原创Paper | 在 Android 中开发 eBPF 程序学习总结（一）

2023-01-05 20:20:52 浏览数 (1)

作者：Hcamael@知道创宇404实验室 日期：2022年11月4日

最近在研究eBPF，做一下学习笔记。

起因

其实是想学习一下ecapture是怎么实现的，但是实际在我xiaomi 10手机上测试的过程中（已经有root权限）发现，并没办法运行，因为ecapture需要内核开启CONFIG_DEBUG_INFO_BTF，这个配置信息可以通过/proc/config.gz中来查看是否开启。

我的手机的内核版本是4.19，没有开启BTF，但是BPF是开启了的，接着我继续查看ecapture的文档，说如果内核没有开启BTF，需要使用make nocore编译，在github上有提供直接编译好的nocore安卓版，但是测试还是运行不了。接着自己编译了一波，但是仍然失败，感觉可能得严格按文档所述，需要内核版本大于等于5.4。

那么我的手机就没办法运行BPF程序了吗？接着，就开启了我的研究。

Android BPF demo

在网上搜相关的学习资料，BPF相关的资料本身就挺少的，再过滤一下只限制Android平台，就更少了。

而且大部分能搜到的中文资料，都是一堆废话，或者一堆ctrl c, ctrl v的文章，实际有用的太少了。安卓官方的资料中也只有一个简单的demo，而且使用的是Android.bp进行编译的，还需要本地搭建AOSP环境。

AOSP环境搭建

这破环境真是绝了，挂上daili，我装了一个晚上还没好（速度也有4Mb/s了）。然后第二天搜到了能换国内源，下面放一下我的搭建环境的命令：

代码语言：javascript复制
$ apt-get install -y repo
$ export EPO_URL='https://gerrit-googlesource.proxy.ustclug.org/git-repo' 
$ repo init -u git://mirrors.ustc.edu.cn/aosp/platform/manifest -b android-12.1.0_r26
$ repo sync -c -j8

简单的几句命令就好了，但是要注意，内存建议大于16G，硬盘最好200G以上。

使用AOSP环境编译程序

代码语言：javascript复制
# 初始化一下环境变量
$ source build/envsetup.sh    
# 初始化一下你想编译哪个版本的android程序
$ lunch aosp_crosshatch-userdebug

接着后续的测试代码可以参考测试代码，该文章中的代码，在我测试的过程中，没有啥问题，是能正常运行的，但是在第一次编译的时候，可能是AOSP架构的问题，会把整个项目都先编译一次，我安卓也搞的不多，也不知道如果只编译指定项目。不过在第一编译之后，后续只需要使用m name，就可以只编译指定项目了。也是因为要编译整个项目，如果内存小于16G，是会编译失败的，如果本身内存不够，可以增加一下交换分区的大小。

Android上的BPF

通过这个demo，能看出来，android下使用BPF程序的步骤如下：

首先把编译好的bpf.o程序放到/system/etc/bpf/目录下，这就要求我们需要有/system目录的可写权限，但是在我的手机上，就算有root权限了，system目录也没办法写。所以我把手机的系统从MIUI12，刷成了evolution x系统，然后通过adb shell mount -o rw,remount /来重新挂载根目录，这样就能写/system/etc/bpf目录了。使用bpfloader程序，会自动加载/system/etc/bpf目录下的*.o文件，然后会在/sys/fs/bpf目录生成相应的prog_xxx和map_xx文件。我们自己的loader文件需要通过/sys/fs/bpf目录下的那两个文件来和BPF程序进行交互。

深入研究Android下的BPF

我根据Linux下的eBPF文件的资料，自己写了一个DEMO：

BPF程序bpftest.c

代码语言：javascript复制
#include <linux/bpf.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdint.h>
#include <bpf_helpers.h>
#include <string.h>

#define MAX_ARGV 128;

#define bpf_printk(fmt, args...) bpf_trace_printk(fmt, sizeof(fmt), ##args)

struct event_execv
{
    uint32_t pid;
    uint32_t gid;
    char cmd[80];
};

DEFINE_BPF_MAP(execve_map, ARRAY, uint32_t, struct event_execv, 256);

struct execve_args
{
    short common_type;
    char common_flags;
    char common_preempt_count;
    int common_pid;
    long __syscall_nr;
    unsigned long args[6];
};

SEC("tracepoint/raw_syscalls/sys_enter")
int trace_execve_event(struct execve_args *ctx)
{
    struct event_execv event;
    uint32_t key = 1;
    int comm;
    char trace_buf[] = "[Debug] pid = %d, gid = %d, comm=%sn";
    memset(&event, 0, sizeof(event));
    event.pid = bpf_get_current_pid_tgid();
    event.gid = bpf_get_current_uid_gid();

    bpf_execve_map_update_elem(&key, &event, BPF_ANY);
    comm = bpf_get_current_comm(&event.cmd, sizeof(event.cmd));
    if (comm != 0)
    {
        return -1;
    }
    event.cmd[79] = 0;
    bpf_printk(trace_buf, event.pid, event.gid, event.cmd);
    bpf_execve_map_update_elem(&key, &event, BPF_ANY);
    return 0;
}

LICENSE("GPL");

map映射

DEFINE_BPF_MAP是对map相关操作的一个宏定义，可以参考：bpf_helpers.h

代码语言：javascript复制
#define DEFINE_BPF_MAP_NO_ACCESSORS(the_map, TYPE, TypeOfKey, TypeOfValue, num_entries) 
    struct bpf_map_def SEC("maps") the_map = {                                          
            .type = BPF_MAP_TYPE_##TYPE,                                                
            .key_size = sizeof(TypeOfKey),                                              
            .value_size = sizeof(TypeOfValue),                                          
            .max_entries = (num_entries),                                               
    };

