eBPF 實時捕獲鍵盤輸入

eBPF 實時捕獲鍵盤輸入

本文將帶你一步步實現一個基于eBPF kprobe的鍵盤記錄功能，通過Go語言配合libbpfgo，你將學會如何無損地監控系統鍵盤輸入，并從中獲取實時數據，進一步提高系統安全和監控能力。

1. 說明

本文屬于專欄 Go語言+libbpfgo實戰eBPF開發，示例代碼目錄為 040。

如何下載并運行代碼，請參考 專欄介紹。

注: 老學員可以直接 git pull 拉取最新代碼。

2. 引言

在本篇文章中，我們將利用 eBPF 的 kprobe 技術捕捉鍵盤輸入事件，實現一個簡單的鍵盤記錄功能。你將學習如何在內核層面監控 input_handle_event 函數，并將捕獲到的按鍵事件傳遞到用戶空間進行處理。整個過程高效且非侵入式，適用于實時監控場景。💡

eBPF 允許在內核中動態加載和執行代碼。借助 kprobe，我們可以在 input_handle_event 函數入口處掛載探針，從而捕獲關鍵事件。

  • 鍵盤事件類型：我們關注 EV_KEY 類型的按鍵事件，并僅記錄按下（value=1）時的事件。
  • 事件傳遞方式：通過 bpf_perf_event_output 將事件數據發送到用戶空間，用戶空間程序使用 perf buffer 進行實時讀取。

這樣既能精準監控輸入事件，又無需對系統進行侵入式修改。

3. 原理詳解

3.1 當你按下一個鍵盤上的按鍵時，發生了什么？

流程圖

硬件中斷 → 鍵盤驅動 → 輸入子系統 → TTY 行規程 → Shell 進程 → TTY 回顯 → 終端渲染

在 Linux 系統中，從按下鍵盤到字符顯示在終端上，涉及 硬件中斷處理、內核子系統協作和用戶空間進程交互。以下是詳細流程和關鍵函數。

1. 硬件中斷觸發

  • 硬件層面：鍵盤控制器（如 PS/2 或 USB）檢測到按鍵動作，生成 硬件中斷（PS/2 鍵盤通常使用 IRQ 1）。
  • 中斷控制器：將中斷路由至 CPU，CPU 通過中斷向量表調用對應的 中斷處理程序。

2. 內核中斷處理

  • 中斷處理函數：內核注冊的鍵盤中斷處理程序（irq_handler）被觸發。
    • 關鍵函數：request_irq() 注冊中斷處理函數，如 PS/2 鍵盤的 kbd_event 或 USB 鍵盤的 usb_kbd_irq。
  • 讀取掃描碼：驅動從鍵盤控制器讀取 掃描碼（Scancode）（如 inb(0x60) 讀取 PS/2 鍵盤數據端口）。
  • 轉換為鍵碼：掃描碼轉換為 鍵碼（Keycode）（如 kbd_keycode 處理映射關系）。

3. 輸入子系統（Input Subsystem）

  • 生成輸入事件：鍵碼通過輸入子系統封裝為 input_event 結構（包含時間戳、鍵值、動作等）。
    • 關鍵函數：input_event() → input_handle_event()。
  • 傳遞事件：事件通過 /dev/input/eventX 設備節點傳遞，供用戶空間程序（如終端）讀取。
    • 關鍵結構：struct input_handler 負責事件路由（如 evdev_handler）。

4. TTY 子系統處理

  • 綁定到 TTY：輸入事件傳遞到當前活動的 TTY（如 /dev/tty1）。
    • 關鍵函數：tty_insert_flip_char() 將字符寫入 TTY 的 flip buffer。
  • 行規程（Line Discipline）：處理特殊字符（如回車、退格）。默認行規程為 n_tty。
    • 關鍵函數：n_tty_receive_char() 解析字符并執行回顯邏輯。
  • 刷新緩沖區：調用 tty_flip_buffer_push() 推送數據至 TTY 讀隊列。

5. 用戶空間進程讀取輸入

  • 前臺進程：Shell（如 Bash）通過 read() 系統調用讀取 TTY 設備的輸入。
    • 關鍵路徑：read() → tty_read() → copy_from_read_buf()。
  • 行編輯模式（Canonical Mode）：啟用時，輸入緩存在內核直到用戶按下回車。

