从Falco看如何利用eBPF检测系统调用

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一、eBPF

1.1 简介

eBPF是一项革命性的技术，可以在操作系统内核中运行沙盒程序。它用于安全有效地扩展内核的功能，而无需更改内核源代码或加载内核模块。通过允许在操作系统中运行沙箱程序，应用程序开发人员可以运行eBPF程序，以便在运行时向操作系统添加额外的功能。然后，操作系统保证安全性和执行效率，就像在实时(JIT)编译器和验证引擎的帮助下进行本机编译一样。这导致了一波基于eBPF的项目，涵盖了广泛的用例，包括下一代网络、可观察性和安全功能。

eBPF程序是事件驱动的，当内核或应用程序通过某个hook时运行。预定义的hook包括system calls, 函数的entry/exit, kerneltracepoints, network 事件等等。图1展示了eBPF在hook系统调用时程序调用的实际以及如何获取系统的数据。

图1 eBPF在hook系统调用时的执行位置

eBPF可以对接多种类型的探针：

•  Kprobes

•  Kretprobes

•  Tracepoints

•  Uprobes

•  Uretprobes

•  …

eBPF中有两个比较重要的部分：Prog和 Map。

图2 eBPF采用Map实现Prog 之前的数据通信

•  eBPF Prog

为了细分不同类型的eBPF程序，截止到Kernel 5.8， eBPF划分了30种不同的eBPF 程序类型[1]。每种eBPF只能实现的有限的功能 。内核提供了一系列可供eBPF程序调用的内核函数来实现功能的可控，保障eBPF程序的安全性。这些内核函数通常被称为 helper辅助函数[2]。不同类型的程序可以使用不同的helper辅助函数。有关Prog的类型详解：使用场景、函数签名、执行位置及程序示例可以查阅产考文献[3]。

•  eBPF Map

Map是一种用来存储不同数据的动态的数据类型，允许在内核态的程序之间共享数据，也能够在内核态和用户态应用之间共享数据。可以实现用户态和内核态的双向实时通信。

随着版本迭代与功能的扩展细化，目前bpf_map_type已经有28不同类型的map[4]。所以在使用map时，需要根据应用场景指定一个合适的类型。关于BPF Map 类型详解使用可以参考[5]。map大致可以分为下面几种类型：

•  Hash tables, Arrays

•  LRU (Least Recently Used)

•  Ring Buffer

•  Stack Trace

•  LPM (Longest Prefix match)

•  …

1.2编写eBPF

内核中提供了bpf系统调用：

int bpf(int cmd,union bpf_attr *attr,unsigned int size);

但在许多场景中，bpf不是直接使用，而是通过Cilium[6]、bcc[7]或bpftrace[8]，goebpf[9]，libbpf[10]等项目间接使用。这些项目在eBPF之上提供了一个抽象，不需要直接编写程序，而是提供了指定基于意图定义的能力，然后用eBPF实现这些定义。在 linux 源码中的 samples/bpf [11] 目录下可以找到对应的例子。关于eBPF的编写和使用也可以参阅往期文章[12]。

1.3eBPF应用场景

得益于eBPF的强大能力，一大批基于eBPF的优秀开源项目相继涌现，如BPFTrace，Katran[13]，Cilium，Falco[14]，Pixie[15]，eBPF Exporter[16]等等，覆盖观测跟踪，网络，安全等各个方面。在国内，各家云厂商也开始采用eBPF技术来优化系统设计。下面我们将以Falco为例，展示下eBPF是如何实现安全监控的能力的。

二、Falco

2.1 简介

Falco最初是由Sysdig[17]创建的，后来加入CNCF孵化器，成为首个加入CNCF的运行时安全项目。可以实现对调用行为的监控，并依赖于强大的规则引擎，对异常的系统调用行为进行告警。

2.2Falco架构

图3 Falco架构

Falco架构图如图3所示。有关Falco的具体的介绍和使用可以参考往期文章【探索SysdigFalco：容器环境下的异常行为检测工具】，本文重点关注Falco对系统调用的采集。Falco对系统调用的采集有两种模式：

• LKM （Linux Kernel Module）内核扩展模块

• eBPF Probe.

这两种方法在功能上是相同的，但内核模块的效率要高一些，而eBPF方法更安全。

Falco的eBPF模块主要是对内核的静态探针Tracepoints进行hook，之所以没有采用动态探针Kprobes，是因为Kprobes并不是一种稳定的探针，可能会随着内核的迭代更新而新增或者删除，对内核版本的依赖性较高，因此兼容性与稳定性也就较差。

sysdig在他们的官方博客对eBPFdriver的评价[18]如下：

可能是这个星球上最雄心勃勃的、最复杂的eBPF脚本。

下面我们从Falco利用eBPF监控系统调用的代码层面[19]，了解下Falco如何利用eBPF实现系统调用的监控。

Falco主要是使用系统的raw_tracepoint或者tracepoint，这取决于不同内核所能提供的能力。

# 从linux kernel 4.17后，添加了raw_tracepoint类型。
#if LINUX_VERSION_CODE >= KERNEL_VERSION(4, 17,0)
#define BPF_SUPPORTS_RAW_TRACEPOINTS
#endif

