使用Go语言实现eBPF程序内核态与用户态的双向数据交换

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本文永久链接 – https://tonybai.com/2022/07/25/bidirectional-data-exchange-between-kernel-and-user-states-of-ebpf-programs-using-go

在之前的两篇文章中，无论是使用C语言开发eBPF程序，还是使用Go开发的eBPF程序，都是hello world级别的，可能有用，但谈不上十分实用。

通常来说，一个实用的eBPF程序，它的内核态部分与用户态部分是有数据交换的，有了这种数据交换，eBPF才能发挥更大的威力。而要想让eBPF程序具备较强的实用性，eBPF MAP是绕不过去的机制。

在这一篇有关eBPF程序开发的文章中，我们就来看看如何使用Go基于BPF MAP实现eBPF程序内核态与用户态的双向数据交换。

一. why BPF MAP？

永远不要忘记BPF字节码是运行于OS内核态的代码，这就意味着它与用户态是有“泾渭分明”的界限的。我们知道用户态要想访问内核态的数据，通常仅能通过系统调用陷入内核态来实现。因此，在BPF内核态程序中创建的各种变量实例仅能由内核态的代码访问。

那我们如何将BPF代码在内核态获取到的有用的数据返回到用户态用于监控、计算、决策、展示、存储呢？用户态代码又是如何在运行时向内核态传递数据以改变BPF代码的运行策略呢？

Linux内核BPF开发者于是就引入了BPF MAP机制。BPF MAP为BPF程序的内核态与用户态提供了一个双向数据交换的通道。同时由于bpf map存储在内核分配的内存空间，处于内核态，可以被运行于在内核态的多个BPF程序所共享，同样可以作为多个BPF程序交换和共享数据的机制。

二. BPF MAP不是狭义的map数据结构

BPF MAP究竟是什么呢？它不是我们狭义理解的哈希映射表的数据结构，而是一种通用数据结构，可以存储不同类型数据的通用数据结构。用著名内核BPF开发者Andrii Nakryiko的话来说，MAP就是BPF中代表抽象数据容器(abstract data container)的一个概念。

截至目前，内核BPF支持的MAP类型已经有20+种，下面是libbpf中bpf.h中列出的当前支持的MAP类型：

// libbpf/include/uapi/linux/bpf.h
enum bpf_map_type {
    BPF_MAP_TYPE_UNSPEC,
    BPF_MAP_TYPE_HASH,
    BPF_MAP_TYPE_ARRAY,
    BPF_MAP_TYPE_PROG_ARRAY,
    BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY,
    BPF_MAP_TYPE_PERCPU_HASH,
    BPF_MAP_TYPE_PERCPU_ARRAY,
    BPF_MAP_TYPE_STACK_TRACE,
    BPF_MAP_TYPE_CGROUP_ARRAY,
    BPF_MAP_TYPE_LRU_HASH,
    BPF_MAP_TYPE_LRU_PERCPU_HASH,
    BPF_MAP_TYPE_LPM_TRIE,
    BPF_MAP_TYPE_ARRAY_OF_MAPS,
    BPF_MAP_TYPE_HASH_OF_MAPS,
    BPF_MAP_TYPE_DEVMAP,
    BPF_MAP_TYPE_SOCKMAP,
    BPF_MAP_TYPE_CPUMAP,
    BPF_MAP_TYPE_XSKMAP,
    BPF_MAP_TYPE_SOCKHASH,
    BPF_MAP_TYPE_CGROUP_STORAGE,
    BPF_MAP_TYPE_REUSEPORT_SOCKARRAY,
    BPF_MAP_TYPE_PERCPU_CGROUP_STORAGE,
    BPF_MAP_TYPE_QUEUE,
    BPF_MAP_TYPE_STACK,
    BPF_MAP_TYPE_SK_STORAGE,
    BPF_MAP_TYPE_DEVMAP_HASH,
    BPF_MAP_TYPE_STRUCT_OPS,
    BPF_MAP_TYPE_RINGBUF,
    BPF_MAP_TYPE_INODE_STORAGE,
    BPF_MAP_TYPE_TASK_STORAGE,
    BPF_MAP_TYPE_BLOOM_FILTER,
};

