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bpf-developer-tutorial/src/54-exec-image-inspector/README.zh.md
2026-07-21 18:05:31 -07:00

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# eBPF 教程:检查 exec 后实际安装的可执行镜像
当进程调用 `execve` 时,内核会用新的可执行镜像替换它的内存映像。但具体是哪个可执行文件?如果命令行显示 `/usr/bin/wrapper.sh --config /etc/app.conf`,实际运行的代码可能是三层包装脚本深处的 Python 解释器或编译好的二进制。安全工具、容器运行时、故障排查工具都需要知道内核 *实际* 安装的是什么,而不仅仅是用户输入的命令行。
本教程构建一个在内核层面捕获这些信息的工具。它在 exec 提交凭据后挂载钩子,安排一个延迟回调,然后读取已安装可执行文件的 ELF 头部,报告其架构、字节序和文件类型。过程中会演示两个较新的内核特性——BPF task work 和 file dynptr——它们组合起来可以解决传统 eBPF 方案无法处理的问题。
> 完整源码:<https://github.com/eunomia-bpf/bpf-developer-tutorial/tree/main/src/54-exec-image-inspector>
## 问题:从 eBPF 读取文件内容的困难
为什么安全工具需要读取可执行文件的内容,而不仅仅是路径?因为路径本身并不能确定将要运行什么代码。对可执行文件内容的哈希可以验证它是否与已知的可信二进制匹配。嵌入的签名或证书可以证明来源。特定偏移处的特定字节模式可以识别加壳、混淆或篡改。这些信息都无法从路径获取——必须读取文件的字节。在 eBPF 中、在 exec 的精确时刻读取,消除了困扰用户态方案的竞态窗口。
最直接的可执行文件检查方法是读取 `/proc/<pid>/exe`,但这要求进程仍然存活。短命进程在你读取之前就已退出。即使抓住了时机,`/proc` 文件系统是从用户态访问的,与内核的 exec 事件之间存在竞态窗口:等你读到符号链接时,进程可能已经再次调用了 `execve`。
Tracepoint 和 kprobe 可以钩住 `sched_process_exec` 同步观察 exec 事件,但这些钩子运行在内核所谓的**不可睡眠上下文**中。为什么这很重要?这涉及到 Linux 如何管理内存中的文件数据。
当你读取文件时,内核首先检查请求的字节是否已经在**页缓存**(page cache)中——这是一块缓存最近访问过的文件数据的内存区域。如果在,读取立即完成。如果不在(即**冷页**),内核必须向存储设备发起 I/O 请求,调用上下文必须**睡眠**等待 I/O 完成。
挂载在 tracepoint 和 kprobe 上的 BPF 程序不能睡眠。它们运行时可能中断被禁用、持有锁;如果睡眠会导致系统死锁。当 BPF 程序尝试读取文件内容遇到冷页时,读取会以 `-EFAULT` 失败,而不是等待 I/O。
这就形成了根本性的限制:你可以观察 exec 事件,但无法可靠地读取可执行文件的内容来验证其 ELF 头部或检查嵌入的元数据。
## 解决方案:BPF task work 与 file dynptr
Linux 6.18 引入了 **BPF task work**,这是一种让 BPF 程序安排回调稍后在安全的可睡眠上下文中执行的机制。回调会在目标任务返回用户态之前、内核允许睡眠的时刻执行。
Linux 6.19 引入了 **file dynptr**,提供验证器跟踪的文件数据访问。dynptr(动态指针)是一种 BPF 抽象,在验证时追踪指针的边界;file 变体封装了文件 I/O 操作,让验证器能确保内存安全。
结合这两个特性,设计变成:
1. 在 `bprm_committed_creds` 挂载 LSM 钩子,它在 exec 安装新凭据后触发
2. 在钩子中(不可睡眠)识别目标进程并安排 task work 回调
3. 回调在可睡眠上下文中执行,可以访问已安装的可执行文件、读取任意偏移的内容(包括冷页)、然后把结果发送给用户态
这种分离——在不可睡眠的钩子中识别目标,在可睡眠的回调中完成重活——是关键思路。
## BPF task work 的工作机制
调用 `bpf_task_work_schedule_signal(task, work, map, callback)` 时,内核把你的回调关联到指定的任务。回调不会立即执行;它会稍后在该任务返回用户态之前的某个安全点执行。
`struct bpf_task_work` 是一个不透明结构,内核用它来追踪已安排的回调。BPF 程序只需为它分配存储空间,不解释其内容。本工具使用单元素 ARRAY map 保存 `struct exec_work`,其中包含 `bpf_task_work` 存储以及时间戳和中间结果字段。
回调签名是 `int callback(struct bpf_map *map, void *key, void *value)`。`value` 参数指向包含你的 `bpf_task_work` 的 map 元素,所以你可以通过周围的字段从调度钩子向回调传递数据。
## file dynptr 的工作机制
dynptr 用边界信息包装指针,BPF 验证器可以追踪这些边界。对于 file dynptr:
- `bpf_dynptr_from_file(file, flags, dynptr)` 从文件创建 dynptr
- `bpf_dynptr_read(dst, len, dynptr, offset, flags)` 读取指定偏移处的内容
- `bpf_dynptr_file_discard(dynptr)` 释放 dynptr 的内部状态
每条创建 dynptr 的路径——包括错误路径——都必须调用 `bpf_dynptr_file_discard` 来释放它。忘记释放会泄漏内部资源。
在不可睡眠上下文中,`bpf_dynptr_read` 只有在目标字节已经在页缓存中时才会成功。访问冷页返回 `-EFAULT`。在可睡眠上下文中,同样的调用可以触发缺页处理并等待 I/O,即使对冷页也能成功。这个差异就是 task work 的价值所在:回调运行在可睡眠上下文中,文件读取能可靠完成。