#ifdef BPF_SUPPORTS_RAW_TRACEPOINTS
#define TP_NAME "raw_tracepoint/"
#else
#define TP_NAME "tracepoint/"
#endif

#ifdef BPF_SUPPORTS_RAW_TRACEPOINTS
#define BPF_PROBE(prefix,event,type)\
      __bpf_section(TP_NAME #event)int bpf_##event(struct type*ctx)
#else
#define BPF_PROBE(prefix,event,type)\
      __bpf_section(TP_NAME prefix #event)int bpf_##event(struct type*ctx)
#endif

Falco的eBPF驱动提供了以下几种类型的调用采集的能力。

BPF_PROBE("raw_syscalls/", sys_enter, sys_enter_args)
BPF_PROBE("raw_syscalls/", sys_exit, sys_exit_args)
BPF_PROBE("sched/", sched_process_exit, sched_process_exit_args)
BPF_PROBE("sched/", sched_switch, sched_switch_args)
BPF_PROBE("exceptions/", page_fault_user, page_fault_args)
BPF_PROBE("exceptions/", page_fault_kernel, page_fault_args)
BPF_PROBE("signal/", signal_deliver, signal_deliver_args)

下面以tracepoint:syscalls:sys_enter为例分析下，Falco是如何利用eBPF来采集系统调用的详细信息的。

BPF_PROBE("raw_syscalls/", sys_enter, sys_enter_args)
{
      ...
      // 获取系统调用的系统调用相关信息
      id =bpf_syscall_get_nr(ctx);
      sc_evt =get_syscall_info(id);
      evttype = sc_evt->enter_event_type;
      ...
      // 调用具体系统调用的信息采集方法
#ifdef BPF_SUPPORTS_RAW_TRACEPOINTS
      call_filler(ctx, ctx, evt_type, settings, drop_flags);
#else
      /* Duplicated here to avoid verifier madness */
      structsys_enter_args stack_ctx;

      memcpy(stack_ctx.args, ctx->args,sizeof(ctx->args));
      if(stash_args(stack_ctx.args))
            return0;
      call_filler(ctx,&stack_ctx, evt_type, settings, drop_flags);#endif
      return0;
}

可以看到，这只是入口，实际的eBPF的程序是使用bpf_tail_call()尾调用机制调用的。有关bpf_tail_call的介绍可以从参考文献[20]中获取。

static __always_inline void call_filler(void *ctx,
                              void *stack_ctx,
                              enum ppm_event_typeevt_type,
                              struct sysdig_bpf_settings *settings,
                              enum syscall_flags drop_flags)
{
      ...
      bpf_tail_call(ctx,&tail_map, filler_info->filler_id);
      bpf_printk("Can't tail call fillerevt=%d, filler=%d\n",
               state->tail_ctx.evt_type,
               filler_info->filler_id);
      ...}

bpf_tail_call是从tail_map获取指定的BPF 程序执行。tail_map是type为BPF_MAP_TYPE_PROG_ARRAY的map集合。这种类型的 array 存放的是BPF 程序的文件描述符（fd），在尾调用时使用。

struct bpf_map_def __bpf_section("maps") tail_map ={
      .type = BPF_MAP_TYPE_PROG_ARRAY,
      .key_size =sizeof(u32),
      .value_size =sizeof(u32),
      .max_entries = PPM_FILLER_MAX,
};

tail_map中的BPF 程序位于driver/bpf/fillers.h中，考虑代码复用，里面使用了大量的宏定义。

#define FILLER(x,is_syscall)                               \
static__always_inline int__bpf_##x(struct filler_data *data);         \
                                                      \
__bpf_section(TP_NAME "filler/" #x)                         \
static__always_inline int bpf_##x(void*ctx)                     \
{                                                     \
      struct filler_data data;                              \
      intres;                                        \
                                                      \
      res=init_filler_data(ctx,&data,is_syscall);             \
      if(res==PPM_SUCCESS){                             \
            if(!data.state->tail_ctx.len)                        \
                  write_evt_hdr(&data);                     \
            res=__bpf_##x(&data);                         \
      }                                               \
                                                      \
      if(res==PPM_SUCCESS)                               \
            res=push_evt_frame(ctx,&data);               \
                                                      \
      if(data.state)                                       \
            data.state->tail_ctx.prev_res=res;                  \
                                                      \
      bpf_tail_call(ctx,&tail_map,PPM_FILLER_terminate_filler);\
      bpf_printk("Can't tail call terminate filler\n");           \
      return 0;                                       \
}                                                     \
                                                      \
static__always_inline int __bpf_##x(struct filler_data *data)          \

FILLER(sys_open_x,true)
{
      ...
      // 调用参数采集
      res = bpf_val_to_ring(data, dev);
      return res;
}
FILLER(sys_empty,true)
...