这里数据结构类型众多，但不是本文的重点，我们不一一介绍了。其中的BPF_MAP_TYPE_HASH类型是BPF支持的第一种MAP数据结构，这个类型可以理解为我们日常接触的hash映射表，通过键值对的形式索引数据。在后续的例子中我们将使用这种类型的MAP。

那么BPF MAP是如何可以在内核态与用户态共享数据的？原理是什么呢？

从bpf这个系统调用的说明中，我们能找到端倪。下面是bpf系统调用的函数原型：

// https://man7.org/linux/man-pages/man2/bpf.2.html

#include <linux/bpf.h>

int bpf(int cmd, union bpf_attr *attr, unsigned int size);

从bpf的原型来看，似乎比较简单。但bpf其实是一个“富调用”，即不止能干一件事，通过cmd传入的值不同，它可以围绕BPF完成很多事情。最主要的功能是加载bpf程序(cmd=BPF_PROG_LOAD)，其次是围绕MAP的一系列操作，包括创建MAP(cmd=BPF_MAP_CREATE)、MAP元素查询(cmd=BPF_MAP_LOOKUP_ELEM)、MAP元素值更新(cmd=BPF_MAP_UPDATE_ELEM)等。

当cmd=BPF_MAP_CREATE时，即bpf执行创建MAP的操作后，bpf调用会返回一个文件描述符fd，通过该fd后续可以操作新创建的MAP。通过fd访问map，这个很unix！

当然这么底层的系统调用，一般BPF用户态开发人员无需接触到，像libbpf就包装了一系列的map操作函数，这些函数不会暴露map fd给用户，简化了使用方法，提升了使用体验。

下面我们先来看一下如何用C语言实现基于map的BPF用户态与内核态的数据交换。

三. 使用C基于libbpf使用map的示例

这个示例改造自helloworld示例。原helloworld示例在execve这个系统调用被调用时输出一条内核日志(在/sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe中可以查看到)，用户态程序并没有与内核态程序做任何数据交换。

在这个新示例(execve_counter)中，我们依然跟踪系统调用execve，不同的是我们对execve进行调用计数，并将技术存储在BPF MAP中。而用户态部分程序则读取该MAP中的计数并定时输出计数值。

我们先来看看BPF内核态部分的源码：

// https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/ebpf-examples/execve-counter/execve_counter.bpf.c

#include <linux/bpf.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>

typedef __u64 u64;
typedef char stringkey[64];

struct {
    __uint(type, BPF_MAP_TYPE_HASH);
    __uint(max_entries, 128);
    //__type(key, stringkey);
    stringkey* key;
    __type(value, u64);
} execve_counter SEC(".maps");

SEC("tracepoint/syscalls/sys_enter_execve")
int bpf_prog(void *ctx) {
  stringkey key = "execve_counter";
  u64 *v = NULL;
  v = bpf_map_lookup_elem(&execve_counter, &key);
  if (v != NULL) {
    *v += 1;
  }
  return 0;
}

char LICENSE[] SEC("license") = "Dual BSD/GPL";

和helloworld示例不同，我们在新示例中定义了一个map结构execve_counter，通过SEC宏将其标记为BPF MAP变量。

这个map结构有四个字段：

type: 使用的BPF MAP类型(参见前面的bpf_map_type枚举类型)，这里我们使用BPF_MAP_TYPE_HASH，即一个hash散列表结构；
max_entries：map内的key-value对的最大数量；
key: 指向key内存空间的指针。这里我们自定义了一个类型stringkey(char[64])来表示每个key元素的类型；
value: 指向value内存空间的指针，这里value元素的类型为u64，一个64位整型。

内核态函数bpf_prog的实现也比较简单：在上面的map中查询”execve_counter”这个key，如果查到了，则将得到的value指针指向的内存中的值加1。

