LWN: 对BPF tracing进行类型检测

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Type checking for BPF tracing

By Jonathan Corbet
October 28, 2019

原文来自：https://lwn.net/Articles/803258/

译者注：

LWN评论中有一位SystemTap的忠实拥簇在抱怨新的这些tracing工具都不能很好的支持user space tracing。
一位评论者说：所以kernel真的在做一个自己专有的编程语言了？Cyberax回复说：“是的没错，只要加上无限循环的支持，就能跟javascript相媲美了”。。。

BPF在内核里的虚拟机（The BPF in-kernel virtual machine）给内核中其他很多功能模块带来了不少新功能，尤其是对于tracing模块来说。BPF program运行在kernel里，因此需要采取多种措施来确保别导致系统运行中出错，因此BPF verifier会检查每个BPF program的方方面面来确保可以信赖它在kernel运行，不过这里仍有一个漏洞。最近Alexei Starovoitov提出了一组名为“变革bpf tracing”的patch，希望能补上漏洞，消除一类广泛使用的BPF program中的潜在问题。

BPF在tracing应用程序中有密集的使用，目的是从kernel中取得有价值的信息，并且在kernel space来进行data aggregation（数据聚合）。主要有两种变种：如果在kernel里我们关注的位置本身已经有了一个tracepoint，那么可以直接把BPF program挂在这个位置；另外一种情况，就是需要把kprobe放在kernel中任意的位置（仍有例外）用来触发BPF program。在这两种情况下，目前的BPF verifier都对传递给BPF program的数据具体是什么所知甚少。

那么我们考虑这么一种情况，假如有一个trace_kfree_skb tracepoint放在了net_tx_action()中，当这个tracepoint触发的时候，会有两个指针传递给被触发的处理函数（例如BPF program），一个指针是sk_buff结构，放置着所关心的网络数据包，另一个指针指向正在释放这个数据包的函数。这两个指针具体是什么类型的，这个信息并没有得到传递，BPF program只能看到是两个64-bit unsigned int类型的数字。要想访问kernel的对应数据，就先要把整型数字转成相应类型的指针，然后利用bpf_probe_read()之类的helper函数来把指针指向的数据读取出来。可能需要多次调用bpf_probe_read()来把数据结构内部的感兴趣数据读取出来，供tracing program使用。

这里有个问题，BPF program可以把这两个数字直接转换成任意类型，并不一定真是这两个指针的真正类型。如果转错了，BPF program就可能访问了不该访问的东西。最坏情况下，有可能访问到一个memory-mapped I/O区域，导致硬件损坏。通常不认为这是一个安全风险（security issue），因为tracing需要由特权用户才能发起，不过这是一个安全问题（safety issue），这种问题就是BPF verifier希望解决的问题。

自从kernel支持把BPF program挂载在tracepoint和kprobe的第一天起，这个问题就存在了。同时，BPF开发者一直在调查另一个完全不同的问题：BPF program的二进制格式缺乏兼容性。这些program会在kernel里面访问各种数据结构，但是这些结构的位置、格式、内容会随着kernel的config的改变而改变，也会随着底层架构的区别而有不同。可能在某个kernel里面我们关心的数据在结构中的第8个byte，而另一个kernel里面变成了偏移8个byte的位置。如果没有办法能识别出这些偏移的话，BPF使用者只能针对每个不同的目标系统来重新编译BPF program。

因此大家都希望能做到“compile once run everywhere”（只编译一次，就能在任何情况下运行）。在过去几年经过很多努力之后，利用创建一类新的紧凑的、机器可读的内核数据结构描述信息，得到了解决。这个描述信息名为“BPF type format”（BTF），由kernel自己提供，会被user-space的支持库来调用，在加载BPF program程序二进制代码之前预先做一些调整，从而解决了绝大多数的binary portability（二进制兼容性）问题。不过人们发现BTF信息还可以有其他用处。

具体来说，可以用BTF信息来标注tracepoint，注明传给处理函数的数据的类型。这样就能让verifier利用这些信息确保BPF program运行时是在按照正确的数据类型进行访问。并且也能让C handler program能直接利用指针来访问数据。在编译生成BPF program并加载进入kernel的时候，verifier就能在有访问相关数据的时候直接替换成bpf_probe_read()调用，当然也会经过类型检查来确保安全。

最终，BPF tracepoint handler program就能更加安全了，更加不容易写出bug。至于是否能称之为“变革性”的改动，这个值得商榷，不过肯定也算是重大改进了。

不过，可以确定的是，kprobe handler关联的数据访问无法从中受益。因为kprobe可以设置在正在运行的kernel中的任意位置，并且在触发的时候，也会获得访问处理器寄存器内容的权限。目前来说，verifier还是没法知道这些寄存器里面放得是什么内容，因此没法做检查来保护之。也就是说，如果没法修改kernel在感兴趣的地方加上tracepoint，那么所用的BPF program就仍然没法进行类型检查，只能维持现状了。

不论如何，至少有了不少改善了，能够让现有的tracing代码更加安全。目前已经放入bpf-next tree了，除非有些什么最后时刻报出来的问题，否则的话应该能进入5.5 kernel了。

全文完

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