## 工具架构
用户态程序 fork 出一个子进程,但在子进程调用 `execvp` 之前用管道阻塞它。这给父进程时间去:
1. 记录子进程的 PID(它会成为 TGID——线程组 ID)
2. 打开 BPF skeleton 并把目标 TGID 写入只读数据段
3. 加载并挂载 BPF 程序
4. 创建 ring buffer reader
只有这些都完成后,父进程才通过写管道来释放子进程。这个握手消除了竞态条件:没有它的话,快速退出的命令可能在 BPF 程序挂载之前就结束了。
当子进程调用 `execvp` 时,`lsm/bprm_committed_creds` 钩子触发。BPF 程序比较当前 TGID 与配置的目标;如果匹配,它记录时间戳并安排 task work 回调。
回调——`inspect_executable`——在子进程的可睡眠上下文中执行。它:
1. 调用 `bpf_get_task_exe_file` 获取已安装的可执行文件(返回一个带引用的 `struct file`,必须用 `bpf_put_file` 释放)
2. 用 `bpf_path_d_path` 解析路径
3. 创建 file dynptr 并读取 64 字节 ELF 头部
4. 解析 ELF 字段:魔数、class(32/64 位)、data(字节序)、type(可执行文件 vs 共享对象)、machine(架构)
5. 通过 ring buffer 发送事件
用户态一边轮询 ring buffer 一边检查子进程是否已退出。单个子进程可能多次 exec(例如 `/bin/sh -c 'exec /bin/true'` 先 exec shell,然后 exec `/bin/true`),所以在子进程退出后,工具会取尽 ring buffer 中的剩余事件。
![exec 镜像检查器数据流](https://github.com/eunomia-bpf/bpf-developer-tutorial/raw/main/src/54-exec-image-inspector/exec-image-flow.png)
## 代码详解
实现分布在四个文件中:共享头文件、新内核接口的兼容性头文件、BPF 程序、用户态加载器。
### 共享头文件
`exec_image_inspector.h` 定义 BPF 和用户态共享的结构:
```c
/* SPDX-License-Identifier: (LGPL-2.1 OR BSD-2-Clause) */
#ifndef __EXEC_IMAGE_INSPECTOR_H
#define __EXEC_IMAGE_INSPECTOR_H
#define EXEC_COMM_LEN 16
#define EXEC_PATH_LEN 256
#define EXEC_PROBE_LEN 8
struct exec_event {
unsigned int pid;
unsigned int tgid;
unsigned char is_elf;
unsigned char elf_class;
unsigned char elf_data;
unsigned char reserved;
unsigned short elf_type;
unsigned short elf_machine;
int header_error;
int path_error;
int direct_probe_error;
int deferred_probe_error;
unsigned long long latency_ns;
unsigned long long probe_offset;
char comm[EXEC_COMM_LEN];
char path[EXEC_PATH_LEN];
unsigned char probe_bytes[EXEC_PROBE_LEN];
};
struct inspector_stats {
unsigned long long matched;
unsigned long long scheduled;
unsigned long long schedule_errors;
unsigned long long callbacks;
unsigned long long header_errors;
unsigned long long path_errors;
unsigned long long direct_probes;
unsigned long long direct_probe_errors;
unsigned long long deferred_probes;
unsigned long long deferred_probe_errors;
unsigned long long dropped;
};
#endif /* __EXEC_IMAGE_INSPECTOR_H */
```
`exec_event` 携带报告一次 exec 所需的全部信息:进程标识符、解析后的路径、ELF 元数据、错误码。`inspector_stats` 累计各种计数器,用户态在退出时从 BSS 段读取并报告成功和失败率。
### 兼容性头文件
仓库的 vendored vmlinux 头文件早于 Linux 6.18/6.19,所以 `bpf_experimental.h` 在本地声明新接口:
```c
/* SPDX-License-Identifier: (LGPL-2.1 OR BSD-2-Clause) */
#ifndef __EXEC_IMAGE_INSPECTOR_BPF_EXPERIMENTAL_H
#define __EXEC_IMAGE_INSPECTOR_BPF_EXPERIMENTAL_H
/*
* These Linux 6.18/6.19 declarations are not present in the repository's
* older generated UAPI and vmlinux headers. Keep them local until those
* vendored headers are regenerated.
