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文 / 零碎运维 SIG
Surftrace 是由零碎运维 SIG 推出的一个 ftrace 封装器和开发编译平台，让用户既能基于 libbpf 疾速构建工程进行开发，也能作为 ftrace 的封装器进行 trace 命令编写。我的项目蕴含 Surftrace 工具集和 pylcc、glcc(python or generic C language for libbpf Compiler Collection)，提供近程和本地 eBPF 的编译能力。
通过对 krobe 和 ftrace 相干性能最大化形象，同时对各种场景下的追踪能力加强（比方网络协议抓包），使得用户十分疾速的上手，对定位问题效率晋升 10 倍以上。另外，现如今火到天际的技术——eBPF，Surftrace 反对通过 libbpf 及 CO-RE 能力，对 bpf 的 map 和 prog 等罕用函数进行了封装和形象，基于此平台开发的 libbpf 程序能够无差别运行在各个支流内核版本上，开发、部署和运行效率晋升了一个数量级。
Surftrace 最大的劣势在于将以后支流的 trace 技术一并提供给宽广开发者，能够通过 ftrace 也能够应用 eBPF，利用场景笼罩内存、IO 等 Linux 各个子系统，特地是在网络协议栈跟踪下面，对 skb 外部数据结构，网络字节序解决做到行云流水，把简单留给本人，简略留给你。明天就让咱们来见识一下 Surftrace 在网络畛域的强劲体现吧。
一、了解 Linux 内核协定栈
定位网络问题是一个软件开发者必备一项根底技能，诸如 ping 连通性、tcpdump 抓包剖析等伎俩，能够对网络问题进行初步定界。然而，当问题深刻内核协定栈外部，如何将网络报文与内核协定栈清晰关联起来，精准追踪到关注的报文前进门路呢？
1.1 网络报文分层构造
援用自《TCP/IP 详解》卷一。
如上图所示，网络报文对数据报文数据在不同层进行封装。不同 OS 均采纳统一的报文封装形式，达到跨软件平台通信的目标。
1.2 sk_buff 构造体
sk_buff 是网络报文在 Linux 内核中的理论承载者，它在 include/linux/skbuff.h 文件中定义，构造体成员较多，本文不逐个开展。
用户须要重点关注上面两个构造体成员：
unsignedchar *head, *data;其中 head 指向了缓冲区开始，data 指向了以后报文解决所在协定层的起始地位，如以后协定解决位于 tcp 层，data 指针就会指向 struct tcphdr。在 IP 层，则指向了 struct iphdr。因而，data 指针成员，是报文在内核处理过程中的要害信标。
1.3 内核网络协议栈地图
下图是协定栈解决地图，能够保留后放大观看（图源网络）。
不难发现，上图中简直所有函数都波及到 skb 构造体解决，因而要想深刻理解网络报文在内核的处理过程，skb->data 应该就是最现实的引路蜂。
二、Surftrace 对网络报文加强解决
Surftrace 基于 ftrace 封装，采纳靠近于 C 语言的参数语法格调，将原来繁琐的配置流程优化到一行命令语句实现，极大简化了 ftrace 部署步骤，是一款十分不便的内核追踪工具。然而要追踪网络报文，光解析一个 skb->data 指针是远远不够的。存在以下阻碍：
- skb->data 指针在不同网络层指向的协定头并不固定；
- 除了获取以后构造内容，还有获取上一层报文内容的需要，比方一个咱们在 udphdr 构造体中，是无奈间接获取到 udp 报文内容；
- 源数据出现不够人性化。如 ipv4 报文 IP 是以一个 u32 数据类型，可读性不佳，过滤器配置艰难。
针对上述艰难，Surftrace 对 skb 传参做了相应的非凡解决，以达到不便易用的成果。
2.1 网络协议层标记解决
以追踪网协定栈报文接管的入口__netif_receive_skb_core 函数为例，函数原型定义：
staticint__netif_receive_skb_core(struct sk_buff *skb, bool pfmemalloc, struct packet_type **ppt_prev);解析每个 skb 对应报文三层协定成员的办法：
surftrace 'p __netif_receive_skb_core proto=@(struct iphdr *)l3%0->protocol协定成员获取办法为 @(struct iphdr *)l3%0->protocol。
tips：
- 能够跨协定层向上解析报文构造体，如在 l3 层去剖析 struct icmphdr 中的数据成员
- 不能够跨协定层向下解析报文构造体，如在 l4 层去剖析 struct iphdr 中的成员
2.2 裁减下一层报文内容获取形式
surftrace 为 ethhdr、iphdr、icmphdr、udphdr、tcphdr 构造体增加了 xdata 成员，用于获取下一层报文内容。xdata 有以下 5 类类型：
数组下标是依照位宽进行对齐的，比方要提取 icmp 报文中的 2~3 字节内容，组成一个 unsigned short 的数据，能够通过以下办法获取：
data=@(struct icmphdr*)l3%0->sdata[1]`2.3 IP 和字节序模式转换
网络报文字节序采取的是大端模式，而咱们的操作系统个别采纳小端模式。同时，ipv4 采纳了一个 unsigned int 数据类型来示意一个 IP，而咱们通常习惯采纳 1.2.3.4 的形式来示意一个 ipv4 地址。上述差别导致间接去解读网络报文内容的时候十分费劲。surftrace 通过往变量减少前缀的形式，在数据出现以及过滤的时候，将原始数据依据前缀命名规定进行转换，晋升可读性和便利性。
2.4 牛刀小试
咱们在一个实例上抓到一个非预期的 udp 报文，它会往指标 ip 10.0.1.221 端口号 9988 发送数据，当初想要确定这个报文的发送过程。因为 udp 是一种面向无连贯的通信协定，无奈间接通过 netstat 等形式锁定发送者。
