eBPF 实践教程:使用 eBPF 用户态捕获多种库的 SSL/TLS 明文数据

2023年 8月 22日 90.8k 0

随着TLS在现代网络环境中的广泛应用,跟踪微服务RPC消息已经变得愈加棘手。传统的流量嗅探技术常常受限于只能获取到加密后的数据,导致无法真正观察到通信的原始内容。这种限制为系统的调试和分析带来了不小的障碍。

但现在,我们有了新的解决方案。

eBPF技术,通过其能力在用户空间进行探测,提供了一种方法重新获得明文数据,使得我们可以直观地查看加密前的通信内容。然而,每个应用可能使用不同的库,每个库都有多个版本,这种多样性给跟踪带来了复杂性。

在本教程中,我们将带您了解一种跨多种条件的技术,它不仅可以同时跟踪 GnuTLS 和 OpenSSL 等用户态库,而且相比以往,大大降低了对新版本库的维护工作。

背景知识

在深入本教程的主题之前,我们需要理解一些核心概念,这些概念将为我们后面的讨论提供基础。

SSL 和 TLS

SSL (Secure Sockets Layer): 由 Netscape 在 1990 年代早期开发,为网络上的两台机器之间提供数据加密传输。然而,由于某些已知的安全问题,SSL的使用已被其后继者TLS所替代。

TLS (Transport Layer Security): 是 SSL 的继任者,旨在提供更强大和更安全的数据加密方式。TLS 工作通过一个握手过程,在这个过程中,客户端和服务器之间会选择一个加密算法和相应的密钥。一旦握手完成,数据传输开始,所有数据都使用选择的算法和密钥加密。

TLS 的工作原理

Transport Layer Security (TLS) 是一个密码学协议,旨在为计算机网络上的通信提供安全性。它主要目标是通过密码学,例如证书的使用,为两个或更多通信的计算机应用程序提供安全性,包括隐私(机密性)、完整性和真实性。TLS 由两个子层组成:TLS 记录协议和TLS 握手协议。

握手过程

当客户端与启用了TLS的服务器连接并请求建立安全连接时,握手过程开始。握手允许客户端和服务器通过不对称密码来建立连接的安全性参数:

  • 初始握手:客户端连接到启用了TLS的服务器,请求安全连接,并提供它支持的密码套件列表(加密算法和哈希函数)。
  • 选择密码套件:从提供的列表中,服务器选择它也支持的密码套件和哈希函数,并通知客户端已做出的决定。
  • 提供数字证书:通常,服务器接下来会提供形式为数字证书的身份验证。此证书包含服务器名称、信任的证书授权机构(为证书的真实性提供担保)以及服务器的公共加密密钥。
  • 验证证书:客户端在继续之前确认证书的有效性。
  • 生成会话密钥:为了生成用于安全连接的会话密钥,客户端有以下两种方法:
    • 使用服务器的公钥加密一个随机数(PreMasterSecret)并将结果发送到服务器(只有服务器才能使用其私钥解密);双方然后使用该随机数生成一个独特的会话密钥,用于会话期间的数据加密和解密。
    • 使用Diffie-Hellman 密钥交换(或其变体椭圆曲线DH)来安全地生成一个随机且独特的会话密钥,用于加密和解密,该密钥具有前向保密的额外属性:即使在未来公开了服务器的私钥,也不能用它来解密当前的会话,即使第三方拦截并记录了会话。
  • 一旦上述步骤成功完成,握手过程便结束,加密的连接开始。此连接使用会话密钥进行加密和解密,直到连接关闭。如果上述任何步骤失败,则TLS握手失败,连接将不会建立。