可以将宏定义还原后，查看简化的代码结构如下：

static __always_inline int __bpf_sys_open_x(struct filler_data *data);

__bpf_section(TP_NAME "filler/" sys_open_x)
static __always_inline int bpf_sys_open_x(void *ctx)
{
      ...
      // 调用实际的信息获取的方法，采集系统调用信息
      res = __bpf_sys_open_x(&data); 
      ...
      if(res == PPM_SUCCESS)
            // 将采集的数据发送给用户态程序
            res = push_evt_frame(ctx,&data);
      ...
}     

static __always_inline int __bpf_sys_open_x(struct filler_data *data)
{
...
      // 调用参数采集，并将结果填充到data结构体中
      if(retval <0||!bpf_get_fd_dev_ino(retval,&dev,&ino))
            dev =0;
      res = bpf_val_to_ring(data, dev);
      return res;
}
static __always_inline int push_evt_frame(void *ctx,
                                struct filler_data *data)
{
      ...

#ifdef BPF_FORBIDS_ZERO_ACCESS
      int res = bpf_perf_event_output(ctx,
                              &perf_map,
                              BPF_F_CURRENT_CPU,
                              data->buf,
                              ((data->state->tail_ctx.len -1)& SCRATCH_SIZE_MAX)+1);
#else
      int res = bpf_perf_event_output(ctx,
                              &perf_map,
                              BPF_F_CURRENT_CPU,
                              data->buf,
                              data->state->tail_ctx.len & SCRATCH_SIZE_MAX);
#endif

可以看到， push_evt_frame中实际是bpf_perf_event_output()将获取到的数据发送到perf_map，利用perf 缓冲区从内核向用户空间发送数据。但是perf 缓冲区基于单个CPU的设计本身会有一定的缺陷，因此Linux 5.8开始 ，BPF提供了新的数据结构：BPF环形缓冲区（ringbuf）。有兴趣的读者可以从参考文献中了解更为详细的细节。关于BPF perfbuf和ringbuf的详细资料可以参考[21]。

struct bpf_map_def __bpf_section("maps") perf_map ={
      .type = BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY,
      .key_size =sizeof(u32),
      .value_size =sizeof(u32),// 只能是 sizeof(u32) ，代表的是 perf_event 的文件描述符
      .max_entries =0,//是perf_event 的文件描述符数量。
};

perf_map是一个type为BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY的map。与其他array、hash 类型的eBPF map不同，BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY采用bpf_perf_event_output()往map中填充数据。

在这时用户态程序就可以从perf 缓冲区中获取到记录数据，传入Falco的规则引擎中进行匹配分析。

三、总结

如今，eBPF被广泛用于推动各种各样的用例：在现代数据中心和云原生环境中提供高性能网络和负载均衡，以低开销提取细粒度的安全可观察性数据，帮助应用程序开发人员跟踪应用程序，为性能故障排除、预防性应用程序和容器运行时安全实施提供见解等等。

本文以Falco为例，分析了eBPF在安全监控领域的使用方式。这只是eBPF技术的一个很小的应用场景，其他诸如加速网络访问，远程调试程序等等场景使用eBPF技术都能有很好的效果，有兴趣的读者也可以关注下。

参考文献

[1]. https://github.com/iovisor/bcc/blob/master/docs/kernel-versions.md#program-types

[2]. https://man7.org/linux/man-pages/man7/bpf-helpers.7.html

[3]. http://arthurchiao.art/blog/bpf-advanced-notes-1-zh/

[4]. https://github.com/torvalds/linux/blob/v5.8/include/uapi/linux/bpf.h#L122

[5]. http://arthurchiao.art/blog/bpf-advanced-notes-3-zh/#3-bpf_map_type_prog_array

[6]. https://github.com/cilium/cilium

[7]. https://github.com/iovisor/bcc

[8]. https://github.com/iovisor/bpftrace

[9]. https://github.com/dropbox/goebpf

[10]. https://github.com/libbpf/libbpf

[11]. https://github.com/torvalds/linux/tree/master/samples/bpf

[12]. https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyODYzNTU2OA==&mid=2247487440&idx=1&sn=cb6379cfc4a1bba0881363840afc438a&chksm=e84fa90fdf38201990781e3c95d9857e6d4ad083ce40a575e1cbdc12aaabb4f58ba527dc58c1&scene=21#wechat_redirect。

[13]. https://github.com/facebookincubator/katran

[14]. https://github.com/falcosecurity/falco

[15]. https://github.com/pixie-io/pixie

[16]. https://github.com/cloudflare/ebpf_exporter

[17]. https://sysdig.com/

[18]. https://sysdig.com/blog/sysdig-contributes-falco-kernel-ebpf-cncf

[19]. https://github.com/falcosecurity/libs/tree/master/driver/bpf

[20]. https://lwn.net/Articles/645169/

[21]. https://www.ebpf.top/post/bpf_ring_buffer

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