字节跳动开源Linux内核网络抓包工具netcap
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背景介绍
在 Linux 内核网络开发过程中，网络丢包问题是一个常见的挑战。传统的网络抓包工具（如 tcpdump）虽然能够帮助开发者定位问题，但其效率较低，且在深度网络问题定位方面能力有限。随着 eBPF 技术的快速发展，出现了更高级的问题跟踪能力。字节跳动 STE 团队基于此技术开发了下一代内核网络抓包工具： netcap （net capture，内部原名：xcap），并正式对外开源：GitHub - bytedance/netcap
与 tcpdump 工具只能作用于内核网络协议栈准备发包和收包的固定点相比，netcap 可以几乎跟踪整个内核网络协议栈（有skb作为参数的函数）。字节跳动 STE 团队使用 tcpdump 语法作为过滤条件，以 skb（socket buffer）为上下文，可以轻松掌握整个报文在内核网络协议栈的完整踪迹，从而帮助开发者大大提高内核网络丢包问题的定位效率。
使用举例
使用方式举例：
例1：查看 ip 10.227.0.45 的 icmp 包是否到达内核预期的函数调用点， 这样做的好处是：在定位排查网络问题的时候，可以方便的缩小怀疑范围，提高效率。
netcap skb -f icmp_rcv@1 -i eth0 -e "host 10.227.0.45" -t "-nnv"
其中 -f 后面的参数是 kprobe 或者 tracepoint 的具体函数（默认是kprobe），并且需要告诉 netcap，skb 在这个函数(本例是 icmp_rcv )的第几个参数（从1开始），本例是第1个。
-i 后面是指skb的dev参数对应的网卡，这里要谨慎使用，因为有些函数的 skb 是没有设置 dev 的。
-e 的参数是 tcpdump 的过滤语法。
-t 的参数是 tcpdump 的显示方式，netcap 并没有自己显示数据包内容，而是借用了 tcpdump 的显示方式。
例2：查看内核对于 tcp 端口 9000 的报文的丢包位置：
netcap skb -f tracepoint:skb:kfree_skb -e "tcp port 9000" -S
其中 -f 后面的参数是 kprobe 或者 tracepoint 的具体函数，tracepoint 不需要传递 skb 是第几个参数。
-S 表示连带着打印出此调用的 stack，本例中通过 stack 可以看到是哪里丢包的。
举个例子，在机器上配置一个丢包的 iptables 规则把来访的 tcp 9000 的包丢掉，如下图所示：
iptables -A INPUT -p tcp --dport 9000 -j DROP
然后使用 netcap上面的命令观察丢包情况： 
其它命令行参数可以通过阅读开源代码的 README 或命令 netcap help skb 来详细了解。
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设计与实现
3.1 主体框架
netcap 通过 kprobe / tracepoint 方式实现函数的 hook，通过函数参数获取 skb 和 sock 关键结构体，拿到网络包的数据，通过 bpf map 和用户态进行数据传递。 
3.2 实现原理
netcap 的 工作原理大体如下：在 eBPF 程序中完成数据包的过滤，找出 tcpdump 语法过滤的包，然后把这个包给到 netcap 应用程序，netcap 应用程序再把这个包发去给 tcpdump 显示，或者直接输出 pcap 文件。如下图所示：
3.2.1 如何按 tcpdump 语法过滤
tcpdump 的过滤语法是基于 cBPF的，使用开源库：https://github.com/cloudflare/cbpfc 这里可以把 tcpdump 的过滤语法转化成一个 C 函数，这个 C 函数可以嵌入到 netcap 的 eBPF 的程序中。转成 C 函数的基本原理如下：先利用 libpcap 库把 tcpdump 过滤语法转成 cBPF 指令码，然后基于此指令码转化成 C 语言的函数。如下图所示：
3.2.2 如何把数据包内容用 tcpdump 显示出来
netcap 程序启动后，也会启动一个 tcpdump 的程序，tcpdump 的标准输入接收 pcap 格式的输入流，然后以不同的参数（例如 -e 是显示 mac 地址）从其标准输出打印出解析后的格式。如下图所示：
3.2.3 如何找到数据包的内容
