关于ebpf:ebpfgo-初体验

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前言

咱们在《用 eBPF/XDP 来代替 LVS》系列、《一张图感触实在的 TCP 状态转移》系列，以及《如何终结已存在的 TCP 连贯?》系列文章中，均通过纯 C 语言和 libbpf1 这个库来使用 eBPF。

然而很多的场景中（尤其是云原生场景），咱们出于防止反复造轮子、更快的迭代速度、运行时平安等起因，会抉择 go 语言来进行开发，ebpf-go2 这个库就是以后最好的抉择。

明天，咱们就对 ebpf-go 进行一个初体验，这个体验不是循序渐进的 API 文档，而是通过一个简略的需要，让大家失去一个真切的感触，这个需要就是：统计发向本机的每个 “连贯” 的包数量，并且每新增 5 个 “连贯” 就进行一次数据展现。

体验

依赖

本次体验须要许多前置条件：

  • Linux kernel 版本 5.7 以上，以反对 bpf_link（我是 6.6.5）
  • LLVM 版本 11 以上 (clang and llvm-strip，查看命令 clang --version )
  • libbpf headers (Debian/Ubuntu 是 libbpf-dev，Fedora 是 libbpf-devel)
  • Linux kernel headers (Debian/Ubuntu 是 linux-headers-amd64，Fedora 是 kernel-devel)
  • Go compiler 版本须要反对 ebpf-go (我装置了 GO 1.21，查看命令 go version)

我的项目初始化

# 创立我的项目
mkdir ebpf-go-exp && cd ebpf-go-exp
go mod init ebpf-go-exp
go mod tidy
# 手动引入依赖
go get github.com/cilium/ebpf/cmd/bpf2go

如果依赖下载超时的话，能够设置下代理：go env -w GOPROXY=https://goproxy.cn,direct

代码

C 代码

...

//go:build ignore

struct event {__u32 count;};
const struct event *unused __attribute__((unused));

SEC("xdp") 
int count_packets(struct xdp_md *ctx) {
    __u32 ip;
    __u16 sport;
    __u16 dport;
    if (!parse_ip_src_addr(ctx, &ip, &sport, &dport)){goto done;}
    __u16 r_sport = bpf_ntohs(sport);
    bpf_printk("Process a packet of tuple from %u|%pI4n:%u|%u",ip,&ip,sport,r_sport);
    if(8080 != bpf_ntohs(dport)){goto done;}
    
    struct tuple key;
    __builtin_memset(&key,0,sizeof(key));
    key.addr = ip;
    key.port = sport;

    __u32 *pkt_count = bpf_map_lookup_elem(&pkt_count_map, &key);
    if (!pkt_count) {
        __u32 init_pkt_count = 1;
        bpf_map_update_elem(&pkt_count_map, &key, &init_pkt_count, BPF_NOEXIST);
        __u32 key    = 0; 
        __u64 *count = bpf_map_lookup_elem(&tuple_num, &key); 
        if (count) {__sync_fetch_and_add(count, 1); 
            if(*count % 5 == 0){
                struct event *e;
                e = bpf_ringbuf_reserve(&events, sizeof(struct event), 0);
                if (e){
                    e->count = *count;
                    bpf_ringbuf_submit(e, 0);
                }
            }
        }
    } else {__sync_fetch_and_add(pkt_count, 1);
    }

done:
    return XDP_PASS; 
}

...

Go 代码

...

//go:generate go run github.com/cilium/ebpf/cmd/bpf2go -type event counter counter.c -- -I headers

func main() {
    // Load the compiled eBPF ELF and load it into the kernel.
    var objs counterObjects
    if err := loadCounterObjects(&objs, nil); err != nil {log.Fatal("Loading eBPF objects:", err)
    }
    defer objs.Close()

    ifname := "lo"
    iface, err := net.InterfaceByName(ifname)
    if err != nil {log.Fatalf("Getting interface %s: %s", ifname, err)
    }

    // Attach count_packets to the network interface.
    link, err := link.AttachXDP(link.XDPOptions{
        Program:   objs.CountPackets,
        Interface: iface.Index,
    })
    if err != nil {log.Fatal("Attaching XDP:", err)
    }
    defer link.Close()

    rd, err := ringbuf.NewReader(objs.Events)
    if err != nil {log.Fatalf("opening ringbuf reader: %s", err)
    }
    defer rd.Close()

    stopper := make(chan os.Signal, 1)
    signal.Notify(stopper, os.Interrupt, syscall.SIGTERM)
    go func() {
        <-stopper
        if err := rd.Close(); err != nil {log.Fatalf("closing ringbuf reader: %s", err)
        }
    }()

    log.Println("Waiting for events..")

