ขยายเคอร์เนลด้วย eBPF

จัดทุกอย่างให้เป็นระเบียบอยู่เสมอด้วยคอลเล็กชัน บันทึกและจัดหมวดหมู่เนื้อหาตามค่ากำหนดของคุณ

Extended Berkeley Packet Filter (eBPF) คือเครื่องเสมือนในเคอร์เนลที่รันโปรแกรม eBPF ที่ผู้ใช้ระบุเพื่อขยายฟังก์ชันของเคิร์นัล โปรแกรมเหล่านี้สามารถเชื่อมต่อกับโปรเบสหรือเหตุการณ์ในเคอร์เนล และใช้เพื่อรวบรวมสถิติ เคอร์เนลที่มีประโยชน์ ตรวจสอบ และแก้ไขข้อบกพร่อง ระบบจะโหลดโปรแกรมลงในเคอร์เนลโดยใช้ bpf(2) syscall และผู้ใช้เป็นผู้ระบุเป็นบล็อกไบนารีของคำสั่งเครื่อง eBPF ระบบบิลด์ของ Android รองรับการคอมไพล์โปรแกรม C เป็น eBPF โดยใช้ไวยากรณ์ไฟล์บิลด์แบบง่ายที่อธิบายไว้ในเอกสารนี้

ดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้างภายในและสถาปัตยกรรมของ eBPF ได้ที่ Brendan หน้า eBPF ของ Gregg

Android มีตัวโหลด eBPF และไลบรารีที่โหลด eBPF เมื่อเปิดเครื่อง

ตัวโหลด Android BPF

ระหว่างการบูต Android ระบบจะโหลดโปรแกรม eBPF ทั้งหมดที่อยู่ใน /system/etc/bpf/ โปรแกรมเหล่านี้เป็นออบเจ็กต์ไบนารีที่สร้างโดยระบบบิลด์ของ Android จากโปรแกรม C และมาพร้อมกับไฟล์ Android.bp ในซอร์สโค้ดของ Android ต้นไม้ ระบบบิลด์จะจัดเก็บออบเจ็กต์ที่สร้างขึ้นที่ /system/etc/bpf และออบเจ็กต์เหล่านั้นจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของอิมเมจระบบ

รูปแบบของโปรแกรม Android eBPF C

โปรแกรม eBPF C ต้องมีรูปแบบต่อไปนี้

#include <bpf_helpers.h>

/* Define one or more maps in the maps section, for example
 * define a map of type array int -> uint32_t, with 10 entries
 */
DEFINE_BPF_MAP(name_of_my_map, ARRAY, int, uint32_t, 10);

/* this also defines type-safe accessors:
 *   value * bpf_name_of_my_map_lookup_elem(&key);
 *   int bpf_name_of_my_map_update_elem(&key, &value, flags);
 *   int bpf_name_of_my_map_delete_elem(&key);
 * as such it is heavily suggested to use lowercase *_map names.
 * Also note that due to compiler deficiencies you cannot use a type
 * of 'struct foo' but must instead use just 'foo'.  As such structs
 * must not be defined as 'struct foo {}' and must instead be
 * 'typedef struct {} foo'.
 */

DEFINE_BPF_PROG("PROGTYPE/PROGNAME", AID_*, AID_*, PROGFUNC)(..args..) {
   <body-of-code
    ... read or write to MY_MAPNAME
    ... do other things
   >
}

LICENSE("GPL"); // or other license

สถานที่:

• name_of_my_map คือชื่อของตัวแปรแผนที่ ช่วงเวลานี้ จะบอกตัวโหลด BPF ถึงประเภทของแผนที่ที่จะสร้าง พารามิเตอร์ คําจํากัดความของโครงสร้างนี้มาจากbpf_helpers.h ส่วนหัวที่รวมอยู่ด้วย

• PROGTYPE/PROGNAME แสดงถึงประเภทโปรแกรม และชื่อโปรแกรม ประเภทของโปรแกรมอาจเป็นรายการใดก็ได้ที่ระบุไว้ใน ตารางต่อไปนี้ หากไม่มีประเภทรายการอยู่ในรายการ จะไม่มีการตั้งชื่อที่แน่นอน ที่กำหนดสำหรับโปรแกรมนี้ จะต้องรู้จักชื่อในกระบวนการที่ แนบโปรแกรมมาด้วย

• PROGFUNC คือฟังก์ชันที่เมื่อคอมไพล์แล้วจะวางไว้ในส่วนหนึ่งของไฟล์ที่ได้

ประเภทเพิ่มเติมอาจ จะอยู่ในเครื่องมือโหลด ซอร์สโค้ด

ตัวอย่างเช่น โปรแกรม myschedtp.c ต่อไปนี้เพิ่มข้อมูลเกี่ยวกับ PID ของงานล่าสุดที่ทำงานบน CPU ตัวใดตัวหนึ่ง โปรแกรมนี้บรรลุเป้าหมาย โดยการสร้างแผนที่และกำหนดฟังก์ชัน tp_sched_switch ซึ่งสามารถ แนบอยู่กับเหตุการณ์การติดตาม sched:sched_switch ดูข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่การแนบโปรแกรมกับจุดติดตาม

