eBPF代码流程分析

0x1:应用层流程

基于Linux kernel source v5.13

1.加载bpf.o文件并处理elf section信息

1.int bpf_object__open(char *path) //参数是bpf.o文件路径
   -- __bpf_object__open(const char *path, const void *obj_buf, size_t obj_buf_sz, const struct bpf_object_open_opts *opts)//读取obj文件,解析elf中section信息。
	    -- 	obj = bpf_object__new(path, obj_buf, obj_buf_sz, obj_name);	 //创建并初始化obj结构体
    		  err = bpf_object__elf_init(obj); //读取elf文件
				  err = err ? : bpf_object__check_endianness(obj); //判断大小端
				  err = err ? : bpf_object__elf_collect(obj); //读取elf节信息(license / version / maps / .reloc / .text)
				  err = err ? : bpf_object__collect_externs(obj); //读取btf section
				  err = err ? : bpf_object__finalize_btf(obj);  //读取需要 btf处理的data section
				  err = err ? : bpf_object__init_maps(obj, opts); //读取map信息(user map / global data map / btf map / kconfig map)
				  err = err ? : bpf_object__collect_relos(obj); //读取重定位信息

2.加载obj文件到内核

2.int bpf_object__load(struct bpf_object *obj) //加载第一步生成的obj结构体
  -- bpf_object__load_xattr(struct bpf_object_load_attr *attr) 
      -- 	err = bpf_object__probe_loading(obj);  //加载bpf prog到内核(这里加载的是未经过修改的bpf代码)
          err = err ? : bpf_object__load_vmlinux_btf(obj, false); //读取内核vmlinux信息
          err = err ? : bpf_object__resolve_externs(obj, obj->kconfig); //读取内核kconfig /vmlinux / kallsysm信息
          err = err ? : bpf_object__sanitize_and_load_btf(obj); // BPF_BTF_LOAD 加载btf信息
          err = err ? : bpf_object__sanitize_maps(obj); // 判断内核支持的map种类
          err = err ? : bpf_object__init_kern_struct_ops_maps(obj);
          err = err ? : bpf_object__create_maps(obj); //BPF_MAP_CREATE 创建map
          err = err ? : bpf_object__relocate(obj, attr->target_btf_path); //处理bpf代码重定位信息
          err = err ? : bpf_object__load_progs(obj, attr->log_level); //这里加载经过重定位 btf修改的bpf代码 ****
             -- libbpf__bpf_prog_load(const struct bpf_prog_load_params *load_attr)
                 -- sys_bpf_prog_load(union bpf_attr *attr, unsigned int size) 
                    //调用sys_bpf(BPF_PROG_LOAD, attr, size) 完成bpf prog的加载

union bpf_attr attr;   是一个union结构,根据bpf_type的不同,产生不同的结构,具体可以在kernel source/include/uapi/linux/bpf.h中查看

0x2:内核流程

define __NR_bpf 321  //调用号在x64下为321
static inline int sys_bpf(enum bpf_cmd cmd, union bpf_attr *attr, unsigned int size)
{
return syscall(__NR_bpf, cmd, attr, size);
}

sys_bpf()
	-- __SYS_CALL(_NR_bpf, cmd, attr, size)
  	  -- SYSCALL_DEFINE3(bpf, cmd, uattr, size) 

/kernel/bpf/syscall.c/
SYSCALL_DEFINE3(bpf, int, cmd, union bpf_attr __user *, uattr, unsigned int, size) {
//这个函数就是内核处理应用层bpf相关操作的总入口,根据cmd参数的不同,产生不同结构的struct bpf_attr
    ... ...
 	 	copy_from_user(&attr, uattr, size); //拷贝虚拟地址内容到内核中
    security_bpf(cmd, &attr, size); //LSM 框架支持 截止目前v5.13,只实现了几个函数,和selinux/appamor相差甚远
    switch (cmd) {
    case BPF_MAP_CREATE:
    err = map_create(&attr); //创建map
    break;
    case BPF_PROG_LOAD:
    err = bpf_prog_load(&attr, uattr); //加载bpf程序
    break;
    default:
    err = -EINVAL;
    break;
    }
	  ... ...
} 