用 Surftrace 能够在 ip_output 函数处中下钩子：
intip_output(struct net *net, struct sock *sk, struct sk_buff *skb)追踪表达式：
surftrace 'p ip_output proto=@(struct iphdr*)l3%2->protocol ip_dst=@(struct iphdr*)l3%2->daddr b16_dest=@(struct udphdr*)l3%2->dest comm=$comm body=@(struct udphdr*)l3%2->Sdata[0] f:proto==17&&ip_dst==10.0.1.221&&b16_dest==9988'追踪后果：
surftrace 'p ip_output proto=@(struct iphdr*)l3%2->protocol ip_dst=@(struct iphdr*)l3%2->daddr b16_dest=@(struct udphdr*)l3%2->dest comm=$comm body=@(struct udphdr*)l3%2->Sdata[0] f:proto==17&&ip_dst==10.0.1.221&&b16_dest==9988' echo 'p:f0 ip_output proto=+0x9(+0xe8(%dx)):u8 ip_dst=+0x10(+0xe8(%dx)):u32 b16_dest=+0x16(+0xe8(%dx)):u16 comm=$comm body=+0x1c(+0xe8(%dx)):string' >> /sys/kernel/debug/tracing/kprobe_events echo 'proto==17&&ip_dst==0xdd01000a&&b16_dest==1063' > /sys/kernel/debug/tracing/instances/surftrace/events/kprobes/f0/filter echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/instances/surftrace/events/kprobes/f0/enable echo 0 > /sys/kernel/debug/tracing/instances/surftrace/options/stacktrace echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/instances/surftrace/tracing_on <...>-2733784 [014] .... 12648619.219880: f0: (ip_output+0x0/0xd0) proto=17 ip_dst=10.0.1.221 b16_dest=9988 comm="nc" body="Hello World\! @"通过上述命令，能够确定报文的发送的 pid 为 2733784，过程名为 nc。
三、实战：定位网络问题
接下来咱们从一个理论网络网络问题登程，讲述如何采纳 Surftrace 定位网络问题。
3.1 问题背景
咱们有两个实例通信存在性能问题，经抓包排查，确认性能上不去的根因是存在丢包导致的。侥幸的是，该问题能够通过 ping 对端复现，确认丢包率在 10% 左右。
通过进一步抓包剖析，能够明确报文失落在实例 B 外部。
通过查看 /proc/net/snmp 以及剖析内核日志，没有发现可疑的中央。
3.2 surftrace 跟踪
在 1.1 节的地图中，咱们能够查到网络报文是内核由 dev_queue_xmit 函数将报文推送到网卡驱动。因而，能够在这个进口先进行 probe，过滤 ping 报文，加上 -s 选项，打出调用栈：
surftrace 'p dev_queue_xmit proto=@(struct iphdr *)l2%0->protocol ip_dst=@(struct iphdr *)l2%0->daddr f:proto==1&&ip_dst==192.168.1.3' -s 能够获取到以下调用栈：
因为问题复现概率比拟高，咱们能够将狐疑的重点方向先放在包发送流程中，即从 icmp_echo 函数往上，用 Surftrace 在每一个符号都加一个 trace 点，追踪下回包到底隐没在哪里。
3.3 锁定丢包点
问题追踪到了这里，对于经验丰富的同学应该是能够猜出丢包起因。咱们无妨纯正从代码角度登程，再找一下精确的丢包地位。联合代码剖析，咱们能够在函数外部找到以下两处 drop 点：
通过 Surftrace 函数外部追踪性能，联合汇编代码信息，能够明确丢包点是出在了 qdisc->enqueue 钩子函数中。
rc = q->enqueue(skb, q, &to_free) & NET_XMIT_MASK; 此时，能够联合汇编信息：
找到钩子函数存入的存放名为 bx，而后通过 surftrace 打印进去。
surftrace 'p dev_queue_xmit+678 pfun=%bx' 而后将 pfun 值在 /proc/kallsyms 查找匹配。
至此能够明确是 htb qdisc 导致丢包。确认相干配置存在问题后，将相干配置回退，网络性能得以复原。
四、总结
Surftrace 在网络层面的加强，使得用户只须要有相干的网络根底和肯定的内核常识储备，就能够用较低编码工作量达到精准追踪网络报文在 Linux 内核的残缺处理过程。适宜用于追踪 Linux 内核协定栈代码、定位深层次网络问题。
参考文献：
【1】《TCP/IP 详解》
【2】《Linux 内核设计与实现》
【3】《深刻了解 Linux 网络技术底细》
【4】surftrace readmde：
https://github.com/aliyun/sur…
【5】https://lxr.missinglinkelectr…
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—— 完 ——