6. 字符顯示到終端

  • 回顯（Echo）：默認 n_tty 規程會自動回顯字符到終端。
    • 關鍵函數：n_tty_receive_char() 調用 echo_char() 進行回顯。
  • 終端寫入：字符通過 write() 系統調用發送至終端顯示。
    • 關鍵路徑：write() → tty_write() → do_tty_write() → 終端驅動的寫函數。
  • 終端渲染方式：
    • 物理終端：通過顯卡驅動（如 vt_console_print()）直接輸出。
    • 偽終端（PTY）：如 SSH 或終端模擬器（如 GNOME Terminal），字符通過 PTY 主從設備傳輸，最終由終端模擬器渲染。

3.2 在哪里捕獲鍵盤輸入事件？

在 Linux 系統中，鍵盤輸入事件可以在不同層次進行捕獲，主要包括 內核態 和 用戶態，以下是常見的捕獲位置及方法。

1. 內核態捕獲

1.1 中斷處理程序（IRQ 級別）

  • 最底層的捕獲方式，在鍵盤觸發 硬件中斷 時，內核的 中斷處理函數 被調用。
  • 相關代碼位置：drivers/input/keyboard/atkbd.c（PS/2 鍵盤） 或 drivers/hid/usbhid/usbkbd.c（USB 鍵盤）。
  • 關鍵函數：
    • irq_handler_t kbd_event()（PS/2）
    • usb_kbd_irq()（USB）
    • 讀取 掃描碼 并傳遞至 輸入子系統。

1.2 輸入子系統（Input Subsystem）

  • 內核的 input_event 機制封裝了鍵盤輸入事件。
  • 相關設備節點：/dev/input/eventX。
  • 關鍵函數：
    • input_event() 生成鍵盤事件。
    • input_handle_event() 處理事件并分發至用戶空間。
2. 用戶態捕獲

2.1 通過 /dev/input/eventX 捕獲原始輸入事件

  • 適用于讀取底層輸入設備（適用于鍵盤監聽、按鍵統計等）。

  • 代碼示例（使用 evdev 接口）：

    #include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/input.h>int main() {int fd = open("/dev/input/event2", O_RDONLY);if (fd < 0) {perror("open");return 1;}struct input_event ev;while (read(fd, &ev, sizeof(ev)) > 0) {if (ev.type == EV_KEY && ev.value == 1) {printf("Key %d pressed\n", ev.code);}}close(fd);return 0;
}

2.2 通過 /dev/tty 讀取終端輸入

  • 適用于讀取當前終端的鍵盤輸入（受 TTY 規程控制）。

  • 代碼示例（讀取標準輸入）：

    #include <stdio.h>int main() {char c;while (1) {c = getchar();printf("Pressed: %c\n", c);}return 0;
}

2.3 使用 libinput 監聽鍵盤輸入（Wayland 環境）

  • 適用于現代桌面環境（X11/Wayland）。

  • 監聽系統級輸入事件，適用于圖形界面應用。

  • 代碼示例（Python）：

    from evdev import InputDevice, categorize, ecodesdev = InputDevice('/dev/input/event2')
for event in dev.read_loop():if event.type == ecodes.EV_KEY:print(categorize(event))

2.4 監聽 X11 按鍵事件（X Window System）

  • 適用于 GUI 應用，使用 Xlib 監聽按鍵。

  • 代碼示例（Python + python-xlib）：

    from Xlib import display, Xd = display.Display()
r = d.screen().root
r.grab_keyboard(True, X.GrabModeAsync, X.GrabModeAsync, X.CurrentTime)
while True:event = r.display.next_event()if event.type == X.KeyPress:print("Key pressed")

3.3 選擇合適的捕獲方式

需求推薦方法
低級輸入監控（掃描碼）內核 input_event 或者 input_handle_event API
監聽所有鍵盤事件讀取 /dev/input/eventX
監聽終端輸入讀取 /dev/tty
GUI 應用按鍵捕獲Xlib 或 libinput

不同場景下，可以選擇合適的方式進行鍵盤輸入捕獲。

本文將演示通過 hook 內核函數 input_handle_event 實現鍵盤記錄功能。

4. 代碼詳解

4.1 bpf代碼

4.1.1 整體邏輯
  • 加載入口: 代碼通過SEC("kprobe/input_handle_event")掛載到內核的input_handle_event函數。
  • 事件過濾: 判斷傳入的type是否為EV_KEY且value是否等于1，只在按鍵按下時進行處理。
  • 數據發送: 如果滿足條件且按鍵碼小于MAX_KEYS，則利用bpf_perf_event_output將事件數據發送到用戶空間。
4.1.2 代碼細節解析