#include <linux/bpf.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdint.h>
#include <bpf_helpers.h>

DEFINE_BPF_MAP(cpu_pid_map, ARRAY, int, uint32_t, 1024);

struct switch_args {
    unsigned long long ignore;
    char prev_comm[16];
    int prev_pid;
    int prev_prio;
    long long prev_state;
    char next_comm[16];
    int next_pid;
    int next_prio;
};

DEFINE_BPF_PROG("tracepoint/sched/sched_switch", AID_ROOT, AID_SYSTEM, tp_sched_switch)
(struct switch_args *args) {
    int key;
    uint32_t val;

    key = bpf_get_smp_processor_id();
    val = args->next_pid;

    bpf_cpu_pid_map_update_elem(&key, &val, BPF_ANY);
    return 1; // return 1 to avoid blocking simpleperf from receiving events
}

LICENSE("GPL");

ระบบจะใช้มาโครใบอนุญาตเพื่อตรวจสอบว่าโปรแกรมสามารถทำงานร่วมกับ สัญญาอนุญาตของเคอร์เนลเมื่อโปรแกรมใช้ฟังก์ชันตัวช่วย BPF ที่ให้บริการโดย เคอร์เนล ระบุชื่อใบอนุญาตของโปรแกรมในรูปแบบสตริง เช่น LICENSE("GPL") หรือ LICENSE("Apache 2.0")

รูปแบบของไฟล์ Android.bp

คุณต้องอนุญาตให้ระบบบิลด์ของ Android สร้างโปรแกรม eBPF .c สร้างรายการในไฟล์ Android.bp ของโปรเจ็กต์ ตัวอย่างเช่น หากต้องการ สร้างโปรแกรม eBPF C ชื่อ bpf_test.c โปรดทำดังนี้ ข้อมูลในไฟล์ Android.bp ของโครงการของคุณ:

bpf {
    name: "bpf_test.o",
    srcs: ["bpf_test.c"],
    cflags: [
        "-Wall",
        "-Werror",
    ],
}

รายการนี้จะคอมไพล์โปรแกรม C เพื่อสร้างออบเจ็กต์ /system/etc/bpf/bpf_test.o เมื่อเปิดเครื่อง ระบบ Android จะโหลดโดยอัตโนมัติ โปรแกรม bpf_test.o ลงในเคอร์เนล

ไฟล์ที่มีอยู่ใน sysf

ในระหว่างการบูต ระบบ Android จะโหลดออบเจ็กต์ eBPF ทั้งหมดจาก /system/etc/bpf/ โดยอัตโนมัติ สร้างแผนที่ที่โปรแกรมต้องการ และปักหมุดโปรแกรมที่โหลดไว้ด้วยแผนที่ไปยังระบบไฟล์ BPF จากนั้นจะใช้ไฟล์เหล่านี้เพื่อโต้ตอบกับโปรแกรม eBPF หรืออ่านแผนที่เพิ่มเติมได้ ส่วนนี้ อธิบายแบบแผนที่ใช้ในการตั้งชื่อไฟล์เหล่านี้ และตำแหน่งของไฟล์ใน ของช่วง

สร้างและปักหมุดไฟล์ต่อไปนี้

• สำหรับโปรแกรมที่โหลด ให้สมมติว่า PROGNAME เป็นชื่อของโปรแกรมและ FILENAME คือชื่อของไฟล์ eBPF C ซึ่งโปรแกรมโหลด Android จะสร้าง ปักหมุดแต่ละโปรแกรมที่ /sys/fs/bpf/prog_FILENAME_PROGTYPE_PROGNAME

  เช่น สำหรับตัวอย่าง Tracepoint ของ sched_switch ก่อนหน้าใน myschedtp.c ระบบจะสร้างไฟล์โปรแกรมและปักหมุดไว้ที่ /sys/fs/bpf/prog_myschedtp_tracepoint_sched_sched_switch

• สำหรับแผนที่ที่สร้างขึ้น สมมติว่า MAPNAME คือชื่อของแผนที่และ FILENAME คือชื่อของไฟล์ eBPF C ซึ่งโปรแกรมโหลด Android จะสร้าง ปักหมุดแผนที่แต่ละชุดไว้ที่ /sys/fs/bpf/map_FILENAME_MAPNAME

  เช่น สำหรับตัวอย่าง Tracepoint ของ sched_switch ก่อนหน้าใน myschedtp.c ระบบจะสร้างไฟล์แผนที่และปักหมุดไว้ที่ /sys/fs/bpf/map_myschedtp_cpu_pid_map

• bpf_obj_get() ในไลบรารี Android BPF แสดงผลข้อบ่งชี้ไฟล์จาก ปักหมุด /sys/fs/bpf ไฟล์แล้ว ใช้ข้อบ่งชี้ไฟล์นี้ในการดำเนินการเพิ่มเติมได้ เช่น การอ่านแผนที่หรือการติดตั้งโปรแกรมเข้ากับจุดติดตาม