#define DEFINE_BPF_MAP(the_map, TYPE, TypeOfKey, TypeOfValue, num_entries)                 
    DEFINE_BPF_MAP_NO_ACCESSORS(the_map, TYPE, TypeOfKey, TypeOfValue, num_entries)        
                                                                                           
    static inline __always_inline __unused TypeOfValue* bpf_##the_map##_lookup_elem(       
            TypeOfKey* k) {                                                                
        return unsafe_bpf_map_lookup_elem(&the_map, k);                                    
    };                                                                                     
                                                                                           
    static inline __always_inline __unused int bpf_##the_map##_update_elem(                
            TypeOfKey* k, TypeOfValue* v, unsigned long long flags) {                      
        return unsafe_bpf_map_update_elem(&the_map, k, v, flags);                          
    };                                                                                     
                                                                                           
    static inline __always_inline __unused int bpf_##the_map##_delete_elem(TypeOfKey* k) { 
        return unsafe_bpf_map_delete_elem(&the_map, k);                                    
    };

比如我上面的代码为：DEFINE_BPF_MAP(execve_map, ARRAY, uint32_t, struct event_execv, 256);

我的map_name为execve_map，所以这个宏定义帮我定义了bpf_execve_map_update_elem这类的函数，帮我定义了结构体：

代码语言：javascript复制
struct bpf_map_def SEC("maps") execve_map = {                            
            .type = BPF_MAP_TYPE_##TYPE,                                
            .key_size = sizeof(TypeOfKey),                              
            .value_size = sizeof(TypeOfValue),                          
            .max_entries = (num_entries),                                
    };

并且在/sys/fs/bpf目录下生成的map文件的结构为：map_(bpf文件名)_(定义的map_name)，假如我编译的bpf文件名为：bpftest.o，放到/system/etc/bpf/目录下，那么在/sys/fs/bpf目录下生成的为：map_bpftest_execve_map。

map可以理解为，内核中的BPF和用户态之间的接口，在内存中是以键值对的形式存在的，按我理解，key和value的类型也是可以自己定义的，可以是int，指针，字符串，或者结构体，因为对于BPF来说，key和value就是内存中的一段值，只需要定义好key和value的size就好了，而在上面的结构体中就定义了key和value的大小。

用户态的loader可以通过/sys/fs/bpf/map_bpftest_execve_map和BPF程序来交换数据。

BPF函数编写

这块知识的文章挺多的，在BPF的函数定义的上头都需要有一个SEC("xxxx")，在最开始的demo中还有另一个写法，以下两种写法是等同的：

代码语言：javascript复制
SEC("tracepoint/sched/sched_switch")
int tp_sched_switch(struct switch_args* args)
{
......
}


DEFINE_BPF_PROG("tracepoint/sched/sched_switch", AID_ROOT, AID_NET_ADMIN, tp_sched_switch) (struct switch_args* args) {
......
}

SEC里面的字符串是为了定义下面的函数是什么类型的BPF程序，因为BPF程序也有很多种类型，比如kprobe, kretprobe, uprobe, uretprobe, tracepoint......。

具体都有啥，可以参见：libbpf.c

再低一点的版本这个结构体的名字叫section_names，不过在我研究了一波之后，我感觉不能通过内核版本来确定我们可以用哪个section，需要通过/sys/kernel/debug/目录下的情况来确定，但是安卓手机上的情况却有一些不同，目录为: /sys/kernel/tracing/，比如我上面代码中的：SEC("tracepoint/raw_syscalls/sys_enter")，是因为有以下目录：/sys/kernel/tracing/events/raw_syscalls/sys_enter/，并且struct execve_args结构体是来源于：/sys/kernel/tracing/events/raw_syscalls/sys_enter/format

目前这种方式我觉得只适用于tracepoint，其他的还没研究到，后续研究到了再补充。

在android上，/sys/fs/bpf/prog_xx的命名方式为：prog_(文件名)_(section名)_(分类，分类名之类的)

比如我的代码中，文件名为bpftest，section名为tracepoint，tracepoint的分类为raw_syscalls，分类名为sys_enter，所以最后得到的文件为：/sys/fs/bpf/prog_bpftest_tracepoint_raw_syscalls_sys_enter

BPF相关函数

bpf的相关函数可以参考bpf_helper_defs.h文件，比如上述的bpf_get_current_pid_tgid，表示获取触发该BPF的程序的pid，bpf_get_current_uid_gid是获取用户的gid，bpf_get_current_comm是获取程序名，还有其他的可以自行去看这个头文件的定义。

日志调试

BPF提供一个bpf_trace_printk函数来打印调试信息，在android下，可以使用atrace命令来读取。

并且我通过strace对atrace进行跟踪发现，其实只需要执行下面两句命令：

代码语言：javascript复制
$ echo 1 > /sys/kernel/tracing/tracing_on
$ cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe

我在想，通过这个调试信息，好像也能把BPF的数据传送给用户态的loader程序。

参考

  1. https://github.com/ehids/ecapture
  2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/482266243
  3. https://github.com/omnirom/android_system_bpf/blob/0706429da9a9fb15d93d8ed8300af77410311a69/progs/include/bpf_helpers.h
  4. https://elixir.bootlin.com/linux/v5.10.150/source/tools/lib/bpf/libbpf.c#L8319
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