*/
struct bpf_task_work {
__u64 opaque;
} __attribute__((aligned(8)));
typedef int (*bpf_task_work_callback_t)(struct bpf_map *map, void *key,
void *value);
extern int bpf_task_work_schedule_signal(struct task_struct *task,
struct bpf_task_work *work,
void *map__map,
bpf_task_work_callback_t callback) __ksym;
extern struct file *bpf_get_task_exe_file(struct task_struct *task) __ksym;
extern void bpf_put_file(struct file *file) __ksym;
extern int bpf_path_d_path(const struct path *path, char *buf,
__u64 buf__sz) __ksym;
extern int bpf_dynptr_from_file(struct file *file, __u32 flags,
struct bpf_dynptr *ptr__uninit) __ksym;
extern int bpf_dynptr_file_discard(struct bpf_dynptr *dynptr) __ksym;
#endif /* __EXEC_IMAGE_INSPECTOR_BPF_EXPERIMENTAL_H */
```
这些声明用 `__ksym` 标记为在加载时解析的内核符号。等仓库的 vmlinux 头文件从 6.19+ 内核重新生成后,这个文件可以移除。
### BPF 程序
`exec_image_inspector.bpf.c` 实现 LSM 钩子和 task work 回调:
```c
// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
#include "vmlinux.h"
#include <bpf/bpf_helpers.h>
#include <bpf/bpf_tracing.h>
#include "bpf_experimental.h"
#include "exec_image_inspector.h"
char LICENSE[] SEC("license") = "GPL";
#define ENOENT 2
#define EI_CLASS 4
#define EI_DATA 5
#define ELFCLASS32 1
#define ELFCLASS64 2
#define ELFDATA2LSB 1
#define ELFDATA2MSB 2
const volatile __u32 target_tgid;
const volatile __u32 probe_offset;
struct inspector_stats stats;
struct {
__uint(type, BPF_MAP_TYPE_RINGBUF);
__uint(max_entries, 256 * 1024);
} events SEC(".maps");
struct exec_work {
__u64 scheduled_ns;
int direct_probe_error;
struct bpf_task_work work;
};
struct {
__uint(type, BPF_MAP_TYPE_ARRAY);
__uint(max_entries, 1);
__type(key, __u32);
__type(value, struct exec_work);
} pending SEC(".maps");
static __u16 read_elf_u16(const unsigned char *header, int offset, __u8 data)
{
if (data == ELFDATA2MSB)
return ((__u16)header[offset] << 8) | header[offset + 1];
return header[offset] | ((__u16)header[offset + 1] << 8);
}
static int probe_file_without_sleep(struct file *file)
{
unsigned char sample[EXEC_PROBE_LEN];
struct bpf_dynptr dynptr;
int err;
if (!probe_offset)
return 0;
__sync_fetch_and_add(&stats.direct_probes, 1);
if (!file) {
err = -ENOENT;
goto record;
}
err = bpf_dynptr_from_file(file, 0, &dynptr);
if (err) {
bpf_dynptr_file_discard(&dynptr);
goto record;
}
err = bpf_dynptr_read(sample, sizeof(sample), &dynptr, probe_offset, 0);
bpf_dynptr_file_discard(&dynptr);
record:
if (err)
__sync_fetch_and_add(&stats.direct_probe_errors, 1);
return err;
}
static int inspect_executable(struct bpf_map *map, void *key, void *value)
{
unsigned char header[64] = {};
struct exec_work *work = value;
struct exec_event event = {};
struct task_struct *task;
struct bpf_dynptr dynptr;
struct file *file;
__u64 pid_tgid;
int err;
(void)map;
(void)key;
__sync_fetch_and_add(&stats.callbacks, 1);
pid_tgid = bpf_get_current_pid_tgid();
event.pid = (__u32)pid_tgid;
event.tgid = pid_tgid >> 32;
event.latency_ns = bpf_ktime_get_ns() - work->scheduled_ns;
event.direct_probe_error = work->direct_probe_error;
event.probe_offset = probe_offset;
bpf_get_current_comm(event.comm, sizeof(event.comm));
task = bpf_get_current_task_btf();
file = bpf_get_task_exe_file(task);
if (!file) {
event.header_error = -ENOENT;
__sync_fetch_and_add(&stats.header_errors, 1);
if (probe_offset) {
event.deferred_probe_error = -ENOENT;
__sync_fetch_and_add(&stats.deferred_probes, 1);
__sync_fetch_and_add(&stats.deferred_probe_errors, 1);
}
goto emit;
}
err = bpf_path_d_path(&file->f_path, event.path, sizeof(event.path));
if (err < 0) {
event.path_error = err;
__sync_fetch_and_add(&stats.path_errors, 1);
}
err = bpf_dynptr_from_file(file, 0, &dynptr);
if (err) {
bpf_dynptr_file_discard(&dynptr);
event.header_error = err;
