探索 Ebpf 在 Node.Js 中的應(yīng)用

作者： theanarkh 2021-12-01 00:05:03

ebpf 是現(xiàn)代 Linux 內(nèi)核提供的非常復(fù)雜和強(qiáng)大的技術(shù)，它使得 Linux 內(nèi)核變得可編程，不再是完全的黑盒子。隨著 ebpf 的發(fā)展和成熟，其應(yīng)用也越來越廣泛，本文介紹如何使用 ebpf 來追蹤 Node.js 底層的代碼。

[[437683]]

前言

介紹

ebpf 的設(shè)計思想雖然很簡單，但是實(shí)現(xiàn)和使用上非常復(fù)雜。ebpf 本質(zhì)上內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了一個虛擬機(jī)，用戶可以把自己編寫的 c 代碼加載進(jìn)內(nèi)核中執(zhí)行，從而參與內(nèi)核的邏輯處理。這聽起來很簡單，但是整個技術(shù)其實(shí)非常復(fù)雜，從實(shí)現(xiàn)來說，內(nèi)核需要對加載的代碼進(jìn)行非常多而復(fù)雜的校驗，以保證安全性，內(nèi)核還需要實(shí)現(xiàn)一個虛擬機(jī)來執(zhí)行用戶的代碼和在內(nèi)核代碼中加入支持 ebpf 機(jī)制的邏輯。從使用來說，使用或編寫 ebpf 代碼對我們來說成本非常高，我們需要學(xué)會搭建環(huán)境，需要了解如何編譯 ebpf 程序，甚至還需要了解 Linux 內(nèi)核的一些知識。不過隨著 ebpf 多年的發(fā)展，這種情況已經(jīng)改善了很多。ebpf 的介紹在網(wǎng)上有很多，這里就不多介紹。

使用

下面來看一下如何基于 libbpf 寫一個 ebpf 程序。ebpf 程序分為兩個部分，第一部分是 ebpf 代碼。hello.bpf.c

#include <linux/bpf.h> 
#include <bpf/bpf_helpers.h> 
 
SEC("tracepoint/syscalls/sys_enter_execve") 
int handle_tp(void *ctx){ 
    int pid = bpf_get_current_pid_tgid()>> 32; 
    char fmt[] = "BPF triggered from PID %d.\n"; 
    bpf_trace_printk(fmt, sizeof(fmt), pid); 
    return 0; 
} 
 
char LICENSE[] SEC("license") = "Dual BSD/GPL";

以上是被加載進(jìn)內(nèi)核執(zhí)行的代碼，主要是利用內(nèi)核的 tracepoint 機(jī)制，給 sys_enter_execve 函數(shù)插入一個鉤子，每次執(zhí)行到這個函數(shù)時，鉤子函數(shù)就會被執(zhí)行。另一部分是負(fù)責(zé)把 ebpf 代碼加載進(jìn)內(nèi)核的代碼。hello.c

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <string.h> 
#include <assert.h> 
#include <errno.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <unistd.h> 
#include <sys/resource.h> 
#include <bpf/libbpf.h> 
#include "hello.skel.h" 
 
int main(int argc, char **argv){ 
    struct hello_bpf *skel; 
    int err; 
 
    /* Open BPF application */ 
    skel = hello_bpf__open(); 
    /* Load & verify BPF programs */ 
    err = hello_bpf__load(skel); 
    /* Attach tracepoint handler */ 
    err = hello_bpf__attach(skel); 
    printf("Hello BPF started, hit Ctrl+C to stop!\n"); 
    // output 
    read_trace_pipe(); 
 
cleanup: 
    hello_bpf__destroy(skel); 
    return -err; 
}

這里只列出核心的代碼，hello.c 的邏輯很簡單，打開 ebpf 然后加載到內(nèi)核，最后查看 ebpf 程序的輸入。這就是 ebpf 程序的整體邏輯，過程都差不多，重點(diǎn)是確定我們需要做什么事情，然后寫不同的代碼。最后，如果不再需要追蹤的時候，可以銷毀 ebpf 代碼。

應(yīng)用

在 ebpf 之前，內(nèi)核對我們來說是一個黑盒子。有了 ebpf 之后，內(nèi)核對我們透明了很多。但是軟件是分層的，我們平時直接和內(nèi)核打交道并不多，我們更關(guān)心上層軟件的情況。具體來說，當(dāng)我們使用一個 Node.js 的時候，除了關(guān)心業(yè)務(wù)代碼，我們也需要關(guān)心 Node.js 本身的代碼。但是 Node.js 對我們來說也是個黑盒子，我們不知道它具體做了什么事情或者某一個時刻的運(yùn)行狀態(tài)，這樣非常不利于我們排查問題或者了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況。有了 ebpf 后，我們就可以做更多的事情了。Linux 內(nèi)核提供了非常多的代碼追蹤技術(shù)，其中有一種是 uprobe，uprobe 是一種動態(tài)追蹤應(yīng)用代碼的技術(shù)，比如我們想了解 Node.js 的 Libuv 中的 uv_tcp_listen 函數(shù)，那么我們就可以通過 ebpf 去實(shí)現(xiàn)這種效果。有了這種能力，我們就可以掌握系統(tǒng)更多的數(shù)據(jù)和信息。