  • 頭文件與宏定義:

    • 包含了vmlinux.h、bpf_helpers.h、bpf_tracing.h和bpf_core_read.h等頭文件，保證代碼能調用內核相關的API。
    • 定義了EV_KEY和MAX_KEYS，分別代表按鍵事件類型和允許的最大按鍵數量。

  • 事件結構體:

    struct event_t {u32 type;u32 code;u32 value;
};

    該結構體用于保存按鍵事件數據，包括事件類型、按鍵碼和按鍵狀態。

  • kprobe函數:

    SEC("kprobe/input_handle_event")
int BPF_KPROBE(hook_input_handle_event, struct input_dev *dev, unsigned int type, unsigned int code, int value)
{struct event_t event = { 0, };event.type = type;event.code = code;event.value = value;if (type == EV_KEY && value == 1){if(code < MAX_KEYS) {bpf_perf_event_output(ctx, &events, BPF_F_CURRENT_CPU, &event, sizeof(event));} }return 0;
}
    • 整體邏輯: 在每次input_handle_event調用時，將輸入數據封裝到event中；判斷條件滿足時，將事件通過perf event發送。
    • 細節說明:
      • SEC("kprobe/input_handle_event")：聲明該函數為kprobe處理函數。
      • BPF_KPROBE宏用于自動生成探針入口。
      • bpf_perf_event_output負責將數據傳遞到用戶空間，不涉及錯誤處理代碼。