__sync_fetch_and_add(&stats.header_errors, 1);
if (probe_offset) {
event.deferred_probe_error = err;
__sync_fetch_and_add(&stats.deferred_probes, 1);
__sync_fetch_and_add(&stats.deferred_probe_errors, 1);
}
goto put_file;
}
err = bpf_dynptr_read(header, sizeof(header), &dynptr, 0, 0);
if (err) {
event.header_error = err;
__sync_fetch_and_add(&stats.header_errors, 1);
}
if (probe_offset) {
__sync_fetch_and_add(&stats.deferred_probes, 1);
err = bpf_dynptr_read(event.probe_bytes, sizeof(event.probe_bytes),
&dynptr, probe_offset, 0);
event.deferred_probe_error = err;
if (err)
__sync_fetch_and_add(&stats.deferred_probe_errors, 1);
}
bpf_dynptr_file_discard(&dynptr);
if (!event.header_error && header[0] == 0x7f && header[1] == 'E' &&
header[2] == 'L' && header[3] == 'F') {
event.is_elf = 1;
event.elf_class = header[EI_CLASS];
event.elf_data = header[EI_DATA];
event.elf_type = read_elf_u16(header, 16, event.elf_data);
event.elf_machine = read_elf_u16(header, 18, event.elf_data);
}
put_file:
bpf_put_file(file);
emit:
if (bpf_ringbuf_output(&events, &event, sizeof(event), 0))
__sync_fetch_and_add(&stats.dropped, 1);
return 0;
}
SEC("lsm/bprm_committed_creds")
void BPF_PROG(schedule_exec_inspection, struct linux_binprm *bprm)
{
struct task_struct *task;
struct exec_work *work;
__u64 pid_tgid;
__u32 key = 0, tgid;
int err;
pid_tgid = bpf_get_current_pid_tgid();
tgid = pid_tgid >> 32;
if (target_tgid && tgid != target_tgid)
return;
__sync_fetch_and_add(&stats.matched, 1);
work = bpf_map_lookup_elem(&pending, &key);
if (!work) {
__sync_fetch_and_add(&stats.schedule_errors, 1);
return;
}
work->scheduled_ns = bpf_ktime_get_ns();
work->direct_probe_error = probe_file_without_sleep(bprm->file);
task = bpf_get_current_task_btf();
err = bpf_task_work_schedule_signal(task, &work->work, &pending,
inspect_executable);
if (err) {
__sync_fetch_and_add(&stats.schedule_errors, 1);
return;
}
__sync_fetch_and_add(&stats.scheduled, 1);
}
```
入口点是用 `SEC("lsm/bprm_committed_creds")` 声明的 `schedule_exec_inspection`。这个 LSM 钩子在新可执行文件的凭据安装后触发,此时 `bprm->file` 指向正在被执行的文件。钩子本身不可睡眠,但可以识别目标并安排延迟工作。
两个 `const volatile` 变量——`target_tgid` 和 `probe_offset`——位于 `.rodata` 段。用户态在 `open()` 和 `load()` 之间写入值,验证器把它们当作编译期常量来优化。
当目标匹配时,程序从单元素 `pending` ARRAY map 查找 `struct exec_work`。这个结构保存 `bpf_task_work` 存储以及时间戳和可选的直接探测结果。单个槽位就够了,因为本工具每次调用只观察一个子进程。
可选的 `--probe-offset` 标志让工具通过 `probe_file_without_sleep` 在不可睡眠的钩子中尝试直接读取。测试套件用这个来验证:读取冷页在不可睡眠上下文中以 `-EFAULT` 失败,但在可睡眠回调中成功。
保存时间戳和直接探测结果后,钩子调用 `bpf_task_work_schedule_signal`。内核持有稍后执行回调所需的引用。
回调 `inspect_executable` 计算延迟用于诊断,然后用 `bpf_get_task_exe_file` 获取可执行文件。这返回一个带引用的 `struct file`,必须用 `bpf_put_file` 释放。回调解析路径、创建 file dynptr、读取 64 字节 ELF 头部并解析它。`read_elf_u16` 辅助函数处理字节序:ELF 文件在头部声明其字节序,多字节字段必须相应地读取。
每条创建 dynptr 的路径——无论成功还是失败——都必须调用 `bpf_dynptr_file_discard`。最后,`bpf_ringbuf_output` 把事件发送给用户态。
### 用户态加载器
`exec_image_inspector.c` 协调子进程、加载 BPF、接收事件、报告结果:
```c
// SPDX-License-Identifier: (LGPL-2.1 OR BSD-2-Clause)
#include <errno.h>
#include <getopt.h>
#include <limits.h>
#include <signal.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <bpf/libbpf.h>
#include "exec_image_inspector.h"
#include "exec_image_inspector.skel.h"
struct environment {
unsigned long long probe_offset;
unsigned int timeout_ms;
bool verbose;
char **command;
};
struct child_process {
pid_t pid;
int release_fd;
bool released;
bool reaped;
int status;
};
struct event_context {
unsigned int seen;
};
static struct environment env = {
.timeout_ms = 5000,
};
static int libbpf_print_fn(enum libbpf_print_level level, const char *format,
va_list args)
{
if (level == LIBBPF_DEBUG && !env.verbose)
return 0;
return vfprintf(stderr, format, args);
}
static void usage(const char *program)
{
fprintf(stderr,