實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用層使用 uprobe 比 kprobe 復(fù)雜，kprobe 是用于追蹤內(nèi)核函數(shù)，因為內(nèi)核知道它的函數(shù)對應(yīng)的虛擬地址，所以我們只需要告訴它函數(shù)名就可以實(shí)現(xiàn)對該函數(shù)的追蹤，但是 uprobe 則不一樣，uprobe 是用于追蹤應(yīng)用層代碼的，內(nèi)核并不知道或者說不應(yīng)該關(guān)注某個函數(shù)對應(yīng)的虛擬地址，所以這個難題需要應(yīng)用層解決。下面來看一下具體的實(shí)現(xiàn)。uprobe.bpf.c

#include <linux/bpf.h> 
#include <linux/ptrace.h> 
#include <bpf/bpf_helpers.h> 
#include <bpf/bpf_tracing.h> 
#include "uv.h" 
 
char LICENSE[] SEC("license") = "Dual BSD/GPL"; 
SEC("uprobe/uv_tcp_listen") 
int BPF_KPROBE(uprobe, uv_tcp_t* tcp, int backlog, uv_connection_cb cb){ 
    bpf_printk("uv_tcp_listen start %d \n", backlog); 
    return 0; 
} 
 
SEC("uretprobe/uv_tcp_listen") 
int BPF_KRETPROBE(uretprobe, int ret){ 
    bpf_printk("uv_tcp_listen end %d \n", ret); 
    return 0; 
}

這里我們實(shí)現(xiàn)了對 libuv 的 uv_tcp_listen 函數(shù)進(jìn)行追蹤，包括函數(shù)開始執(zhí)行和執(zhí)行完畢兩個追蹤點(diǎn)。定義完 ebpf 程序后，來看一下如何加載到內(nèi)核。uprobe.c

int main(int argc, char **argv){ 
    struct uprobe_bpf *skel; 
    long base_addr, uprobe_offset; 
    int err, i; 
        // 要追蹤的可執(zhí)行文件 
    char execpath[50] = "/usr/bin/node"; 
    char * func = "uv_tcp_listen"; 
        // 計算某個函數(shù)在可執(zhí)行文件里的地址偏移 
    uprobe_offset = get_elf_func_offset(execpath, func); 
 
    /* Load and verify BPF application */ 
    skel = uprobe_bpf__open_and_load(); 
 
    /* Attach tracepoint handler */ 
    skel->links.uprobe = bpf_program__attach_uprobe(skel->progs.uprobe, 
                            false /* not uretprobe */, 
                            -1, /* any pid */ 
                            execpath, 
                            uprobe_offset); 
 
    skel->links.uretprobe = bpf_program__attach_uprobe(skel->progs.uretprobe, 
                               true /* uretprobe */, 
                               -1 /* any pid */, 
                               execpath, 
                               uprobe_offset); 
 
        // ... 
cleanup: 
    uprobe_bpf__destroy(skel); 
    return -err; 
}

uprobe.c 的重點(diǎn)在于計算某個函數(shù)在某個可執(zhí)行文件的地址信息，這個主要是利用 elf 文件來判斷，elf 是代碼編譯后生成的一個可執(zhí)行文件，它里面可以記錄了關(guān)于可執(zhí)行文件的一些元數(shù)據(jù)(也可以通過 readelf -Ws exen_file 查看)，比如符號表里記錄了函數(shù)的信息，拿到相關(guān)信息后，設(shè)置 uprobe 和 uretprobe就可以了。通過上面的 ebpf 代碼，我們就可以追蹤到 uv_tcp_listen 函數(shù)的調(diào)用情況，有了這種能力，我們就可以隨便監(jiān)聽自己想監(jiān)聽的函數(shù)。除了 uprobe 之后，我們還可以利用內(nèi)核的 kprobe 監(jiān)聽內(nèi)核函數(shù)。比如下面的 ebpf 代碼就可以實(shí)現(xiàn)對創(chuàng)建進(jìn)程的追蹤。

SEC("kprobe/__x64_sys_execve") 
int BPF_KPROBE(__x64_sys_execve){ 
    pid_t pid; 
    pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32; 
    bpf_printk("KPROBE ENTRY pid = %d", pid); 
    return 0; 
} 
 
SEC("kretprobe/__x64_sys_execve") 
int BPF_KRETPROBE(__x64_sys_execve_exit){ 
    pid_t pid; 
 
    pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32; 
    bpf_printk("KPROBE EXIT: pid = %d\n", pid); 
    return 0; 
}

總結(jié)

簡單地介紹了一下強(qiáng)大的 ebpf 技術(shù)和在 Node.js 中的應(yīng)用，但是這只是個簡單的例子，我們還有很多事情需要做，比如能否結(jié)合 addon 來使用，如何支持動態(tài)能力等等。另外因為 C++ 代碼編譯后的函數(shù)名和原來的是不太一樣的，這可能會導(dǎo)致我們通過函數(shù)名找虛擬地址時找不到，這里也還有很多需要研究的地方。總的來說，ebpf 不僅對 Node.js 來說非常有價值，對其他應(yīng)用層來說意義也是一樣的。這是一個非常值得探索的技術(shù)方向。

代碼倉庫：https://github.com/theanarkh/libbpf-code

責(zé)任編輯：武曉燕來源：編程雜技

Js 應(yīng)用 Ebpf