我们再来看看execve_counter这个示例的用户态部分的程序源码：

// https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/ebpf-examples/execve_counter/execve_counter.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/resource.h>
#include <bpf/libbpf.h>
#include <linux/bpf.h>
#include "execve_counter.skel.h"

typedef __u64 u64;
typedef char stringkey[64];

static int libbpf_print_fn(enum libbpf_print_level level, const char *format, va_list args)
{
    return vfprintf(stderr, format, args);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    struct execve_counter_bpf *skel;
    int err;

    libbpf_set_strict_mode(LIBBPF_STRICT_ALL);
    /* Set up libbpf errors and debug info callback */
    libbpf_set_print(libbpf_print_fn);

    /* Open BPF application */
    skel = execve_counter_bpf__open();
    if (!skel) {
        fprintf(stderr, "Failed to open BPF skeleton\n");
        return 1;
    }

    /* Load & verify BPF programs */
    err = execve_counter_bpf__load(skel);
    if (err) {
        fprintf(stderr, "Failed to load and verify BPF skeleton\n");
        goto cleanup;
    }

    /* init the counter */
    stringkey key = "execve_counter";
    u64 v = 0;
    err = bpf_map__update_elem(skel->maps.execve_counter, &key, sizeof(key), &v, sizeof(v), BPF_ANY);
    if (err != 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to init the counter, %d\n", err);
        goto cleanup;
    }

    /* Attach tracepoint handler */
    err = execve_counter_bpf__attach(skel);
    if (err) {
        fprintf(stderr, "Failed to attach BPF skeleton\n");
        goto cleanup;
    }

    for (;;) {
            // read counter value from map
            err = bpf_map__lookup_elem(skel->maps.execve_counter, &key, sizeof(key), &v, sizeof(v), BPF_ANY);
            if (err != 0) {
               fprintf(stderr, "Lookup key from map error: %d\n", err);
               goto cleanup;
            } else {
               printf("execve_counter is %llu\n", v);
            }

            sleep(5);
    }

cleanup:
    execve_counter_bpf__destroy(skel);
    return -err;
}

map是在execve_counter_bpf__load中完成的创建，跟踪代码你会发现(参考libbpf源码)，最终会调用bpf系统调用创建map。

和helloworld示例不同的是，我们在attach handler之前，先使用libbpf封装的bpf_map__update_elem初始化了bpf map中的key(初始化为0，如果没有这一步，第一次bpf程序执行时，会提示找不到key)。

然后attach handler后，我们在一个循环中每隔5s通过bpf_map__lookup_elem查询一下key=”execve_counter”的值并输出到控制台。

用户态程序之所以可以直接使用map，是因为bpftool基于execve_counter.bpf.c生成的execve_counter.skel.h中包含了map的各种信息。

接下来我们执行make编译一下这个ebpf程序，然后执行并观察输出：

$sudo ./execve_counter
libbpf: loading object 'execve_counter_bpf' from buffer
libbpf: elf: section(3) tracepoint/syscalls/sys_enter_execve, size 192, link 0, flags 6, type=1
libbpf: sec 'tracepoint/syscalls/sys_enter_execve': found program 'bpf_prog' at insn offset 0 (0 bytes), code size 24 insns (192 bytes)
libbpf: elf: section(4) .reltracepoint/syscalls/sys_enter_execve, size 16, link 22, flags 0, type=9
libbpf: elf: section(5) .rodata, size 64, link 0, flags 2, type=1
libbpf: elf: section(6) .maps, size 32, link 0, flags 3, type=1
libbpf: elf: section(7) license, size 13, link 0, flags 3, type=1
libbpf: license of execve_counter_bpf is Dual BSD/GPL
libbpf: elf: section(13) .BTF, size 898, link 0, flags 0, type=1
libbpf: elf: section(15) .BTF.ext, size 176, link 0, flags 0, type=1
libbpf: elf: section(22) .symtab, size 744, link 1, flags 0, type=2
libbpf: looking for externs among 31 symbols...
libbpf: collected 0 externs total
libbpf: map 'execve_counter': at sec_idx 6, offset 0.
libbpf: map 'execve_counter': found type = 1.
libbpf: map 'execve_counter': found key [9], sz = 64.
libbpf: map 'execve_counter': found value [13], sz = 8.
libbpf: map 'execve_counter': found max_entries = 128.
libbpf: map 'execve_c.rodata' (global data): at sec_idx 5, offset 0, flags 480.
libbpf: map 1 is "execve_c.rodata"
libbpf: sec '.reltracepoint/syscalls/sys_enter_execve': collecting relocation for section(3) 'tracepoint/syscalls/sys_enter_execve'
libbpf: sec '.reltracepoint/syscalls/sys_enter_execve': relo #0: insn #15 against 'execve_counter'
libbpf: prog 'bpf_prog': found map 0 (execve_counter, sec 6, off 0) for insn #15
libbpf: map 'execve_counter': created successfully, fd=4
libbpf: map 'execve_c.rodata': created successfully, fd=5
execve_counter is 0
execve_counter is 0
execve_counter is 9
execve_counter is 23
... ...