    OSI模型中的TLS

    TLS和SSL不完全适合OSI模型或TCP/IP模型的任何单一层次。TLS在“某些可靠的传输协议(例如,TCP)之上运行”,这意味着它位于传输层之上。它为更高的层提供加密,这通常是表示层的功能。但是,使用TLS的应用程序通常视其为传输层,即使使用TLS的应用程序必须积极控制启动TLS握手和交换的认证证书的处理。

    eBPF 和 uprobe

    eBPF (Extended Berkeley Packet Filter): 是一种内核技术,允许用户在内核空间中运行预定义的程序,不需要修改内核源代码或重新加载模块。它创建了一个桥梁,使得用户空间和内核空间可以交互,从而为系统监控、性能分析和网络流量分析等任务提供了无前例的能力。

    uprobes: 是eBPF的一个重要特性,允许我们在用户空间应用程序中动态地插入探测点,特别适用于跟踪SSL/TLS库中的函数调用。

    用户态库

    SSL/TLS协议的实现主要依赖于用户态库。以下是一些常见的库:

    • OpenSSL: 一个开源的、功能齐全的加密库,广泛应用于许多开源和商业项目中。
    • BoringSSL: 是Google维护的OpenSSL的一个分支,重点是简化和优化,适用于Google的需求。
    • GnuTLS: 是GNU项目的一部分,提供了SSL,TLS和DTLS协议的实现。与OpenSSL和BoringSSL相比,GnuTLS在API设计、模块结构和许可证上有所不同。

    OpenSSL API 分析

    OpenSSL 是一个广泛应用的开源库,提供了 SSL 和 TLS 协议的完整实现,并广泛用于各种应用程序中以确保数据传输的安全性。其中,SSL_read() 和 SSL_write() 是两个核心的 API 函数,用于从 TLS/SSL 连接中读取和写入数据。本章节,我们将深入这两个函数,帮助你理解其工作机制。

    1. SSL_read 函数

    当我们想从一个已建立的 SSL 连接中读取数据时,可以使用 SSL_readSSL_read_ex 函数。

    函数原型

    int SSL_read_ex(SSL *ssl, void *buf, size_t num, size_t *readbytes);
    int SSL_read(SSL *ssl, void *buf, int num);
    

    SSL_readSSL_read_ex 试图从指定的 ssl 中读取最多 num 字节的数据到缓冲区 buf 中。成功时,SSL_read_ex 会在 *readbytes 中存储实际读取到的字节数。

    2. SSL_write 函数

    当我们想往一个已建立的 SSL 连接中写入数据时,可以使用 SSL_writeSSL_write_ex 函数。

    函数原型:

    int SSL_write_ex(SSL *s, const void *buf, size_t num, size_t *written);
    int SSL_write(SSL *ssl, const void *buf, int num);
    

    SSL_writeSSL_write_ex 会从缓冲区 buf 中将最多 num 字节的数据写入到指定的 ssl 连接中。成功时,SSL_write_ex 会在 *written 中存储实际写入的字节数。

    eBPF 内核态代码编写

    eBPF (扩展伯克利数据包过滤器) 是 Linux 内核中的一个功能强大的编程框架,它允许开发者在不修改内核源代码的情况下,为 Linux 内核动态插入自定义的程序。在我们的例子中,我们使用 eBPF 来 hook ssl_read 和 ssl_write 函数,从而在数据读取或写入 SSL 连接时执行自定义操作。

    数据结构

    首先,我们定义了一个数据结构 probe_SSL_data_t 用于在内核态和用户态之间传输数据:

    #define MAX_BUF_SIZE 8192
    #define TASK_COMM_LEN 16
    
    struct probe_SSL_data_t {
        __u64 timestamp_ns;  // 时间戳(纳秒)
        __u64 delta_ns;      // 函数执行时间
        __u32 pid;           // 进程 ID
        __u32 tid;           // 线程 ID
        __u32 uid;           // 用户 ID
        __u32 len;           // 读/写数据的长度
        int buf_filled;      // 缓冲区是否填充完整
        int rw;              // 读或写(0为读,1为写)
        char comm[TASK_COMM_LEN]; // 进程名
        __u8 buf[MAX_BUF_SIZE];  // 数据缓冲区
        int is_handshake;    // 是否是握手数据
    };
    