重点看看bpf prog加载流程,熟悉verfiy机制和jit机制

static int bpf_prog_load(union bpf_attr *attr, union bpf_attr __user *uattr)
{
   ... ...
   license_is_gpl_compatible(license);  // 开源许可证判断
   if (is_net_admin_prog_type(type) && !capable(CAP_NET_ADMIN) && !capable(CAP_SYS_ADMIN)) //如果是net相关类型,判断所需权限是否满足
   if (is_perfmon_prog_type(type) && !perfmon_capable()) //判断是追踪相关类型,判断所需权限是否满足
   bpf_prog_alloc(bpf_prog_size(attr->insn_cnt), GFP_USER); //给 struct bpf_prog 申请内存,该结构是bpf在内核中的实例
   copy_from_user(prog->insns, u64_to_user_ptr(attr->insns),bpf_prog_insn_size(prog)) //拷贝bpf字节码到内核
   bpf_check(&prog, attr, uattr); //bpf verify机制核心
   		  -- 1.调用replace_map_fd_with_map_ptr将eBPF汇编中的fd替换为对应的map结构体地址。
        -- 2.check_subprogs检查所有条件跳转指令都位于相应subprog内(本eBPF函数内)
        -- 3.check_cfg采用深度优先算法确保函数分支不存在循环和存在执行不到的指令。
        -- 4.do_check函数检查寄存器和参数的合法性。
        -- 5.调用fix_call_args函数对多bpf函数的prog进行jit (多sub prog在这里jit,单prog的在下面bpf_prog_select_runtime进行jit)
   bpf_prog_select_runtime(prog, &err); //bpf jit机制核心,将bpf字节码编译为目标平台汇编代码
   bpf_audit_prog(prog, BPF_AUDIT_LOAD); //打印一条prog load 的 audit信息
   perf_event_bpf_event(prog, PERF_BPF_EVENT_PROG_LOAD, 0); //通过perf机制加载到对应的hook api中
   err = bpf_prog_new_fd(prog);//返回给应用层bpf prog的fd信息,后续应用层用该fd进行操作(详细可以看libbpf如何通过fd操作map)
   ... ...
  }
 struct bpf_prog {
     u16         pages;      /* 分配page数 */
     u16         jited:1,    /* prog是否已经jit过*/
                 jit_requested:1,/* 是否需要jit */
                 undo_set_mem:1, /* Passed set_memory_ro() checkpoint */
                 gpl_compatible:1, /* Is filter GPL compatible? */
                 cb_access:1,    /* Is control block accessed? */
                 dst_needed:1,   /* Do we need dst entry? */
                 blinded:1,  /* 常量致盲 */
                 is_func:1,  /* eBPF func? 大多数情况是 */
                 kprobe_override:1, /* 是否是overrided kprobe */
                 has_callchain_buf:1; /* callchain buffer allocated? */
     enum bpf_prog_type  type;       /* prog类型,eg kprobe 、tracepoint*/
     enum bpf_attach_type    expected_attach_type; /* For some prog types */
     u32         len;        /* eBPF指令个数 */
     u32         jited_len;  /* eBPF汇编指令代码总长度 */
     u8          tag[BPF_TAG_SIZE];
     struct bpf_prog_aux *aux;       /* Auxiliary fields */
     struct sock_fprog_kern  *orig_prog; /* Original BPF program */
     unsigned int        (*bpf_func)(const void *ctx,
                         const struct bpf_insn *insn);/* 存放jit后的可执行汇编 */
     /* 不支持jit,需要模拟,x64支持jit,不需要模拟 */
     union { 
         struct sock_filter  insns[0]; /* 从用户态拷贝来的eBPF原程序 */
         struct bpf_insn     insnsi[0];
     };
 };
第一参数cmd