"Usage: %s [--probe-offset BYTES] [--timeout-ms MS] [--verbose] "
"-- COMMAND [ARG...]\n\n"
"Inspect the executable image installed by one command.\n\n"
"Options:\n"
" -p, --probe-offset BYTES also compare direct/deferred file reads\n"
" -t, --timeout-ms MS bound the command, 100-60000 "
"(default: 5000)\n"
" -v, --verbose print libbpf diagnostics\n"
" -h, --help show this help\n",
program);
}
static int parse_u64(const char *value, unsigned long long maximum,
unsigned long long *result)
{
char *end = NULL;
unsigned long long parsed;
errno = 0;
parsed = strtoull(value, &end, 10);
if (errno || end == value || *end || parsed > maximum)
return -EINVAL;
*result = parsed;
return 0;
}
static int parse_probe_offset(const char *value)
{
unsigned long long parsed;
if (parse_u64(value, UINT_MAX - EXEC_PROBE_LEN, &parsed)) {
fprintf(stderr, "invalid probe offset: %s\n", value);
return -EINVAL;
}
env.probe_offset = parsed;
return 0;
}
static int parse_timeout(const char *value)
{
unsigned long long parsed;
if (parse_u64(value, 60000, &parsed) || parsed < 100) {
fprintf(stderr, "invalid timeout in milliseconds: %s\n", value);
return -EINVAL;
}
env.timeout_ms = parsed;
return 0;
}
static int parse_option(int option, const char *program)
{
switch (option) {
case 'p':
return parse_probe_offset(optarg);
case 't':
return parse_timeout(optarg);
case 'v':
env.verbose = true;
return 0;
case 'h':
usage(program);
exit(0);
default:
return -EINVAL;
}
}
static int parse_args(int argc, char **argv)
{
static const struct option options[] = {
{ "probe-offset", required_argument, NULL, 'p' },
{ "timeout-ms", required_argument, NULL, 't' },
{ "verbose", no_argument, NULL, 'v' },
{ "help", no_argument, NULL, 'h' },
{},
};
int error, option;
while ((option = getopt_long(argc, argv, "+p:t:vh", options, NULL)) != -1) {
error = parse_option(option, argv[0]);
if (error)
return error;
}
if (optind == argc) {
fprintf(stderr, "COMMAND is required\n");
return -EINVAL;
}
env.command = &argv[optind];
return 0;
}
static long long monotonic_milliseconds(void)
{
struct timespec timestamp;
if (clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &timestamp))
return -errno;
return timestamp.tv_sec * 1000LL + timestamp.tv_nsec / 1000000;
}
static int start_blocked_child(struct child_process *child)
{
int pipe_fds[2];
pid_t pid;
if (pipe(pipe_fds))
return -errno;
pid = fork();
if (pid < 0) {
int error = -errno;
close(pipe_fds[0]);
close(pipe_fds[1]);
return error;
}
if (pid == 0) {
char release;
ssize_t count;
close(pipe_fds[1]);
do {
count = read(pipe_fds[0], &release, sizeof(release));
} while (count < 0 && errno == EINTR);
close(pipe_fds[0]);
if (count != sizeof(release))
_exit(126);
/* Intentional argv execution; no shell parses the supplied arguments. */
execvp(env.command[0], env.command); /* Flawfinder: ignore */
fprintf(stderr, "failed to execute %s: %s\n", env.command[0],
strerror(errno));
_exit(127);
}
close(pipe_fds[0]);
child->pid = pid;
child->release_fd = pipe_fds[1];
return 0;
}
static int release_child(struct child_process *child)
{
char release = 1;
ssize_t count;
do {
count = write(child->release_fd, &release, sizeof(release));
} while (count < 0 && errno == EINTR);
close(child->release_fd);
child->release_fd = -1;
if (count != sizeof(release))
return count < 0 ? -errno : -EIO;
child->released = true;
return 0;
}
static int child_exit_code(int status)
{
if (WIFEXITED(status))
return WEXITSTATUS(status);
if (WIFSIGNALED(status))
return 128 + WTERMSIG(status);
return 125;
}
static int reap_child(struct child_process *child, int options)
{
pid_t result;
if (child->reaped)
return 1;
do {
result = waitpid(child->pid, &child->status, options);
} while (result < 0 && errno == EINTR);
if (result < 0)
return -errno;
if (result == 0)
return 0;