    Hook 函数

    我们的目标是 hook 到 SSL_readSSL_write 函数。我们定义了一个函数 SSL_exit 来处理这两个函数的返回值。该函数会根据当前进程和线程的 ID,确定是否需要追踪并收集数据。

    static int SSL_exit(struct pt_regs *ctx, int rw) {
        int ret = 0;
        u32 zero = 0;
        u64 pid_tgid = bpf_get_current_pid_tgid();
        u32 pid = pid_tgid >> 32;
        u32 tid = (u32)pid_tgid;
        u32 uid = bpf_get_current_uid_gid();
        u64 ts = bpf_ktime_get_ns();
    
        if (!trace_allowed(uid, pid)) {
            return 0;
        }
    
        /* store arg info for later lookup */
        u64 *bufp = bpf_map_lookup_elem(&bufs, &tid);
        if (bufp == 0)
            return 0;
    
        u64 *tsp = bpf_map_lookup_elem(&start_ns, &tid);
        if (!tsp)
            return 0;
        u64 delta_ns = ts - *tsp;
    
        int len = PT_REGS_RC(ctx);
        if (len timestamp_ns = ts;
        data->delta_ns = delta_ns;
        data->pid = pid;
        data->tid = tid;
        data->uid = uid;
        data->len = (u32)len;
        data->buf_filled = 0;
        data->rw = rw;
        data->is_handshake = false;
        u32 buf_copy_size = min((size_t)MAX_BUF_SIZE, (size_t)len);
    
        bpf_get_current_comm(&data->comm, sizeof(data->comm));
    
        if (bufp != 0)
            ret = bpf_probe_read_user(&data->buf, buf_copy_size, (char *)*bufp);
    
        bpf_map_delete_elem(&bufs, &tid);
        bpf_map_delete_elem(&start_ns, &tid);
    
        if (!ret)
            data->buf_filled = 1;
        else
            buf_copy_size = 0;
    
        bpf_perf_event_output(ctx, &perf_SSL_events, BPF_F_CURRENT_CPU, data,
                                EVENT_SIZE(buf_copy_size));
        return 0;
    }
    

    这里的 rw 参数标识是读还是写。0 代表读,1 代表写。

    数据收集流程

  • 获取当前进程和线程的 ID,以及当前用户的 ID。
  • 通过 trace_allowed 判断是否允许追踪该进程。
  • 获取起始时间,以计算函数的执行时间。
  • 尝试从 bufsstart_ns maps 中查找相关的数据。
  • 如果成功读取了数据,则创建或查找 probe_SSL_data_t 结构来填充数据。
  • 将数据从用户空间复制到缓冲区,并确保不超过预定的大小。
  • 最后,将数据发送到用户空间。
  • 注意:我们使用了两个用户返回探针 uretprobe 来分别 hook SSL_readSSL_write 的返回:

    SEC("uretprobe/SSL_read")
    int BPF_URETPROBE(probe_SSL_read_exit) {
        return (SSL_exit(ctx, 0));  // 0 表示读操作
    }
    
    SEC("uretprobe/SSL_write")
    int BPF_URETPROBE(probe_SSL_write_exit) {
        return (SSL_exit(ctx, 1));  // 1 表示写操作
    }
    

    Hook到握手过程

    在 SSL/TLS 中,握手(handshake)是一个特殊的过程,用于在客户端和服务器之间建立安全的连接。为了分析此过程,我们 hook 到了 do_handshake 函数,以跟踪握手的开始和结束。

    进入握手

    我们使用 uprobedo_handshake 设置一个 probe:

    
    SEC("uprobe/do_handshake")
    int BPF_UPROBE(probe_SSL_do_handshake_enter, void *ssl) {
        u64 pid_tgid = bpf_get_current_pid_tgid();
        u32 pid = pid_tgid >> 32;
        u32 tid = (u32)pid_tgid;
        u64 ts = bpf_ktime_get_ns();
        u32 uid = bpf_get_current_uid_gid();
    
        if (!trace_allowed(uid, pid)) {
            return 0;
        }
    
        /* store arg info for later lookup */
        bpf_map_update_elem(&start_ns, &tid, &ts, BPF_ANY);
        return 0;
    }
    

    这段代码的主要功能如下:

  • 获取当前的 pid, tid, tsuid
  • 使用 trace_allowed 检查进程是否被允许追踪。
  • 将当前时间戳存储在 start_ns 映射中,用于稍后计算握手过程的持续时间。
  • 退出握手

