BPF如何在Unix内核实现网络数据包过滤

笔者在很早之前就看eBPF这类似的文章，那时候看这个技术一脸懵逼，不知道它是用来做什么，可以解决什么问题。所以也没有太关注这个技术。很庆幸最近刚好有机会研究这个技术。

什么是BPF

BPF的全称是Berkaley Packet Filter,即伯克利报文过法器，它的设计思想来源于 1992 年Steven McCanne和Van Jacobson写的一篇论文“The BSD packet filter. A New architecture for user-level packet apture' (《BSD数据包过滤器:一种用于用户级数据包捕获的新休系结构》)。最初，BPF是在 BSD 内核实现的，后来，由于其出色的设计思想，其他操作系统也将其引入包括 Linux。

在这篇论文中，作者描述了他们如何在Unix内核实现网络数据包过滤，这种新的技术比当时最先进的数据包过滤技术快20倍。如下图来源于论文：

通俗易懂的理解上图，BPF是作为网络报文传输的旁路链路，当接收到的网络报文到达内阁驱动程序后，网络报文在传输给网络协议栈的同时，会额外将网络报文的副本传输给BPF。之后网络报文会经过BPF程序的内部逻辑进行过滤，最终再送到用户程序。

BPF 在数据包过滤上引入了两大革新：

一个新的虚拟机（VM）设计，可以有效地工作在基于寄存器结构的CPU之上；

应用程序使用缓存只复制与过滤数据包相关的数据，不会复制数据包的所有信息，最大程度地减少BPF处理的数据，提高处理效率。

我们熟悉的tcpdump就是基于BPF技术，好比一个神器站另外一个神器的绝作。

什么是eBPF

BPF发展到现在名称升级为eBPF：「extended Berkeley Packet Filter」。它演进成为了一套通用执行引擎，提供可基于系统或程序事件高效安全执行特定代码的通用能力，通用能力的使用者不再局限于内核开发者。其使用场景不再仅仅是网络分析，可以基于eBPF开发性能分析、系统追踪、网络优化等多种类型的工具和平台。

eBPF原理

** eBPF技术架构图：**

eBPF主要分为用户空间程序与内核程序两大部分：

在用户空间，程序通过LLVM/Clang被编译成eBPF可接受的字节码并提交到内核，以及负责读取内核回传的消息事件或统计信息。eBPF提供了两种内核态与用户态传递数据的方式，内核态可以将自定义perf_event消息事件发往用户态，或用户态通过文件描述符读写存储在内核中的k/v Map数据。

在内核空间，为了稳定与安全，eBPF接收的字节码首先会交给Verifier进行安全验证，如验证程序循环次数，数组越界问题，无法访问的指令等等。只有校验通过的字节码才会提交到内核自带编译器或JIT编译器编译成可直接执行的机器指令。同时，eBPF对提交程序提出限制，如程序大小限制，最大可使用堆栈大小限制，可调用函数限制，循环次数限制等。

从上面的架构图可以看出，eBPF在内核态会依赖内核探针进行工作，其中kprobes实现内核函数动态跟踪；uprobes实现用户函数动态跟踪；tracepoints是内核中的静态跟踪点；perf_events支持定时采样和PMC。

eBPF环境搭建

为了有一个eBPF程序编写验证的平台，我在ubuntu22.04中搭建了eBPF环境，ubuntu22.04安装流程在这里不在过多的介绍。以下的操作都在root用户下执行

更新系统的包索引和包列表：

# apt update

编译 BPF 程序需要系统安装必备的 linux-headers 包：

# sudo apt install linux-headers-$(uname -r)

安装eBPF依赖工具：

# apt install -y bison flex build-essential git cmake make libelf-dev strace tar libfl-dev libssl-dev libedit-dev zlib1g-dev  python  python3-distutils

安装LLVM，并检查一下版本：

# apt install llvm

# llc -version
Ubuntu LLVM version 14.0.0
  
.....
    wasm32     - WebAssembly 32-bit
    wasm64     - WebAssembly 64-bit
    x86        - 32-bit X86: Pentium-Pro and above
    x86-64     - 64-bit X86: EM64T and AMD64
    xcore      - XCore
# 

安装Clang，并检查一下版本：

# apt install clang
# clang -version
Ubuntu clang version 14.0.0-1ubuntu1
Target: x86_64-pc-linux-gnu
Thread model: posix
InstalledDir: /usr/bin
# 

查看但钱ubuntu的内核版本，安装对应的内核源码，并解压源码：

# apt-cache search linux-source
linux-source - Linux kernel source with Ubuntu patches
linux-source-5.19.0 - Linux kernel source for version 5.19.0 with Ubuntu patches
# apt install linux-source-5.19.0
# cd /usr/src
# tar -jxvf linux-source-5.19.0.tar.bz2
# cd linux-source-5.19.0

编译内核源码的bpf模块，如果没有报错，说明已经完成环境搭建：

# cp -v /boot/config-$(uname -r) .config
# make oldconfig && make prepare
# make headers_install
# apt-get install libcap-dev 
# make M=samples/bpf
  CC  samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/cgroup_helpers.o
  CC  samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.o
  CC  samples/bpf/cookie_uid_helper_example.o
  CC  samples/bpf/cpustat_user.o
  CC  samples/bpf/fds_example.o
....