 enum bpf_cmd {
	BPF_MAP_CREATE,   //前五个是操作Map的
	BPF_MAP_LOOKUP_ELEM,
	BPF_MAP_UPDATE_ELEM,
	BPF_MAP_DELETE_ELEM,
	BPF_MAP_GET_NEXT_KEY,
	BPF_PROG_LOAD, //eBPF字节码加载
	BPF_OBJ_PIN,
	BPF_OBJ_GET,
	BPF_PROG_ATTACH,
	BPF_PROG_DETACH,
	BPF_PROG_TEST_RUN,
	BPF_PROG_GET_NEXT_ID,
	BPF_MAP_GET_NEXT_ID,
	BPF_PROG_GET_FD_BY_ID,
	BPF_MAP_GET_FD_BY_ID,
	BPF_OBJ_GET_INFO_BY_FD,
	BPF_PROG_QUERY,
	BPF_RAW_TRACEPOINT_OPEN,
	BPF_BTF_LOAD, //加载btf信息
	BPF_BTF_GET_FD_BY_ID,
	BPF_TASK_FD_QUERY,
	BPF_MAP_LOOKUP_AND_DELETE_ELEM,
	BPF_MAP_FREEZE,
	BPF_BTF_GET_NEXT_ID,
	BPF_MAP_LOOKUP_BATCH,
	BPF_MAP_LOOKUP_AND_DELETE_BATCH,
	BPF_MAP_UPDATE_BATCH,
	BPF_MAP_DELETE_BATCH,
	BPF_LINK_CREATE,
	BPF_LINK_UPDATE,
	BPF_LINK_GET_FD_BY_ID,
	BPF_LINK_GET_NEXT_ID,
	BPF_ENABLE_STATS,
	BPF_ITER_CREATE,
};
BPF MAP 类型

enum bpf_map_type {
	BPF_MAP_TYPE_UNSPEC = 0,
	BPF_MAP_TYPE_HASH = 1, //哈希表
	BPF_MAP_TYPE_ARRAY = 2, //数组映射,已针对快速查找速度进行了优化,通常用于计数器
	BPF_MAP_TYPE_PROG_ARRAY = 3, //对应eBPF程序的文件描述符数组;用于实现跳转表和子程序以处理特定的数据包协议
	BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY = 4, // linux kernel 4.4 存储指向struct perf_event的指针,用于读取和存储perf事件计数器
	BPF_MAP_TYPE_PERCPU_HASH = 5, //每个CPU的哈希表
	BPF_MAP_TYPE_PERCPU_ARRAY = 6, //每个CPU的数组
	BPF_MAP_TYPE_STACK_TRACE = 7, //存储堆栈跟踪
	BPF_MAP_TYPE_CGROUP_ARRAY = 8, //存储指向控制组的指针
	BPF_MAP_TYPE_LRU_HASH = 9, //仅保留最近使用项目的哈希表
	BPF_MAP_TYPE_LRU_PERCPU_HASH = 10, //每个CPU的哈希表,仅保留最近使用的项目
	BPF_MAP_TYPE_LPM_TRIE = 11, //最长前缀匹配树,适用于将IP地址匹配到某个范围
	BPF_MAP_TYPE_ARRAY_OF_MAPS = 12,
	BPF_MAP_TYPE_HASH_OF_MAPS = 13,
	BPF_MAP_TYPE_DEVMAP = 14, //用于存储和查找网络设备引用
	BPF_MAP_TYPE_SOCKMAP = 15, //存储和查找套接字,并允许使用BPF辅助函数进行套接字重定向
	BPF_MAP_TYPE_CPUMAP = 16,
	BPF_MAP_TYPE_XSKMAP = 17,
	BPF_MAP_TYPE_SOCKHASH = 18,
	BPF_MAP_TYPE_CGROUP_STORAGE = 19,
	BPF_MAP_TYPE_REUSEPORT_SOCKARRAY = 20,
	BPF_MAP_TYPE_PERCPU_CGROUP_STORAGE = 21,
	BPF_MAP_TYPE_QUEUE = 22,
	BPF_MAP_TYPE_STACK = 23,
	BPF_MAP_TYPE_SK_STORAGE = 24,
	BPF_MAP_TYPE_DEVMAP_HASH = 25,
	BPF_MAP_TYPE_STRUCT_OPS = 26,
	BPF_MAP_TYPE_RINGBUF = 27, // linux kernel 5.8 Perf Buffer增强版
	BPF_MAP_TYPE_INODE_STORAGE = 28,
};