    同样,我们为 do_handshake 的返回设置了一个 uretprobe

    
    SEC("uretprobe/do_handshake")
    int BPF_URETPROBE(probe_SSL_do_handshake_exit) {
        u32 zero = 0;
        u64 pid_tgid = bpf_get_current_pid_tgid();
        u32 pid = pid_tgid >> 32;
        u32 tid = (u32)pid_tgid;
        u32 uid = bpf_get_current_uid_gid();
        u64 ts = bpf_ktime_get_ns();
        int ret = 0;
    
        /* use kernel terminology here for tgid/pid: */
        u32 tgid = pid_tgid >> 32;
    
        /* store arg info for later lookup */
        if (!trace_allowed(tgid, pid)) {
            return 0;
        }
    
        u64 *tsp = bpf_map_lookup_elem(&start_ns, &tid);
        if (tsp == 0)
            return 0;
    
        ret = PT_REGS_RC(ctx);
        if (ret timestamp_ns = ts;
        data->delta_ns = ts - *tsp;
        data->pid = pid;
        data->tid = tid;
        data->uid = uid;
        data->len = ret;
        data->buf_filled = 0;
        data->rw = 2;
        data->is_handshake = true;
        bpf_get_current_comm(&data->comm, sizeof(data->comm));
        bpf_map_delete_elem(&start_ns, &tid);
    
        bpf_perf_event_output(ctx, &perf_SSL_events, BPF_F_CURRENT_CPU, data,
                                EVENT_SIZE(0));
        return 0;
    }
    

    此函数的逻辑如下:

  • 获取当前的 pid, tid, tsuid
  • 使用 trace_allowed 再次检查是否允许追踪。
  • 查找 start_ns 映射中的时间戳,用于计算握手的持续时间。
  • 使用 PT_REGS_RC(ctx) 获取 do_handshake 的返回值,判断握手是否成功。
  • 查找或初始化与当前线程关联的 probe_SSL_data_t 数据结构。
  • 更新数据结构的字段,包括时间戳、持续时间、进程信息等。
  • 通过 bpf_perf_event_output 将数据发送到用户态。
  • 我们的 eBPF 代码不仅跟踪了 ssl_readssl_write 的数据传输,还特别关注了 SSL/TLS 的握手过程。这些信息对于深入了解和优化安全连接的性能至关重要。

    通过这些 hook 函数,我们可以获得关于握手成功与否、握手所需的时间以及相关的进程信息的数据。这为我们提供了关于系统 SSL/TLS 行为的深入见解,可以帮助我们在需要时进行更深入的分析和优化。

    用户态辅助代码分析

    用户态辅助代码分析与解读

    在 eBPF 的生态系统中,用户态和内核态代码经常协同工作。内核态代码负责数据的采集,而用户态代码则负责设置、管理和处理这些数据。在本节中,我们将解读上述用户态代码如何配合 eBPF 追踪 SSL/TLS 交互。

    1. 支持的库挂载

    上述代码片段中,根据环境变量 env 的设定,程序可以选择针对三种常见的加密库(OpenSSL、GnuTLS 和 NSS)进行挂载。这意味着我们可以在同一个工具中对多种库的调用进行追踪。

    为了实现这一功能,首先利用 find_library_path 函数确定库的路径。然后,根据库的类型,调用对应的 attach_ 函数来将 eBPF 程序挂载到库函数上。

        if (env.openssl) {
            char *openssl_path = find_library_path("libssl.so");
            printf("OpenSSL path: %s\n", openssl_path);
            attach_openssl(obj, "/lib/x86_64-linux-gnu/libssl.so.3");
        }
        if (env.gnutls) {
            char *gnutls_path = find_library_path("libgnutls.so");
            printf("GnuTLS path: %s\n", gnutls_path);
            attach_gnutls(obj, gnutls_path);
        }
        if (env.nss) {
            char *nss_path = find_library_path("libnspr4.so");
            printf("NSS path: %s\n", nss_path);
            attach_nss(obj, nss_path);
        }
    

