深入ftrace uprobe原理和功能介绍

news2024/9/21 0:43:36

上一章我们学习了，kprobe 可以实现动态内核的注入，基于中断的方法在任意指令中插入追踪代码，并且通过 pre_handler/post_handler去接收回调。另一个 kprobe 的同族是 kretprobe，只不过是针对函数级别的内核监控，根据用户注册时提供的 entry_handler 和 ret_handler 来分别在函数进入时和返回前进行回调。

本章的我们来学习uprobe ，顾名思义，相对于内核函数/地址的监控，主要用于用户态函数/地址的监控。听起来是不是有点神奇，内核怎么监控用户态函数的调用呢？本章的内容包括：

如何使用uprobe
内核是如何通过uprobe监控用户态的调用，其原理是如何的

1 如何使用uprobe

站在用户视角，我们先看个简单的例子，假设有这么个一个用户程序:

// test.c
#include <stdio.h>
void foo() {
    printf("hello, uprobe!\n");
}
int main() {
    foo();
    return 0;
}

编译好之后，查看某个符号的地址，然后告诉内核我要监控这个地址的调用:

#gcc test.c -o test
#readelf -s test | grep foo
    56: 000000000000115a    19 FUNC    GLOBAL DEFAULT   14 foo
#echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/events/uprobes/p_test_0x115a/enable
#echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/events/uprobes/p_test_0x115a/enable
#echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on

然后运行用户程序并检查内核的监控返回:

$ ./test && ./test
hello, uprobe!
hello, uprobe!

在这里插入图片描述

对于内核如何使用uprobe，请参考内核文档uprobetracer.html，其使用基本跟kprobe类似

在这里插入图片描述

2 实现原理

上面的接口是基于 tracefs，即读写文件的方式去与内核交互实现 uprobe 监控。

在这里插入图片描述

其中写入 uprobe_events 时会经过一系列内核调用，最终会调用到create_or_delete_trace_uprobe

在这里插入图片描述

对于__trace_uprobe_create跟使用kprobe类似，也是大家使用的三板斧

**alloc_trace_uprobe:**分配 uprobe 结构体

在这里插入图片描述

**register_trace_uprobe:**注册 uprobe：
regiseter_uprobe_event: 将 probe 添加到全局列表中，并创建对应的 uprobe debugfs 目录，即上文示例中的 p_test_0x115a

对于uprobe其实整个流程跟kprobe基本类似，我们重点关注于uprobe_register的函数做了些什么

在这里插入图片描述

当已经注册了 uprobe 的 ELF 程序被执行时，可执行文件会被 mmap 映射到进程的地址空间，同时内核会将该进程虚拟地址空间中对应的 uprobe 地址替换成断点指令。

在这里插入图片描述

与 kprobe 类似，我们可以在触发 uprobe 时候根据对应寄存器去提取当前执行的上下文信息，比如函数的调用参数等。同时 uprobe 也有类似的同族: uretprobe。

通过设置uprobe，我们来看看通过gdb跟踪后，反汇编对应的文件，对于x86平台是不是修改成int3指令，确实是修改成int3指令
在这里插入图片描述

指定位置上的指令，头部修改为软件中断指令（同时原指令存档他处）：

当执行到该位置时，触发软件中断，陷入内核
在内核，执行以注入的 Handler
单步执行原指令
修正寄存器和栈，回到原有指令流

在这里插入图片描述

3 uprobe内核模块验证

我们以ubuntu为试验环境，使用uprobe一般都是编写内核驱动，在模块中定义uprobe_consumer ，然后调用uprobe的API(uprobe_register)来进行注册uprobe

#include <linux/module.h>
#include <linux/ptrace.h>
#include <linux/uprobes.h>
#include <linux/namei.h>
#include <linux/moduleparam.h>

MODULE_AUTHOR("john doe");
MODULE_LICENSE("GPL v2");

static char *filename;
module_param(filename, charp, S_IRUGO);

static long offset;
module_param(offset, long, S_IRUGO);

static int handler_pre(struct uprobe_consumer *self, struct pt_regs *regs){
        pr_info("handler: arg0 = %d arg1 =%d \n", (int)regs->di, (int)regs->si);
        return 0;
}

static int handler_ret(struct uprobe_consumer *self,
                                unsigned long func,
                                struct pt_regs *regs){
        pr_info("ret_handler ret = %d \n", (int)regs->ax);
        return 0;
}

static struct uprobe_consumer uc = {
        .handler = handler_pre,
        .ret_handler = handler_ret,
};


static struct inode *inode;

static int __init uprobe_init(void) {
        struct path path;
        int ret;

        ret = kern_path(filename, LOOKUP_FOLLOW, &path);
        if (ret < 0) {
                pr_err("kern_path failed, returned %d\n", ret);
                return ret;
        }

        inode = igrab(path.dentry->d_inode);
        path_put(&path);

        ret = uprobe_register(inode, offset, &uc);
        if (ret < 0) {
                pr_err("register_uprobe failed, returned %d\n", ret);
                return ret;
        }

        return 0;
}

static void __exit uprobe_exit(void) {
        uprobe_unregister(inode, offset, &uc);
}

module_init(uprobe_init);
module_exit(uprobe_exit);

此外，没有像 Kprobes 那样提供 uretprobe_register，如果 ret_handler 设置为值，则设置uretprobe，生成Makefile

obj-m := hello-uprobe-world.o
KDIR    := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
VERBOSE = 0

all:
        $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) KBUILD_VERBOSE=$(VERBOSE) CONFIG_DEBUG_INFO=y modules
clean:
        rm -f *.o *.ko *.mod.c Module.symvers modules.order

编译生成ko文件：

在这里插入图片描述

准备要跟踪的程序：

#include <stdio.h>

int add(int a, int b) {
        return a + b;
}

int main(void) {
        add(1, 2);
}

安装ko文件，并执行该文件，我们跟踪add函数，其offset可以通过获取

在这里插入图片描述

4 uprobe_event验证

uprobe_events 是一种无需创建内核模块即可使用 Uprobe 的机制。您可以在与 Ftrace 相同的界面中动态创建探测

root@rlk:/sys/kernel/tracing# echo 'p:sample_uprobe /root/Make/main:0x114a %di %si' >  /sys/kernel/debug/tracing/uprobe_events
root@rlk:/sys/kernel/tracing# echo 'r:sample_uretprobe /root/Make/main:0x114a %ax' >>  /sys/kernel/debug/tracing/uprobe_events
root@rlk:/sys/kernel/tracing# echo 1 > /sys/kernel/tracing/events/uprobes/sample_uprobe/enable
root@rlk:/sys/kernel/tracing# echo 1 > /sys/kernel/tracing/events/uprobes/sample_uretprobe/enable

查看结果：

在这里插入图片描述