详细介绍: BFP MAP介绍

BPF PROG 类型

【helper函数使用范围】不同类型eBPF程序可以使用的eBPF helper函数范围

enum bpf_prog_type {
	BPF_PROG_TYPE_UNSPEC,
	BPF_PROG_TYPE_SOCKET_FILTER, //网络数据包过滤器
	BPF_PROG_TYPE_KPROBE, //确定是否应触发kprobe
	BPF_PROG_TYPE_SCHED_CLS, //网络流量控制分类器
	BPF_PROG_TYPE_SCHED_ACT, //网络流量控制操作
	BPF_PROG_TYPE_TRACEPOINT, //确定是否应触发跟踪点
	BPF_PROG_TYPE_XDP, //从设备驱动程序接收路径运行的网络数据包筛选器
	BPF_PROG_TYPE_PERF_EVENT, //确定是否应该触发性能事件处理程序
	BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SKB, //用于控制组的网络数据包过滤器
	BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SOCK, //用于控制组的网络数据包筛选器,允许修改套接字选项
	BPF_PROG_TYPE_LWT_IN,
	BPF_PROG_TYPE_LWT_OUT,
	BPF_PROG_TYPE_LWT_XMIT,
	BPF_PROG_TYPE_SOCK_OPS,
	BPF_PROG_TYPE_SK_SKB,
	BPF_PROG_TYPE_CGROUP_DEVICE,
	BPF_PROG_TYPE_SK_MSG,
	BPF_PROG_TYPE_RAW_TRACEPOINT,
	BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SOCK_ADDR,
	BPF_PROG_TYPE_LWT_SEG6LOCAL,
	BPF_PROG_TYPE_LIRC_MODE2,
	BPF_PROG_TYPE_SK_REUSEPORT,
	BPF_PROG_TYPE_FLOW_DISSECTOR,
	BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SYSCTL,
	BPF_PROG_TYPE_RAW_TRACEPOINT_WRITABLE,
	BPF_PROG_TYPE_CGROUP_SOCKOPT,
	BPF_PROG_TYPE_TRACING,
	BPF_PROG_TYPE_STRUCT_OPS,
	BPF_PROG_TYPE_EXT,
	BPF_PROG_TYPE_LSM,
};

0x3:BPF寄存器

eBPF从bpf的两个32位寄存器扩展到10个64位寄存器R0~R9和一个只读栈帧寄存器,并支持call指令,更加贴近现代64位处理器硬件

R0对应rax, 函数返回值
R1对应rdi, 函数参数1
R2对应rsi, 函数参数2
R3对应rdx, 函数参数3
R4对应rcx, 函数参数4
R5对应r8, 函数参数5
R6对应rbx, callee保存
R7对应r13, callee保存
R8对应r14, callee保存
R9对应r15, callee保存
R10对应rbp,只读栈帧寄存器

0x4:内核路径

/Documentation/bpf/btf.rst

/include/uapi/linux/bpf_common.h 和 /include/uapi/linux/bpf.h 定义了指令集

/samples/bpf  相关的样例

/tools/bpf/bpftool 工具,用来调试bpf

/tools/testing/selftests/bpf 测试代码

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