4.2 go代碼

4.2.1 main.go
整體邏輯
  • 信號注冊: 利用signal.NotifyContext注冊系統信號（如SIGINT、SIGTERM），確保程序能優雅退出。
  • 加載BPF程序: 調用BpfLoadAndAttach加載并附加BPF程序文件bpf.o。
  • 創建perf buffer: 初始化perf buffer，通過eventsChannel和lostChannel接收事件數據及丟失事件統計。
  • 事件處理: 啟動一個事件處理循環，實時解析并打印鍵盤事件，直到收到退出信號。
代碼細節解析
  • 日志設置: 使用logrus設置日志級別和時間格式，使調試信息更直觀。
  • 資源管理: 利用defer語句確保BPF模塊和perf buffer在程序結束時被正確關閉。
  • 事件循環:
    for {// 循環接收事件select {// 接收到事件時打印事件信息case data := <-eventsChannel:var event Eventerr := event.Parse(data)if err != nil {log.Printf("parse event error: %v", err)} else {log.Println(event.String())}}
}
    該循環實時響應來自內核空間的事件數據。
4.2.2 event.go
整體邏輯
  • 數據結構: 定義了Event結構體，用于與內核傳來的event_t數據一一對應。
  • 數據解析: Parse方法利用binary.Read將接收到的字節流轉化為結構體數據。
  • 數據展示: String方法調用keyStr函數，將按鍵碼轉換為對應的按鍵名稱，便于直觀展示。
代碼細節解析
package mainimport ("bytes""encoding/binary"
)type Event struct {Type  uint32Code  uint32Value uint32
}// 解析event數據
func (e *Event) Parse(data []byte) error {err := binary.Read(bytes.NewBuffer(data), binary.LittleEndian, e)if err != nil {return err}return nil
}// 轉換成字符串
func (e *Event) String() string {return keyStr(int(e.Code))
}const MAX_KEYS = 256var keyNames = [MAX_KEYS]string{0: "RESERVED",1: "ESC",2: "1", 3: "2", 4: "3", 5: "4", 6: "5", 7: "6", 8: "7", 9: "8", 10: "9", 11: "0",12: "MINUS", 13: "EQUAL", 14: "BACKSPACE", 15: "TAB",16: "Q", 17: "W", 18: "E", 19: "R", 20: "T", 21: "Y", 22: "U", 23: "I", 24: "O", 25: "P",26: "LEFTBRACE", 27: "RIGHTBRACE", 28: "ENTER", 29: "LEFTCTRL",30: "A", 31: "S", 32: "D", 33: "F", 34: "G", 35: "H", 36: "J", 37: "K", 38: "L", 39: "SEMICOLON",40: "APOSTROPHE", 41: "GRAVE", 42: "LEFTSHIFT", 43: "BACKSLASH",44: "Z", 45: "X", 46: "C", 47: "V", 48: "B", 49: "N", 50: "M", 51: "COMMA", 52: "DOT", 53: "SLASH",54: "RIGHTSHIFT", 55: "KPASTERISK", 56: "LEFTALT", 57: "SPACE",58: "CAPSLOCK", 59: "F1", 60: "F2", 61: "F3", 62: "F4", 63: "F5", 64: "F6", 65: "F7", 66: "F8", 67: "F9", 68: "F10",69: "NUMLOCK", 70: "SCROLLLOCK", 71: "KP7", 72: "KP8", 73: "KP9", 74: "KPMINUS", 75: "KP4", 76: "KP5", 77: "KP6", 78: "KPPLUS",79: "KP1", 80: "KP2", 81: "KP3", 82: "KP0", 83: "KPDOT",85: "ZENKAKUHANKAKU", 86: "102ND", 87: "F11", 88: "F12", 89: "RO", 90: "KATAKANA", 91: "HIRAGANA", 92: "HENKAN", 93: "KATAKANAHIRAGANA", 94: "MUHENKAN",95: "KPJPCOMMA", 96: "KPENTER", 97: "RIGHTCTRL", 98: "KPSLASH", 99: "SYSRQ", 100: "RIGHTALT", 101: "LINEFEED",102: "HOME", 103: "UP", 104: "PAGEUP", 105: "LEFT", 106: "RIGHT", 107: "END", 108: "DOWN", 109: "PAGEDOWN", 110: "INSERT", 111: "DELETE",112: "MACRO", 113: "MUTE", 114: "VOLUMEDOWN", 115: "VOLUMEUP", 116: "POWER", 117: "KPEQUAL", 118: "KPPLUSMINUS", 119: "PAUSE",120: "SCALE", 121: "KPCOMMA", 122: "HANGEUL", 123: "HANJA", 124: "YEN", 125: "LEFTMETA", 126: "RIGHTMETA", 127: "COMPOSE",128: "STOP", 129: "AGAIN", 130: "PROPS", 131: "UNDO", 132: "FRONT", 133: "COPY", 134: "OPEN", 135: "PASTE", 136: "FIND", 137: "CUT",138: "HELP", 139: "MENU", 140: "CALC", 141: "SETUP", 142: "SLEEP", 143: "WAKEUP", 144: "FILE", 145: "SENDFILE", 146: "DELETEFILE", 147: "XFER",148: "PROG1", 149: "PROG2", 150: "WWW", 151: "MSDOS", 152: "COFFEE", 153: "ROTATE_DISPLAY", 154: "CYCLEWINDOWS", 155: "MAIL", 156: "BOOKMARKS",157: "COMPUTER", 158: "BACK", 159: "FORWARD", 160: "CLOSECD", 161: "EJECTCD", 162: "EJECTCLOSECD", 163: "NEXTSONG", 164: "PLAYPAUSE",165: "PREVIOUSSONG", 166: "STOPCD", 167: "RECORD", 168: "REWIND", 169: "PHONE", 170: "ISO", 171: "CONFIG", 172: "HOMEPAGE", 173: "REFRESH",174: "EXIT", 175: "MOVE", 176: "EDIT", 177: "SCROLLUP", 178: "SCROLLDOWN", 179: "KPLEFTPAREN", 180: "KPRIGHTPAREN", 181: "NEW", 182: "REDO",183: "F13", 184: "F14", 185: "F15", 186: "F16", 187: "F17", 188: "F18", 189: "F19", 190: "F20", 191: "F21", 192: "F22", 193: "F23", 194: "F24",200: "PLAYCD", 201: "PAUSECD", 202: "PROG3", 203: "PROG4", 204: "ALL_APPLICATIONS", 205: "SUSPEND", 206: "CLOSE", 207: "PLAY", 208: "FASTFORWARD",209: "BASSBOOST", 210: "PRINT", 211: "HP", 212: "CAMERA", 213: "SOUND", 214: "QUESTION", 215: "EMAIL", 216: "CHAT", 217: "SEARCH", 218: "CONNECT",219: "FINANCE", 220: "SPORT", 221: "SHOP", 222: "ALTERASE", 223: "CANCEL", 224: "BRIGHTNESSDOWN", 225: "BRIGHTNESSUP", 226: "MEDIA",227: "SWITCHVIDEOMODE", 228: "KBDILLUMTOGGLE", 229: "KBDILLUMDOWN", 230: "KBDILLUMUP", 231: "SEND", 232: "REPLY", 233: "FORWARDMAIL", 234: "SAVE",235: "DOCUMENTS", 236: "BATTERY", 237: "BLUETOOTH", 238: "WLAN", 239: "UWB", 240: "UNKNOWN", 241: "VIDEO_NEXT", 242: "VIDEO_PREV",243: "BRIGHTNESS_CYCLE", 244: "BRIGHTNESS_AUTO", 245: "DISPLAY_OFF", 246: "WWAN", 247: "RFKILL", 248: "MICMUTE",
}func keyStr(code int) string {if code < 0 || code >= MAX_KEYS {return "UNKNOWN"}name := keyNames[code]if name == "" {return "UNKNOWN"}return name
}
  • Parse方法:
    • 通過binary.LittleEndian格式解析數據，確保與內核傳輸的數據格式一致。
  • String方法與鍵值映射:
    • 利用預定義的keyNames數組映射按鍵碼到具體按鍵名稱。
    • keyStr函數通過判斷碼值范圍返回對應的字符串，如果不存在則返回"UNKNOWN"。

