龙蜥开源内核追踪利器 Surftrace：协议包解析效率提升 10 倍 | 龙蜥技术

Posted 2022-05-21 阿里云云栖号

简介：如何将网络报文与内核协议栈清晰关联起来精准追踪到关注的报文行进路径呢？

文/系统运维 SIG

Surftrace 是由系统运维 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 快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。项目包含 Surftrace 工具集和 pylcc、glcc(python or generic C language for libbpf Compiler Collection)，提供远程和本地 eBPF 的编译能力。

通过对 krobe 和 ftrace 相关功能最大化抽象，同时对各种场景下的追踪能力增强（比如网络协议抓包），使得用户非常快速的上手，对定位问题效率提升 10 倍以上。另外，现如今火到天际的技术——eBPF，Surftrace 支持通过 libbpf 及 CO-RE 能力，对 bpf 的 map 和 prog 等常用函数进行了封装和抽象，基于此平台开发的 libbpf 程序可以无差别运行在各个主流内核版本上，开发、部署和运行效率提升了一个数量级。

Surftrace 最大的优势在于将当前主流的 trace 技术一并提供给广大开发者，可以通过 ftrace 也可以使用 eBPF，应用场景覆盖内存、IO 等 Linux 各个子系统，特别是在网络协议栈跟踪上面，对 skb 内部数据结构，网络字节序处理做到行云流水，把复杂留给自己，简单留给你。今天就让我们来见识一下 Surftrace 在网络领域的强劲表现吧。

一、理解 Linux 内核协议栈

定位网络问题是一个软件开发者必备一项基础技能，诸如 ping 连通性、tcpdump 抓包分析等手段，可以对网络问题进行初步定界。然而，当问题深入内核协议栈内部，如何将网络报文与内核协议栈清晰关联起来，精准追踪到关注的报文行进路径呢？

1.1 网络报文分层结构

引用自《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 均采用一致的报文封装方式，达到跨软件平台通讯的目的。

1.2 sk_buff 结构体

sk_buff 是网络报文在 Linux 内核中的实际承载者，它在 include/linux/skbuff.h 文件中定义，结构体成员较多，本文不逐一展开。

用户需要重点关注下面两个结构体成员：

unsignedchar *head, *data;

其中 head 指向了缓冲区开始，data 指向了当前报文处理所在协议层的起始位置，如当前协议处理位于 tcp 层，data 指针就会指向 struct tcphdr。在 IP 层，则指向了struct iphdr。因此，data 指针成员，是报文在内核处理过程中的关键信标。

1.3 内核网络协议栈地图

下图是协议栈处理地图，可以保存后放大观看（图源网络）。

不难发现，上图中几乎所有函数都涉及到 skb 结构体处理，因此要想深入了解网络报文在内核的处理过程，skb->data 应该就是最理想的引路蜂。

二、Surftrace 对网络报文增强处理

Surftrace 基于 ftrace 封装，采用接近于 C 语言的参数语法风格，将原来繁琐的配置流程优化到一行命令语句完成，极大简化了 ftrace 部署步骤，是一款非常方便的内核追踪工具。但是要追踪网络报文，光解析一个 skb->data 指针是远远不够的。存在以下障碍：

• skb->data 指针在不同网络层指向的协议头并不固定；
• 除了获取当前结构内容，还有获取上一层报文内容的需求，比如一个我们在 udphdr结构体中，是无法直接获取到 udp 报文内容；
• 源数据呈现不够人性化。如 ipv4 报文 IP 是以一个 u32 数据类型，可读性不佳，过滤器配置困难。

针对上述困难，Surftrace 对 skb 传参做了相应的特殊处理，以达到方便易用的效果。

2.1 网络协议层标记处理

以追踪网协议栈报文接收的入口__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 对应报文三层协议成员的方法：

surftrace 'p __netif_receive_skb_core proto=@(struct iphdr *)l3%0->protocol`

协议成员获取方法为 @(struct iphdr *)l3%0->protocol。

tips：

• 可以跨协议层向上解析报文结构体，如在 l3 层去分析 struct icmphdr 中的数据成员
• 不可以跨协议层向下解析报文结构体，如在 l4 层去分析 struct iphdr 中的成员

2.2 扩充下一层报文内容获取方式

surftrace 为 ethhdr、iphdr、icmphdr、udphdr、tcphdr 结构体添加了 xdata 成员，用于获取下一层报文内容。xdata 有以下 5 类类型：

数组下标是按照位宽进行对齐的，比如要提取 icmp 报文中的 2~3 字节内容，组成一个 unsigned short 的数据，可以通过以下方法获取：

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，而我们的操作系统一般采用小端模式。同时，ipv4 采用了一个 unsigned int 数据类型来表示一个 IP，而我们通常习惯采用 1.2.3.4 的方式来表示一个 ipv4 地址。上述差异导致直接去解读网络报文内容的时候非常费力。surftrace 通过往变量增加前缀的方式，在数据呈现以及过滤的时候，将原始数据根据前缀命名规则进行转换，提升可读性和便利性。

2.4  牛刀小试

我们在一个实例上抓到一个非预期的 udp 报文，它会往目标 ip 10.0.1.221 端口号  9988 发送数据，现在想要确定这个报文的发送进程。由于 udp 是一种面向无连接的通讯协议，无法直接通过 netstat 等方式锁定发送者。用 Surftrace 可以在 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'

追踪结果：

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，可以确定报文的发送的 pid 为 2733784，进程名为 nc。

三、实战：定位网络问题

接下来我们从一个实际网络网络问题出发，讲述如何采用 Surftrace 定位网络问题。

3.1 问题背景

我们有两个实例通讯存在性能问题，经抓包排查，确认性能上不去的根因是存在丢包导致的。幸运的是，该问题可以通过 ping 对端复现，确认丢包率在 10% 左右。

通过进一步抓包分析，可以明确报文丢失在实例 B 内部。

通过检查 /proc/net/snmp 以及分析内核日志，没有发现可疑的地方。

3.2 surftrace 跟踪

在 1.1 节的地图中，我们可以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。因此，可以在这个出口先进行 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

可以获取到以下调用栈：

由于问题复现概率比较高，我们可以将怀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，追踪下回包到底消失在哪里。

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可以猜出丢包原因。我们不妨纯粹从代码角度出发，再找一下准确的丢包位置。结合代码分析，我们可以在函数内部找到以下两处 drop 点：

通过 Surftrace 函数内部追踪功能，结合汇编代码信息，可以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，可以结合汇编信息：

找到钩子函数存入的寄存名为 bx，然后通过 surftrace 打印出来。

surftrace 'p dev_queue_xmit+678 pfun=%bx'

然后将 pfun 值在 /proc/kallsyms 查找匹配。

至此可以明确是 htb qdisc 导致丢包。确认相关配置存在问题后，将相关配置回退，网络性能得以恢复。

四、总结

Surftrace 在网络层面的增强，使得用户只需要有相关的网络基础和一定的内核知识储备，就可以用较低编码工作量达到精准追踪网络报文在 Linux 内核的完整处理过程。适合用于追踪 Linux 内核协议栈代码、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】《深入理解 Linux 网络技术内幕》

【4】surftrace readmde：

surftrace/ReadMe.md at master · aliyun/surftrace · GitHub

【5】https://lxr.missinglinkelectronics.com

原文链接

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