child->reaped = true;
return 1;
}
static int drain_events(struct ring_buffer *ring_buffer)
{
int error;
for (;;) {
error = ring_buffer__poll(ring_buffer, 0);
if (error == -EINTR)
continue;
if (error < 0) {
fprintf(stderr, "ring-buffer drain failed: %s\n",
strerror(-error));
return error;
}
if (!error)
return 0;
}
}
static const char *elf_class_name(unsigned char value)
{
switch (value) {
case 1:
return "ELF32";
case 2:
return "ELF64";
default:
return "UNKNOWN";
}
}
static const char *elf_data_name(unsigned char value)
{
switch (value) {
case 1:
return "LSB";
case 2:
return "MSB";
default:
return "UNKNOWN";
}
}
static const char *elf_type_name(unsigned short value)
{
switch (value) {
case 2:
return "ET_EXEC";
case 3:
return "ET_DYN";
default:
return "OTHER";
}
}
static const char *elf_machine_name(unsigned short value)
{
switch (value) {
case 3:
return "EM_386";
case 62:
return "EM_X86_64";
case 183:
return "EM_AARCH64";
default:
return "OTHER";
}
}
static int handle_event(void *context, void *data, size_t size)
{
const struct exec_event *event = data;
struct event_context *events = context;
unsigned int index;
if (size < sizeof(*event)) {
fprintf(stderr, "short ring-buffer event: %zu bytes\n", size);
return 0;
}
events->seen++;
printf("EXEC pid=%u tgid=%u comm=%.*s path=%.*s is_elf=%u "
"class=%s endian=%s type=%s(%u) machine=%s(%u) "
"header_error=%d path_error=%d latency_us=%llu\n",
event->pid, event->tgid, EXEC_COMM_LEN, event->comm,
EXEC_PATH_LEN, event->path, event->is_elf,
elf_class_name(event->elf_class), elf_data_name(event->elf_data),
elf_type_name(event->elf_type), event->elf_type,
elf_machine_name(event->elf_machine), event->elf_machine,
event->header_error, event->path_error,
event->latency_ns / 1000);
if (event->probe_offset) {
printf("PROBE offset=%llu direct_error=%d deferred_error=%d bytes=",
event->probe_offset, event->direct_probe_error,
event->deferred_probe_error);
for (index = 0; index < EXEC_PROBE_LEN; index++)
printf("%02x", event->probe_bytes[index]);
putchar('\n');
}
fflush(stdout);
return 0;
}
static void stop_child(struct child_process *child)
{
if (child->reaped || child->pid <= 0)
return;
if (!child->released && child->release_fd >= 0) {
close(child->release_fd);
child->release_fd = -1;
} else {
kill(child->pid, SIGKILL);
}
(void)reap_child(child, 0);
}
static int setup_inspector(const struct child_process *child,
struct event_context *events,
struct exec_image_inspector_bpf **skeleton,
struct ring_buffer **ring_buffer)
{
struct exec_image_inspector_bpf *skel;
struct ring_buffer *ring;
int error;
skel = exec_image_inspector_bpf__open();
if (!skel) {
fprintf(stderr, "failed to open BPF skeleton\n");
return -ENOMEM;
}
*skeleton = skel;
skel->rodata->target_tgid = child->pid;
skel->rodata->probe_offset = env.probe_offset;
error = exec_image_inspector_bpf__load(skel);
if (error) {
fprintf(stderr, "failed to load BPF object: %s\n", strerror(-error));
return error;
}
error = exec_image_inspector_bpf__attach(skel);
if (error) {
fprintf(stderr, "failed to attach bprm_committed_creds LSM hook: %s\n",
strerror(-error));
return error;
}
ring = ring_buffer__new(bpf_map__fd(skel->maps.events), handle_event,
events, NULL);
if (!ring) {
fprintf(stderr, "failed to create ring buffer: %s\n", strerror(errno));
return errno ? -errno : -ENOMEM;
}
*ring_buffer = ring;
return 0;
}
static int reap_timed_out_child(struct child_process *child)
{
int error;
if (child->reaped)
return 0;
fprintf(stderr, "command exceeded timeout; sending SIGKILL\n");
kill(child->pid, SIGKILL);
error = reap_child(child, 0);
if (error < 0) {
fprintf(stderr, "waitpid after timeout failed: %s\n",
strerror(-error));
return error;
}
return 0;
}
static int wait_for_command(struct ring_buffer *ring_buffer,