    这里主要包含 OpenSSL、GnuTLS 和 NSS 三个库的挂载逻辑。NSS 是为组织设计的一套安全库,支持创建安全的客户端和服务器应用程序。它们最初是由 Netscape 开发的,现在由 Mozilla 维护。其他两个库前面已经介绍过了,这里不再赘述。

    2. 详细挂载逻辑

    具体的 attach 函数如下:

    #define __ATTACH_UPROBE(skel, binary_path, sym_name, prog_name, is_retprobe)   \
        do {                                                                       \
          LIBBPF_OPTS(bpf_uprobe_opts, uprobe_opts, .func_name = #sym_name,        \
                      .retprobe = is_retprobe);                                    \
          skel->links.prog_name = bpf_program__attach_uprobe_opts(                 \
              skel->progs.prog_name, env.pid, binary_path, 0, &uprobe_opts);       \
        } while (false)
        
    int attach_openssl(struct sslsniff_bpf *skel, const char *lib) {
        ATTACH_UPROBE_CHECKED(skel, lib, SSL_write, probe_SSL_rw_enter);
        ATTACH_URETPROBE_CHECKED(skel, lib, SSL_write, probe_SSL_write_exit);
        ATTACH_UPROBE_CHECKED(skel, lib, SSL_read, probe_SSL_rw_enter);
        ATTACH_URETPROBE_CHECKED(skel, lib, SSL_read, probe_SSL_read_exit);
    
        if (env.latency && env.handshake) {
            ATTACH_UPROBE_CHECKED(skel, lib, SSL_do_handshake,
                                probe_SSL_do_handshake_enter);
            ATTACH_URETPROBE_CHECKED(skel, lib, SSL_do_handshake,
                                    probe_SSL_do_handshake_exit);
        }
    
        return 0;
    }
    
    int attach_gnutls(struct sslsniff_bpf *skel, const char *lib) {
        ATTACH_UPROBE_CHECKED(skel, lib, gnutls_record_send, probe_SSL_rw_enter);
        ATTACH_URETPROBE_CHECKED(skel, lib, gnutls_record_send, probe_SSL_write_exit);
        ATTACH_UPROBE_CHECKED(skel, lib, gnutls_record_recv, probe_SSL_rw_enter);
        ATTACH_URETPROBE_CHECKED(skel, lib, gnutls_record_recv, probe_SSL_read_exit);
    
        return 0;
    }
    
    int attach_nss(struct sslsniff_bpf *skel, const char *lib) {
        ATTACH_UPROBE_CHECKED(skel, lib, PR_Write, probe_SSL_rw_enter);
        ATTACH_URETPROBE_CHECKED(skel, lib, PR_Write, probe_SSL_write_exit);
        ATTACH_UPROBE_CHECKED(skel, lib, PR_Send, probe_SSL_rw_enter);
        ATTACH_URETPROBE_CHECKED(skel, lib, PR_Send, probe_SSL_write_exit);
        ATTACH_UPROBE_CHECKED(skel, lib, PR_Read, probe_SSL_rw_enter);
        ATTACH_URETPROBE_CHECKED(skel, lib, PR_Read, probe_SSL_read_exit);
        ATTACH_UPROBE_CHECKED(skel, lib, PR_Recv, probe_SSL_rw_enter);
        ATTACH_URETPROBE_CHECKED(skel, lib, PR_Recv, probe_SSL_read_exit);
    
        return 0;
    }
    

    我们进一步观察 attach_ 函数,可以看到它们都使用了 ATTACH_UPROBE_CHECKEDATTACH_URETPROBE_CHECKED 宏来实现具体的挂载逻辑。这两个宏分别用于设置 uprobe(函数入口)和 uretprobe(函数返回)。

    考虑到不同的库有不同的 API 函数名称(例如,OpenSSL 使用 SSL_write,而 GnuTLS 使用 gnutls_record_send),所以我们需要为每个库写一个独立的 attach_ 函数。

    例如,在 attach_openssl 函数中,我们为 SSL_writeSSL_read 设置了 probe。如果用户还希望追踪握手的延迟 (env.latency) 和握手过程 (env.handshake),那么我们还会为 SSL_do_handshake 设置 probe。