注：如果不知道如何编译execve_counter这个示例，请先移步《使用C语言从头开发一个Hello World级别的eBPF程序》了解其构建原理。

bpftool工具提供了查看map的特性，我们可以通过它查看示例创建的map：

$sudo bpftool map
114: hash  name execve_counter  flags 0x0
    key 64B  value 8B  max_entries 128  memlock 20480B
    btf_id 120
116: array  name execve_c.rodata  flags 0x80
    key 4B  value 64B  max_entries 1  memlock 4096B
    frozen

我们还可以dump一下整个map：

$sudo bpftool map dump id 114
[{
        "key": "execve_counter",
        "value": 23
    }
]

我们看到，整个map中就一个键值对(key=”execve_counter”)，其值与示例的用户态部分程序输出的一致。

好了，有了C示例作为基础，我们再来看看如何基于Go来实现这个示例。

四. 使用Go基于cilium/ebpf实现execve-counter示例

使用Go开发BPF用户态部分程序要容易的多，cilium/ebpf提供了的包用起来很简单。如果还不知道如何用Go开发ebpf用户态部分的套路，请先移步《使用Go语言开发eBPF程序》一文了解一下。

Go语言示例的必不可少的原料是execve_counter.bpf.c，这个C源码文件与上面的execve_counter示例中的execve_counter.bpf.c的唯一差别就是include的头文件改成了common.h：

$diff execve_counter.bpf.c ../execve-counter/execve_counter.bpf.c
1,2c1,2
<
< #include "common.h"
---
> #include <linux/bpf.h>
> #include <bpf/bpf_helpers.h>

基于原料execve_counter.bpf.c，bpf2go工具会生成用户态部分所需的Go源码，比如：bpfObject中包含的bpf map实例：

// bpfMaps contains all maps after they have been loaded into the kernel.
//
// It can be passed to loadBpfObjects or ebpf.CollectionSpec.LoadAndAssign.
type bpfMaps struct {
    ExecveCounter *ebpf.Map `ebpf:"execve_counter"`
}

最后，我们在main包main函数中直接使用这些生成的与bpf objects相关的Go函数即可，下面是main.go部分源码：

// https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/ebpf-examples/execve-counter-go/main.go

// $BPF_CLANG, $BPF_CFLAGS and $BPF_HEADERS are set by the Makefile.
//go:generate bpf2go -cc $BPF_CLANG -cflags $BPF_CFLAGS -target bpfel,bpfeb bpf execve_counter.bpf.c -- -I $BPF_HEADERS
func main() {
    stopper := make(chan os.Signal, 1)
    signal.Notify(stopper, os.Interrupt, syscall.SIGTERM)

    // Allow the current process to lock memory for eBPF resources.
    if err := rlimit.RemoveMemlock(); err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    // Load pre-compiled programs and maps into the kernel.
    objs := bpfObjects{}
    if err := loadBpfObjects(&objs, nil); err != nil {
        log.Fatalf("loading objects: %s", err)
    }
    defer objs.Close()

    // init the map element
    var key [64]byte
    copy(key[:], []byte("execve_counter"))
    var val int64 = 0
    if err := objs.bpfMaps.ExecveCounter.Put(key, val); err != nil {
        log.Fatalf("init map key error: %s", err)
    }

