龙蜥正式开源Surftrace，协议包解析效率可提升10倍 作者 | 龙蜥社区系统运维 SIG 策划 | 凌敏 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。 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： https://github.com/aliyun/surftrace/blob/master/ReadMe.md 【5】https://lxr.missinglinkelectronics.com 你也「在看」吗？??