在内核中，是用 skb 来描述数据包的，找到 skb 中所指定的不同 header 的位置，就可以找到整个数据包，skb 的结构大体如下所示：
3.2.4 发送方向数据包不完整，如何过滤数据包
在发送数据包的时候，例如 __ip_finish_output 函数，有时未填充完整的 eth头、ip 头、tcp 头，那么是怎么得到完整的包呢？
netcap 会尽力根据 skb 的 sock 结构来推导，还原数据包，此时抓出来的包有些非关键信息会与实际情况不一致（比如 ip 头的 id 字段）。skb 通过sock来推导数据包内容的逻辑大体如下图所示：
4.其他用法及扩展
4.1 多Trace点汇总分析
netcap 可以统计数据包经过多个点的时间，然后汇总输出，从而分析性能，举个例子，使用下面的命令：
netcap skb -f tracepoint:net:netif_receive_skb,ip_local_deliver@1,ip_local_deliver_finish@3,icmp_rcv@1 -e "host 10.227.0.72 and icmp" -i eth0 --gather --gather-output-color cyan
可以观察到输出如下，根据到达 trace 点的时间，就能够分析出数据包性能损耗在哪里，或者在哪里可能引入了延迟。
4.2 扩展功能
用户可以自定义自己的过滤函数和输出函数，这里举例如下，
netcap skb -f icmp_rcv@1 -e "host 10.227.0.72" -i eth0 --user-filter skb_user_filter.c --user-action skb_user_action.c --user-output-color green
其中扩展过滤文件 skb_user_filter.c 如下：
// Return 0 means it's not need, pls filter out it.
static inline int xcap_user_filter(void *ctx, void *pkt, u16 trace_index)
{
return 1;
}
这个扩展函数的返回值如果是 0，表示在 tcpdump 语法的过滤后，再进行一次用户自定义过滤，比如可以方便的写几行脚本，然后按照 skb->mark 来过滤。
其中扩展输出文件 skb_user_action.c 如下：
struct xcap_user_extend {
int a; // format: 0x%x
uint32_t b; //
int64_t c;
uint8_t x1; // format: %c
uint8_t x2; // format: 0x%x
uint16_t x3; // format: 0x%x
};
// Return 0 means not need to ouput
static inline int xcap_user_action(void *ctx, void *pkt, u32 pkt_len, struct xcap_user_extend *user, u16 trace_index)
{
user->a = 0x12345678;
user->b = 1000;
user->c = 2002;
user->x1 = 'M';
user->x2 = 0x11;
user->x3 = 0xabcd;
return 1;
}
其中 struct xcap_user_extend 是用户自定义的结构体，想输出什么信息，就在这个结构体定义并赋值即可。结构体可支持的类型如下 (注:不支持指针，也不支持数组)：int8_t, uint8_t, char, int16_t, uint16_t, int, uint32_t,int64_t, uint64_t 。
这样就可以附带一些信息输出了，如下图：
未来展望
在开发者的日常工作中，网络抓包工具成为了网络工程师、测试工程师等必备的技能之一，字节跳动 STE 团队开源的 netcap 网络抓包工具，期望能够帮助大家提高定位内核网络丢包问题的效率，非常欢迎开发者们一起加入并贡献 PR，共同推进开源项目发展。未来我们也将在以下几个方向进行优化，敬请关注。
- 对 DPDK 的进一步支持，由于 usdt 的上游库存在问题，故无法支持应用程序的 usdt，有兴趣的读者可以修改支持。
- 对多内核版本的统一支持。
- 在自定义输出的时候，数据包较多的情况下，会出现打印错乱，原因是 tcpdump 的输出信息和用户自定义的输出信息共同使用了标准输出，未来也将针对该问题做后续优化。