    // attach to xxx
    kp, err := link.Tracepoint("syscalls", "sys_enter_execve", objs.BpfProg, nil)
    if err != nil {
        log.Fatalf("opening tracepoint: %s", err)
    }
    defer kp.Close()

    ticker := time.NewTicker(5 * time.Second)
    defer ticker.Stop()

    for {
        select {
        case <-ticker.C:
            if err := objs.bpfMaps.ExecveCounter.Lookup(key, &val); err != nil {
                log.Fatalf("reading map error: %s", err)
            }
            log.Printf("execve_counter: %d\n", val)

        case <-stopper:
            // Wait for a signal and close the perf reader,
            // which will interrupt rd.Read() and make the program exit.
            log.Println("Received signal, exiting program..")
            return
        }
    }
}

在main函数，我们通过objs.bpfMaps.ExecveCounter直接访问map实例，并通过其Put和Lookup方法可以直接操作map。这里要注意的是key的类型必须与execve_counter.bpf.c中的key类型(char[64])保持内存布局一致，不能直接用string类型，否则会在执行时报下面错误：

init map key error: can't marshal key: string doesn't marshal to 64 bytes

编译和执行execve-counter-go和helloworld-go别无二致：

$make
$go run -exec sudo main.go bpf_bpfel.go

2022/07/17 16:59:52 execve_counter: 0
2022/07/17 16:59:57 execve_counter: 14
^C2022/07/17 16:59:59 Received signal, exiting program..

本文介绍了eBPF内核态部分与用户态部分进行数据交换的主要方法：BPF MAP机制。这里的MAP不是狭义的一种hash散列表，而是一个抽象数据结构容器，目前支持二十几种数据结构，大家可以根据自己的需求挑选适当的结构（可查询手册了解各种数据结构的特点)。

MAP本质上也是由bpf系统调用创建的，bpf程序只需要声明map的key、value、type等组成信息即可。用户态可以通过bpf系统调用返回的fd操作map，libbpf和cilium/ebpf等封装了对fd的操作，这样简化了API的使用。

内核中map的update操作不是原子的，因此当有多个bpf程序并发访问一个map时，需要同步操作。bpf提供了bpf_spin_lock来实现对map操作的同步。我们可以在value类型中加入bpf_spin_lock来同步对value的修改，就像下面的例子(例子来自《Linux Observability with BPF》一书)：

struct concurrent_element {
    struct bpf_spin_lock semaphore;
    int count;
}

struct bpf_map_def SEC("maps") concurrent_map = {
    .type = BPF_MAP_TYPE_HASH,
    .key_size = sizeof(int),
    .value_size = sizeof(struct concurrent_element),
    .max_entries = 100,
};

int bpf_program(struct pt_regs *ctx) {
      intkey=0;
      struct concurrent_element init_value = {};
      struct concurrent_element *read_value;
      bpf_map_create_elem(&concurrent_map, &key, &init_value, BPF_NOEXIST);
      read_value = bpf_map_lookup_elem(&concurrent_map, &key);
      bpf_spin_lock(&read_value->semaphore);
      read_value->count += 100;
      bpf_spin_unlock(&read_value->semaphore);
}

本文涉及代码可以在这里下载。

六. 参考资料

《揭秘BPF map前生今世》 – https://www.ebpf.top/post/map_internal/
《边缘网络eBPF超能力：eBPF map原理与性能解析》 – https://mp.weixin.qq.com/s/Is84xGHFExE1BPkbPpKjwg
bpf系统调用说明 – https://man7.org/linux/man-pages/man2/bpf.2.html
官方bpf map参考手册 – https://www.kernel.org/doc/html/latest/bpf/maps.html
bpftool参考手册 – https://www.mankier.com/8/bpftool
《Building BPF applications with libbpf-bootstrap》 – https://nakryiko.com/posts/libbpf-bootstrap/#bpf-maps

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一. why BPF MAP？

二. BPF MAP不是狭义的map数据结构

三. 使用C基于libbpf使用map的示例

四. 使用Go基于cilium/ebpf实现execve-counter示例

六. 参考资料

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