WARNING: Symbol version dump "Module.symvers" is missing.
         Modules may not have dependencies or modversions.
         You may get many unresolved symbol warnings.

eBPF样例编写

在内核源码的samples/bpf目录下提供了很多实例供我们学习，通过目录下的makefile就可以构建里面的bpf程序，如果我们用 C 语言编写的 BPF 程序编译可以直接在该目录提供的环境中进行编译。

samples/bpf 下的程序一般组成方式是 xxx_user.c 和 xxx_kern.c：

xxx_user.c：为用户空间的程序用于设置 BPF 程序的相关配置、加载 BPF 程序至内核、设置 BPF 程序中的 map 值和读取 BPF 程序运行过程中发送至用户空间的消息等。目前 xxx_user.c 与 xxx_kern.c 程序在交互实现都是基于 bpf() 系统调用完成的。直接使用 bpf() 系统调用涉及的参数和细节比较多，使用门槛较高，因此为了方便用户空间程序更加易用，内核提供了 libbpf 库封装了对于 bpf() 系统调用的细节。

xxx_kern.c：为 BPF 程序代码，通过 clang 编译成字节码加载至内核中，在对应事件触发的时候运行，可以接受用户空间程序发送的各种数据，并将运行时产生的数据发送至用户空间程序。

编写一个样例流程，在目录samples/bpf中新建两个文件：youyeetoo_user.c和youyeetoo_kern.c，并且在makefile中加入构建：

youyeetoo_user.c的内容：

#include 
#include 
#include 
#include "trace_helpers.h"

int main(int ac, char **argv)
{
 struct bpf_link *link = NULL;
 struct bpf_program *prog;
 struct bpf_object *obj;
 char filename[256];

 snprintf(filename, sizeof(filename), "%s_kern.o", argv[0]);
 obj = bpf_object__open_file(filename, NULL);
 if (libbpf_get_error(obj)) {
  fprintf(stderr, "ERROR: opening BPF object file failed
");
  return 0;
 }

 prog = bpf_object__find_program_by_name(obj, "bpf_prog");
 if (!prog) {
  fprintf(stderr, "ERROR: finding a prog in obj file failed
");
  goto cleanup;
 }

 /* load BPF program */
 if (bpf_object__load(obj)) {
  fprintf(stderr, "ERROR: loading BPF object file failed
");
  goto cleanup;
 }

 link = bpf_program__attach(prog);
 if (libbpf_get_error(link)) {
  fprintf(stderr, "ERROR: bpf_program__attach failed
");
  link = NULL;
  goto cleanup;
 }

 read_trace_pipe();

cleanup:
 bpf_link__destroy(link);
 bpf_object__close(obj);
 return 0;
}

youyeetoo_kern.c的内容：

#include 
#include 
#include 
#include 

SEC("tracepoint/syscalls/sys_enter_execve")
int bpf_prog1(struct pt_regs *ctx)
{
  char fmt[] = "youyeetoo %s !
";
 char comm[16];
 bpf_get_current_comm(&comm, sizeof(comm));  
  bpf_trace_printk(fmt, sizeof(fmt), comm);
  
 return 0;
}

char _license[] SEC("license") = "GPL";
u32 _version SEC("version") = LINUX_VERSION_CODE;

Makefile 文件修改:

# diff -u Makefile.old Makefile
--- Makefile.old 2021-09-26 03:16:16.883348130 +0000
+++ Makefile 2021-09-26 03:20:46.732277872 +0000
@@ -55,6 +55,7 @@
 tprogs-y += xdp_sample_pkts
 tprogs-y += ibumad
 tprogs-y += hbm
+tprogs-y += youyeetoo

 # Libbpf dependencies
 LIBBPF = $(TOOLS_PATH)/lib/bpf/libbpf.a
@@ -113,6 +114,7 @@
 xdp_sample_pkts-objs := xdp_sample_pkts_user.o
 ibumad-objs := ibumad_user.o
 hbm-objs := hbm.o $(CGROUP_HELPERS)
+youyeetoo-objs := youyeetoo_user.o $(TRACE_HELPERS)

 # Tell kbuild to always build the programs
 always-y := $(tprogs-y)
@@ -174,6 +176,7 @@
 always-y += hbm_out_kern.o
 always-y += hbm_edt_kern.o
 always-y += xdpsock_kern.o
+always-y += youyeetoo_kern.o

 ifeq ($(ARCH), arm)
 # Strip all except -D__LINUX_ARM_ARCH__ option needed to handle linux

eBPF样例验证

编译样例：

# make M=samples/bpf
  CC  samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/cgroup_helpers.o
  CC  samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.o
  CC  samples/bpf/cookie_uid_helper_example.o
  CC  samples/bpf/cpustat_user.o
  CC  samples/bpf/fds_example.o
....
  LD  samples/bpf/youyeetoo
  CLANG-bpf  samples/bpf/youyeetoo_kern.o
WARNING: Symbol version dump "Module.symvers" is missing.
         Modules may not have dependencies or modversions.
         You may get many unresolved symbol warnings.

在samples/bpf下查看编译结果，可以看到youyeetoo可执行文件：

# ls -al youyeetoo*
-rwxr-xr-x 1 root root 407976  6月  9 19:08 youyeetoo
-rw-r--r-- 1 root root    451  6月  9 10:44 youyeetoo_kern.c
-rw-r--r-- 1 root root   5216  6月  9 19:08 youyeetoo_kern.o
-rw-r--r-- 1 root root    997  6月  9 10:40 youyeetoo_user.c
-rw-r--r-- 1 root root   3360  6月  9 19:08 youyeetoo_user.o

在ubuntu中运行两个终端，用来测试youyeetoo：

在终端以运行youyeetoo可执行文件，在终端2中执行任意命令，在终端1查看程序是否能够监测到，如果成功监测到新进程运行便会输出一条“bpf_trace_printk: Hello”

编辑：黄飞