    在eBPF生态系统中,perf_buffer是一个用于从内核态传输数据到用户态的高效机制。这对于内核态eBPF程序来说是十分有用的,因为它们不能直接与用户态进行交互。使用perf_buffer,我们可以在内核态eBPF程序中收集数据,然后在用户态异步地读取这些数据。我们使用 perf_buffer__poll 函数来读取内核态上报的数据,如下所示:

        while (!exiting) {
            err = perf_buffer__poll(pb, PERF_POLL_TIMEOUT_MS);
            if (err < 0 && err != -EINTR) {
                warn("error polling perf buffer: %s\n", strerror(-err));
                goto cleanup;
            }
            err = 0;
        }
    

    最后,在 print_event 函数中,我们将数据打印到标准输出:

    // Function to print the event from the perf buffer
    void print_event(struct probe_SSL_data_t *event, const char *evt) {
        ...
        if (buf_size != 0) {
            if (env.hexdump) {
                // 2 characters for each byte + null terminator
                char hex_data[MAX_BUF_SIZE * 2 + 1] = {0};  
                buf_to_hex((uint8_t *)buf, buf_size, hex_data);
                
                printf("\n%s\n", s_mark);
                for (size_t i = 0; i < strlen(hex_data); i += 32) {
                    printf("%.32s\n", hex_data + i);
                }
                printf("%s\n\n", e_mark);
            } else {
                printf("\n%s\n%s\n%s\n\n", s_mark, buf, e_mark);
            }
        }
    }
    

    完整的源代码可以在这里查看:github.com/eunomia-bpf…

    编译与运行

    要开始使用 sslsniff,首先要进行编译:

    make
    

    完成后,请按照以下步骤操作:

    启动 sslsniff

    在一个终端中,执行以下命令来启动 sslsniff

    sudo ./sslsniff
    

    执行 CURL 命令

    在另一个终端中,执行:

    curl https://example.com
    

    正常情况下,你会看到类似以下的输出:

        
        
        
            Example Domain
            ...
        
        
            ...
        
        
        
    

    sslsniff 输出

    当执行 curl 命令后,sslsniff 会显示以下内容:

        READ/RECV    0.132786160        curl             47458   1256  
        ----- DATA -----
        
        ...
        
            Example Domain
            ...
        
        
        
    
        ----- END DATA -----
    

    注意:显示的 HTML 内容可能会因 example.com 页面的不同而有所不同。

    显示延迟和握手过程

    要查看延迟和握手过程,请执行以下命令:

    $ sudo ./sslsniff -l --handshake
    OpenSSL path: /lib/x86_64-linux-gnu/libssl.so.3
    GnuTLS path: /lib/x86_64-linux-gnu/libgnutls.so.30
    NSS path: /lib/x86_64-linux-gnu/libnspr4.so
    FUNC         TIME(s)            COMM             PID     LEN     LAT(ms)
    HANDSHAKE    0.000000000        curl             6460    1      1.384  WRITE/SEND   0.000115400        curl             6460    24     0.014 
    

    16进制输出

    要以16进制格式显示数据,请执行以下命令:

    $ sudo ./sslsniff --hexdump
    WRITE/SEND   0.000000000        curl             16104   24    
    ----- DATA -----
    505249202a20485454502f322e300d0a
    0d0a534d0d0a0d0a
    ----- END DATA -----
    
    ...
    

    总结

    eBPF 是一个非常强大的技术,它可以帮助我们深入了解系统的工作原理。本教程是一个简单的示例,展示了如何使用 eBPF 来监控 SSL/TLS 通信。如果您对 eBPF 技术感兴趣,并希望进一步了解和实践,可以访问我们的教程代码仓库 github.com/eunomia-bpf… 和教程网站 eunomia.dev/zh/tutorial…

    参考资料:

    • github.com/iovisor/bcc…
    • github.com/openssl/ope…
    • www.openssl.org/docs/man1.1…
    • github.com/iovisor/bcc…
    • en.wikipedia.org/wiki/Transp…

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