5. 總結

本文通過Go語言結合libbpfgo演示了如何利用eBPF實現鍵盤記錄功能，具體如下：

  • 實時性: 直接利用內核kprobe捕捉鍵盤事件，無需輪詢，實時性極佳??。
  • 高效性: 通過perf buffer將數據高效傳遞到用戶空間，確保系統性能不受影響。

該方案不僅適用于鍵盤事件監控，還可以拓展到其他系統監控和安全檢測場景。動手實踐后，你也可以根據業務需求調整代碼，實現更多高級功能。

6. 練習題

  1. 按鍵過濾: 修改代碼使其只記錄特定按鍵（如ESC或ENTER）的事件，并在用戶空間進行特別處理。
  2. 數據統計: 增加功能，對每種按鍵的出現次數進行統計，并定時輸出統計結果。
  3. 擴展應用: 在BPF程序中增加其他類型事件（如鼠標事件）的監控，探索更多內核事件的捕捉方式。

🚀 動手試試吧！遇到問題歡迎留言交流，一起進步！

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Vue 計算屬性與 Data 屬性同名問題深度解析

Vue 計算屬性與 Data 屬性同名問題深度解析

文章目錄 1. 問題背景與核心概念1.1 Vue 響應式系統架構1.2 核心概念定義 2. 同名問題的技術分析2.1 同名場景示例2.2 問題發生機制 3. 底層原理剖析3.1 Vue 初始化流程3.2 響應式系統關鍵代碼 4. 問題解決方案4.1 最佳實踐建議4.2 錯誤處理機制 5. 性能影響分析5.1 遞歸調用性…
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Mybatis——基礎操作、動態SQL

Mybatis——基礎操作、動態SQL

目錄 一.基礎操作 1.刪除 2.新增 3.更新 4.查詢 5.XML映射文件 二、動態SQL 1.<if> 2.<where> 3.<set> 4.<foreach> 5.<sql> 6.<include> 一.基礎操作 1.刪除 參數占位符&#xff1a; 注意&#xff1a; #{...}相比于${...}…
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[設計模式]1_設計模式概覽

[設計模式]1_設計模式概覽

摘要&#xff1a;設計模式原則、設計模式的劃分與簡要概括&#xff0c;怎么使用重構獲得設計模式并改善代碼的壞味道。 本篇作概覽與檢索用&#xff0c;后續結合源碼進行具體模式深入學習。 目錄 1、設計模式原理 核心原則&#xff08;語言無關&#xff09; 本質原理圖 原…
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C語言數據類型取值范圍及格式化符號

C語言數據類型取值范圍及格式化符號

一、數據類型取值范圍與格式化輸出符號表格 數據類型大小&#xff08;字節&#xff09;取值范圍格式化輸出符號char1-128到127<br>或0到255&#xff08;如果聲明為unsigned char&#xff09;%c (字符)<br>%hhu (無符號)signed char1-1.2810到1.2710%hhd (有符號)u…
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