ไลบรารี BPF ของ Android

ไลบรารี BPF ของ Android มีชื่อว่า libbpf_android.so และเป็นส่วนหนึ่งของระบบไฟล์ ไลบรารีนี้มอบความสามารถระดับ eBPF ในระดับต่ำให้แก่ผู้ใช้ สำหรับการสร้างและอ่านแผนที่ การสร้างโพรบ จุดติดตาม และบัฟเฟอร์ Perf

แนบโปรแกรมกับจุดติดตาม

โปรแกรม Tracepoint จะโหลดโดยอัตโนมัติเมื่อเปิดเครื่อง หลังจากโหลดแล้ว ต้องเปิดใช้งานโปรแกรมการติดตามจุดโดยใช้ขั้นตอนต่อไปนี้

1. โทรหา bpf_obj_get() เพื่อขอรับโปรแกรม fd จากตำแหน่งของไฟล์ที่ปักหมุดไว้ ดูข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่ไฟล์ที่มีอยู่ใน sysfs
2. โทรหา bpf_attach_tracepoint() ในคลัง BPF เพื่อส่งให้ผ่านโปรแกรม fd และชื่อการติดตาม

ตัวอย่างโค้ดต่อไปนี้แสดงวิธีแนบ Trackpoint ของ sched_switch ที่กำหนดไว้ในไฟล์แหล่งที่มา myschedtp.c ก่อนหน้า (ระบบจะไม่แสดงการตรวจสอบข้อผิดพลาด):

  char *tp_prog_path = "/sys/fs/bpf/prog_myschedtp_tracepoint_sched_sched_switch";
  char *tp_map_path = "/sys/fs/bpf/map_myschedtp_cpu_pid";

  // Attach tracepoint and wait for 4 seconds
  int mProgFd = bpf_obj_get(tp_prog_path);
  int mMapFd = bpf_obj_get(tp_map_path);
  int ret = bpf_attach_tracepoint(mProgFd, "sched", "sched_switch");
  sleep(4);

  // Read the map to find the last PID that ran on CPU 0
  android::bpf::BpfMap<int, int> myMap(mMapFd);
  printf("last PID running on CPU %d is %d\n", 0, myMap.readValue(0));

อ่านจากแผนที่

แมป BPF รองรับโครงสร้างหรือประเภทคีย์และค่าที่ซับซ้อน ไลบรารี BPF ของ Android มีคลาส android::BpfMap ที่ใช้เทมเพลต C++ เพื่อสร้างอินสแตนซ์ BpfMap โดยอิงตามคีย์และประเภทค่าสำหรับแผนที่ที่เป็นปัญหา ตัวอย่างโค้ดก่อนหน้านี้สาธิตการใช้ BpfMap ที่มีคีย์ และเป็นจำนวนเต็ม จำนวนเต็มอาจเป็นโครงสร้างแบบกำหนดเองได้เช่นกัน

ดังนั้นคลาส BpfMap ที่ใช้เทมเพลตจึงช่วยให้คุณกำหนดออบเจ็กต์ BpfMap ที่กําหนดเองซึ่งเหมาะกับแผนที่หนึ่งๆ ได้ จากนั้นคุณจะเข้าถึงแผนที่ได้โดยใช้ฟังก์ชันที่สร้างขึ้นเองซึ่งจะรับรู้ประเภท ส่งผลให้โค้ดสะอาดขึ้น

ดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ BpfMap ได้ที่ แหล่งที่มาของ Android

แก้ไขข้อบกพร่อง

ในระหว่างการเปิดเครื่อง ระบบจะบันทึกข้อความหลายข้อความที่เกี่ยวข้องกับการโหลด BPF หาก กระบวนการโหลดล้มเหลวไม่ว่าจะด้วยเหตุผลใดก็ตาม มีการแสดงข้อความบันทึกโดยละเอียด ใน Logcat การกรองบันทึก Logcat ตาม bpf จะพิมพ์ข้อความทั้งหมดและ ข้อผิดพลาดโดยละเอียดในระหว่างการโหลด เช่น ข้อผิดพลาดเกี่ยวกับตัวตรวจสอบ eBPF

ตัวอย่างของ eBPF ใน Android

โปรแกรมต่อไปนี้ใน AOSP มีตัวอย่างเพิ่มเติมในการใช้ eBPF

• eBPF C netd โปรแกรม ถูกใช้งานโดย Daemon เครือข่าย (netd) ใน Android เพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ เช่น ในการกรองซ็อกเก็ต และการรวบรวมสถิติ หากต้องการดูวิธีใช้โปรแกรมนี้ ให้ตรวจสอบแหล่งที่มาของเครื่องมือตรวจสอบการเข้าชม eBPF

• time_in_stateโปรแกรม eBPF C จะคำนวณระยะเวลาที่แอป Android ทำงานที่ความถี่ CPU ต่างๆ ซึ่งจะใช้คำนวณพลังงาน

• ใน Android 12 gpu_mem eBPF C โปรแกรม ติดตามการใช้งานหน่วยความจำ GPU ทั้งหมดสำหรับแต่ละกระบวนการและสำหรับทั้งระบบ ช่วงเวลานี้ ที่ใช้ทำโปรไฟล์หน่วยความจำ GPU