    // counterEvent is generated by bpf2go.
    var event counterEvent
    for {record, err := rd.Read()
        if err != nil {if errors.Is(err, ringbuf.ErrClosed) {log.Println("Received signal, exiting..")
                return
            }
            log.Printf("reading from reader: %s", err)
            continue
        }
        if err := binary.Read(bytes.NewBuffer(record.RawSample), binary.LittleEndian, &event); err != nil {log.Printf("parsing ringbuf event: %s", err)
            continue
        }
        log.Printf("tuple num: %d", event.Count)

        var (
            key counterTuple
            val uint32
        )
        iter := objs.PktCountMap.Iterate()
        for iter.Next(&key, &val) {
            sourceIP := key.Addr
            sourcePort := key.Port
            packetCount := val
            log.Printf("%d/%s:%d => %d\n", sourceIP, int2ip(sourceIP), sourcePort, packetCount)
        }
    }
}

...

残缺代码在：https://github.com/MageekChiu/epbf-go-exp

运行

# 生成脚手架代码
go generate

# 利用生成的 GO 代码，进行编译和运行
go build && sudo ./ebpf-go-exp

本机运行一个 openresty 并监听 8080 端口，而后重复拜访测试

openresty

curl localhost:8080
curl localhost:8080
...

查看日志

# bpf 输入
bpftool prog tracelog
 bpf_trace_printk: Process a packet of tuple from 16777343|127.0.0.1:31876|33916
 ...
 bpf_trace_printk: Process a packet of tuple from 16777343|127.0.0.1:56449|33244
 ...

# go 输入
Waiting for events..
tuple num: 5
16777343/127.0.0.1:31876 => 7
16777343/127.0.0.1:31364 => 7
16777343/127.0.0.1:56449 => 1
16777343/127.0.0.1:10909 => 7
16777343/127.0.0.1:30340 => 7
...

若迭代过程中，C 代码有变动，则须要执行 go generate，否则仅执行 Go 编译局部即可。

重点解析

  1. c 代码主体和咱们之前系列的文章相似，就是在 xdp hook 点解析出每个报文的四元组，而后存入 pkt_count_map。tuple_num 这个 map 作为全局变量，通过 __sync_fetch_and_add 平安地并发，每当新增 5 个 “连贯” 就向用户空间发送事件。
  2. c 代码中 unused 这个 event 指针必须申明，不然用户态的 go 就拿不到这个数据结构。
  3. c 代码中开始的 ignore 是必须的，防止 go build 报错: C source files not allowed when not using cgo or SWIG
  4. go generate 命令会依据 go 代码中的 go:generate 语句生成脚手架代码，就像 BPF Skeleton3，而后咱们就能够在 go 代码中便捷地拜访 c 中定义的 map，prog 以及一些数据结构。-type event counter 使得 c 中定义的 event 构造体在 go 中就是 counterEvent 构造体。
  5. 内核空间向用户空间发送数据 / 事件能够通过 perfbuf 和 ringbuf 实现，从而防止用户空间轮询数据。这两者尽管性能有不少差异，然而 api 都差不多4。当咱们收到内核的告诉后，通过 Iterate 来遍历统计数据的 map，实现一种相似于推拉联合的架构。

小插曲

如果咱们的 pkt_count_map 这样写的话：

struct tuple key = {ip,bpf_ntohs(sport)};
__u32 *pkt_count = bpf_map_lookup_elem(&pkt_count_map, &key);
if (!pkt_count) {...}else{...}

就可能会得出一个看起来很奇怪的后果：

Waiting for events..
tuple num: 5
16777343/127.0.0.1:60162 => 3
16777343/127.0.0.1:45076 => 3
16777343/127.0.0.1:45082 => 3
16777343/127.0.0.1:60162 => 4
16777343/127.0.0.1:45076 => 4

以及

bpftool map dump name pkt_count_map
[{
        "key": {
            "addr": 16777343,
            "port": 60162
        },
        "value": 3
    },{
        "key": {
            "addr": 16777343,
            "port": 45082
        },
        "value": 3
    },{
        "key": {
            "addr": 16777343,
            "port": 45076
        },
        "value": 3
    },{
        "key": {
            "addr": 16777343,
            "port": 45082
        },
        "value": 4
    },{
        "key": {
            "addr": 16777343,
            "port": 60162
        },
        "value": 4
    },{
        "key": {
            "addr": 16777343,
            "port": 45076
        },
        "value": 4
    }
]

乍一看你会发现 map 的 key 怎么有些反复了？这里先卖个关子，前面有机会再来剖析。

总结

本文咱们理解 ebpf-go 的一些常见用法，让大家对 ebpf-go 有了一个含糊但整体的意识，更多的细节，能够通过官网的文档 5 以及 examples6 进行理解。

下一篇文章，咱们就从实战的角度，看看 cilium7 是怎么通过 ebpf-go 来施展 ebpf 威力的。

参考

  1. https://libbpf.readthedocs.io/ ↩
  2. https://ebpf-go.dev/about/ ↩
  3. https://www.kernel.org/doc/html/next/bpf/libbpf/libbpf_overvi… ↩
  4. https://nakryiko.com/posts/bpf-ringbuf/#bpf-ringbuf-vs-bpf-pe… ↩
  5. https://ebpf-go.dev/guides/getting-started/ ↩
  6. https://github.com/cilium/ebpf/tree/main/examples ↩
  7. https://docs.cilium.io/en/stable/overview/intro/ ↩

正文完
ebpf
发表至： ebpf
2024-02-17
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