struct child_process *child,
const struct event_context *events)
{
long long deadline, now;
int error;
printf("READY target_tgid=%d probe_offset=%llu timeout_ms=%u command=%s\n",
child->pid, env.probe_offset, env.timeout_ms, env.command[0]);
fflush(stdout);
error = release_child(child);
if (error) {
fprintf(stderr, "failed to release command process: %s\n",
strerror(-error));
return error;
}
now = monotonic_milliseconds();
if (now < 0) {
fprintf(stderr, "failed to read monotonic clock: %s\n",
strerror((int)-now));
return (int)now;
}
deadline = now + env.timeout_ms;
for (;;) {
error = ring_buffer__poll(ring_buffer, 50);
if (error == -EINTR)
continue;
if (error < 0) {
fprintf(stderr, "ring-buffer poll failed: %s\n", strerror(-error));
return error;
}
error = reap_child(child, WNOHANG);
if (error < 0) {
fprintf(stderr, "waitpid failed: %s\n", strerror(-error));
return error;
}
if (child->reaped && events->seen)
break;
now = monotonic_milliseconds();
if (now < 0)
return (int)now;
if (now >= deadline)
break;
if (child->reaped && !events->seen)
continue;
}
error = reap_timed_out_child(child);
if (error)
return error;
error = drain_events(ring_buffer);
if (error)
return error;
return child_exit_code(child->status);
}
static int report_result(const struct exec_image_inspector_bpf *skel,
const struct event_context *events, int command_exit)
{
struct inspector_stats final_stats = skel->bss->stats;
printf("SUMMARY matched=%llu scheduled=%llu schedule_errors=%llu "
"callbacks=%llu header_errors=%llu path_errors=%llu "
"direct_probes=%llu direct_probe_errors=%llu "
"deferred_probes=%llu deferred_probe_errors=%llu dropped=%llu "
"events=%u command_exit=%d\n",
final_stats.matched, final_stats.scheduled,
final_stats.schedule_errors, final_stats.callbacks,
final_stats.header_errors, final_stats.path_errors,
final_stats.direct_probes, final_stats.direct_probe_errors,
final_stats.deferred_probes, final_stats.deferred_probe_errors,
final_stats.dropped, events->seen, command_exit);
if (!events->seen) {
fprintf(stderr, "no executable image event was observed\n");
return 1;
}
if (command_exit) {
fprintf(stderr, "command exited with status %d\n", command_exit);
return command_exit;
}
return 0;
}
int main(int argc, char **argv)
{
struct exec_image_inspector_bpf *skel = NULL;
struct child_process child = { .release_fd = -1 };
struct event_context events = {};
struct ring_buffer *ring_buffer = NULL;
int command_exit, error, result = 1;
error = parse_args(argc, argv);
if (error) {
usage(argv[0]);
return 2;
}
libbpf_set_print(libbpf_print_fn);
error = start_blocked_child(&child);
if (error) {
fprintf(stderr, "failed to create command process: %s\n",
strerror(-error));
return 1;
}
error = setup_inspector(&child, &events, &skel, &ring_buffer);
if (error)
goto cleanup;
command_exit = wait_for_command(ring_buffer, &child, &events);
if (command_exit < 0)
goto cleanup;
result = report_result(skel, &events, command_exit);
cleanup:
stop_child(&child);
ring_buffer__free(ring_buffer);
exec_image_inspector_bpf__destroy(skel);
return result;
}
```
核心技术是阻塞子进程握手。`start_blocked_child` 在 BPF 设置前 fork,但子进程阻塞在 pipe 读取上。父进程记录子进程 PID、打开 skeleton、写入 `target_tgid`、加载并挂载、创建 ring buffer,然后才调用 `release_child` 写管道让子进程继续执行 `execvp`。
`wait_for_command` 是主循环。它打印 `READY` 行、释放子进程,然后交替轮询 ring buffer 和检查子进程是否退出。当子进程被回收且至少收到一条事件时循环结束,或者超时时结束。超时后,`reap_timed_out_child` 发送 SIGKILL 并等待。
单次 exec 可能触发多条事件,如果命令本身也调用 exec(例如 `/bin/sh -c 'exec /bin/true'`)。子进程退出后,`drain_events` 用零超时 poll 取尽剩余事件。
`handle_event` 格式化输出,把数字 ELF 值转换为可读名称,同时保留原始值供脚本使用。
## 构建与运行
从源码构建:
```bash
git submodule update --init --recursive
make -C src/54-exec-image-inspector clean
make -C src/54-exec-image-inspector -j2
```
测试套件要求 Linux 6.19 或更新版本,且 BPF LSM 处于活动状态。检查 `bpf` 是否出现在 LSM 列表中:
