_buffer_poll()
    except KeyboardInterrupt:
        exit()
  • from bcc import BPF：导入bcc库。
  • bpf = BPF(text=program)：创建一个BPF实例，并将上面定义的eBPF程序加载到内核中。text参数指定了eBPF程序的源代码。
  • def print_event(cpu, data, size)：定义一个回调函数，用于处理eBPF程序输出的事件。该函数会将事件信息打印到终端。函数参数包括：
    • cpu：事件发生的CPU核心ID。
    • data：指向事件数据的指针。
    • size：事件数据的大小。
  • event = bpf['events'].event(data)：从事件数据中解析出data_t结构体。bpf['events']表示perf ring buffer，event(data)方法用于从data指针中解析出事件数据。
  • print(f'PID: {event.pid}, Timestamp: {event.ts}, Command: {event.comm.decode()}, Filename: {event.filename.decode()}, Flags: {event.flags}')：将事件信息打印到终端。注意，event.comm和event.filename是字节数组，需要使用decode()方法将其转换为字符串。
  • bpf['events'].open_perf_buffer(print_event)：将回调函数绑定到eBPF程序的输出。open_perf_buffer(print_event)方法会创建一个perf buffer，并将回调函数注册到该buffer上。当eBPF程序有数据输出到perf buffer时，回调函数就会被调用。
  • while True：循环读取eBPF程序的输出。
  • bpf.perf_buffer_poll()：从perf buffer中读取数据，并调用相应的回调函数。
  • except KeyboardInterrupt：捕获键盘中断信号，当用户按下Ctrl+C时，程序退出。

运行程序

将上面的代码保存为open_tracer.py，然后在终端中运行：

sudo python3 open_tracer.py

运行程序后，它会开始追踪open()系统调用。当你运行其他程序时，如果它们调用了open()系统调用，open_tracer.py就会打印出相关的信息，包括PID、时间戳、进程名、文件名和权限等。

例如，如果你运行ls /tmp命令，open_tracer.py可能会打印出类似下面的信息：

PID: 1234, Timestamp: 1678886400123456789, Command: ls, Filename: /tmp, Flags: 0
PID: 1234, Timestamp: 1678886400234567890, Command: ls, Filename: /etc/ld.so.cache, Flags: 32768
PID: 1234, Timestamp: 1678886400345678901, Command: ls, Filename: /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6, Flags: 32768
...

进阶应用

通过修改eBPF程序，我们可以实现更复杂的功能，例如：

  • 过滤特定进程：只追踪特定进程的open()系统调用。
  • 统计文件访问次数：统计每个文件被访问的次数。
  • 记录文件访问延迟：记录每次open()系统调用的延迟。
  • 监控特定目录：只监控特定目录下的文件访问。
  • 分析文件访问模式：分析应用程序的文件读写模式，发现潜在的性能瓶颈。

例如，要过滤特定进程，可以在eBPF程序中添加一个判断条件：

int kprobe__do_sys_openat2(struct pt_regs *ctx, int dirfd, const char *pathname, int flags, int mode)
{
    u32 pid = bpf_get_current_pid_tgid();
    if (pid != TARGET_PID) {
        return 0;
    }
    ...
}

其中，TARGET_PID是要追踪的进程的PID。你需要在用户空间程序中定义一个变量，并将该变量的值传递给eBPF程序：

target_pid = 1234
bpf = BPF(text=program, cflags=['-DTARGET_PID=%d' % target_pid])

注意事项

  • 性能影响：eBPF程序在内核中运行，会对系统性能产生一定的影响。因此，在生产环境中部署eBPF程序时，需要仔细评估其性能影响。
  • 安全风险：虽然eBPF程序经过严格的验证器检查，但仍然存在一定的安全风险。例如，如果eBPF程序存在漏洞，可能会被恶意利用，导致系统崩溃或安全漏洞。因此，在编写eBPF程序时，需要格外小心，避免出现安全问题。
  • 内核兼容性：不同的Linux内核版本对eBPF的支持程度可能不同。因此，在编写eBPF程序时，需要考虑内核兼容性问题。
  • 调试难度：eBPF程序在内核中运行，调试难度较高。可以使用bcc提供的调试工具，例如bpftrace，来调试eBPF程序。

总结

本文介绍了如何利用eBPF来追踪open()系统调用，从而监控应用程序的文件访问行为。通过学习本文，你应该能够掌握eBPF的基本原理和使用方法，并能够利用eBPF来解决实际问题。希望本文能够帮助你更好地理解和使用eBPF技术。

eBPF为我们提供了一个强大的工具，让我们能够深入了解内核和应用程序的行为。掌握eBPF技术，可以帮助我们更好地调试、优化和保护我们的系统。

内核侦探 eBPF系统调用性能分析

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