```bash
cat /sys/kernel/security/lsm
```
如果缺少 `bpf`,在内核命令行中添加它:把引导加载器配置中的 `lsm=<existing-list>` 改为 `lsm=<existing-list>,bpf`。
运行测试:
```bash
cd src/54-exec-image-inspector
sudo make test
```
仓库 CI 只编译本课。运行时行为在 x86_64 上通过功能测试,内核版本 `7.0.0-rc2+`。示例输出:
```text
TEST-MISSING matched=0 events=0 command_exit=127
TEST-TIMEOUT matched=1 callbacks=1 events=1 command_exit=137
TEST-REEXEC matched=2 callbacks=2 events=2 command_exit=0 final_path=/usr/bin/true
READY target_tgid=1265 probe_offset=4214784 timeout_ms=3000 command=/tmp/exec-image-inspector-sxm3lumw/exec_fixture_image
EXEC pid=1265 tgid=1265 comm=exec_fixture_im path=/tmp/exec-image-inspector-sxm3lumw/exec_fixture_image is_elf=1 class=ELF64 endian=LSB type=ET_DYN(3) machine=EM_X86_64(62) header_error=0 path_error=0 latency_us=37
PROBE offset=4214784 direct_error=-14 deferred_error=0 bytes=454950524f424521
exec fixture completed
SUMMARY matched=1 scheduled=1 schedule_errors=0 callbacks=1 header_errors=0 path_errors=0 direct_probes=1 direct_probe_errors=1 deferred_probes=1 deferred_probe_errors=0 dropped=0 events=1 command_exit=0
PASS: missing-command, timeout cleanup, re-exec drain, ELF decode, and deferred file read succeeded
```
前三行测试覆盖边界条件:
- **TEST-MISSING**:不存在的命令以状态 127 退出。LSM 钩子从未触发,因为 exec 在凭据提交前就失败了,所以 `matched=0` 且 `events=0`。
- **TEST-TIMEOUT**:命令运行太久,被 SIGKILL 终止,以状态 137(128 + 9)回收。观察到一条 exec 事件。
- **TEST-REEXEC**:内部使用 `exec` 的 shell 命令产生两条事件,最终路径是 `/usr/bin/true`。
`EXEC` 行显示已安装的镜像和解析的 ELF 字段。`PROBE` 行展示了可睡眠上下文的差异:测试向一个页面写入标记(`EIPROBE!`),刷新并从页缓存驱逐它,然后 exec。不可睡眠钩子中的直接读取返回 `-EFAULT`(`-14`),因为页是冷的。可睡眠回调中的延迟读取成功,返回标记字节的十六进制表示(`454950524f424521`)。
检查简单命令:
```bash
sudo ./exec_image_inspector --timeout-ms 3000 -- /bin/true
```
命令行格式:
```text
exec_image_inspector [--probe-offset BYTES] [--timeout-ms MS] [--verbose] -- COMMAND [ARG...]
```
- `--timeout-ms`:100 到 60000 毫秒(默认 5000)。超过此期限后工具会终止并回收命令。
- `--probe-offset`:在钩子中(直接)和回调中(延迟)分别读取此偏移处的 8 字节,以验证冷页差异。
- `--verbose`:打印 libbpf 诊断信息。
- `--`:分隔 inspector 选项和要运行的命令。
### 环境要求
| 要求 | 详情 |
|---|---|
| 内核版本 | Linux 6.19+(BPF task work 在 6.18 引入,file dynptr 在 6.19 引入) |
| 内核配置 | `CONFIG_BPF=y`, `CONFIG_BPF_SYSCALL=y`, `CONFIG_BPF_JIT=y`, `CONFIG_BPF_LSM=y`, `CONFIG_SECURITY=y`, `CONFIG_DEBUG_INFO_BTF=y` |
| 活动 LSM | `/sys/kernel/security/lsm` 必须包含 `bpf` |
| 架构 | 已在 x86_64 上测试 |
| 权限 | root |
## 局限性与扩展
本工具每次调用观察一个直接子进程,使用单个 map 槽位。对于并发服务场景,需要按任务分配状态、实现准入限制、处理回调回收。超时清理只向子进程发送 SIGKILL;需要进程组管理或外部信号处理的调用方需自行添加这些功能。
## 总结
本教程展示了如何结合 BPF task work 和 file dynptr 来检查 exec 实际安装的可执行镜像。关键思路是分离两个时刻:识别目标(在不可睡眠的 LSM 钩子中)和读取文件内容(在可睡眠的 task work 回调中)。这让 eBPF 程序能可靠地读取文件数据,即使目标字节不在页缓存中也能完成。
阻塞子进程握手消除了 attach 竞态,有界执行确保清理完整,最终 drain 捕获所有事件。这些技术组合产生一个可复现的单命令工具,同时为扩展留出空间。
> 要深入了解 eBPF,请访问我们的教程仓库 <https://github.com/eunomia-bpf/bpf-developer-tutorial> 或 <https://eunomia.dev/tutorials/>。
## 参考资料
- [BPF task-work 基础实现](https://github.com/torvalds/linux/commit/5c8fd7e2b5b0a527cf88740da122166695382a78)
- [bpf_task_work_schedule_signal kfunc](https://github.com/torvalds/linux/commit/38aa7003e369802f81a078f6673d10d97013f04f)
- [File-backed dynptr 基础实现](https://github.com/torvalds/linux/commit/8d8771dc03e48300e80b43744dd3c320ccaf746a)
- [File dynptr kfunc 与 helper](https://github.com/torvalds/linux/commit/e3e36edb1b8f0e6975c68acd2e1202ec0397fd75)
- [可睡眠 file-dynptr dispatch](https://github.com/torvalds/linux/commit/2c52e8943a437af6093d8b0f0920f1764f0e5f64)
- [Kernel kfunc 文档](https://github.com/torvalds/linux/blob/v7.1/Documentation/bpf/kfuncs.rst)
- [File-reader BPF selftest](https://github.com/torvalds/linux/blob/v7.1/tools/testing/selftests/bpf/progs/file_reader.c)
- [BPF task-work selftest](https://github.com/torvalds/linux/blob/v7.1/tools/testing/selftests/bpf/progs/task_work.c)