net: use ethtool_cmd_speed_set helper to set ethtool speed value
[firefly-linux-kernel-4.4.55.git] / Documentation / networking / filter.txt
1 Linux Socket Filtering aka Berkeley Packet Filter (BPF)
2 =======================================================
3
4 Introduction
5 ------------
6
7 Linux Socket Filtering (LSF) is derived from the Berkeley Packet Filter.
8 Though there are some distinct differences between the BSD and Linux
9 Kernel filtering, but when we speak of BPF or LSF in Linux context, we
10 mean the very same mechanism of filtering in the Linux kernel.
11
12 BPF allows a user-space program to attach a filter onto any socket and
13 allow or disallow certain types of data to come through the socket. LSF
14 follows exactly the same filter code structure as BSD's BPF, so referring
15 to the BSD bpf.4 manpage is very helpful in creating filters.
16
17 On Linux, BPF is much simpler than on BSD. One does not have to worry
18 about devices or anything like that. You simply create your filter code,
19 send it to the kernel via the SO_ATTACH_FILTER option and if your filter
20 code passes the kernel check on it, you then immediately begin filtering
21 data on that socket.
22
23 You can also detach filters from your socket via the SO_DETACH_FILTER
24 option. This will probably not be used much since when you close a socket
25 that has a filter on it the filter is automagically removed. The other
26 less common case may be adding a different filter on the same socket where
27 you had another filter that is still running: the kernel takes care of
28 removing the old one and placing your new one in its place, assuming your
29 filter has passed the checks, otherwise if it fails the old filter will
30 remain on that socket.
31
32 SO_LOCK_FILTER option allows to lock the filter attached to a socket. Once
33 set, a filter cannot be removed or changed. This allows one process to
34 setup a socket, attach a filter, lock it then drop privileges and be
35 assured that the filter will be kept until the socket is closed.
36
37 The biggest user of this construct might be libpcap. Issuing a high-level
38 filter command like `tcpdump -i em1 port 22` passes through the libpcap
39 internal compiler that generates a structure that can eventually be loaded
40 via SO_ATTACH_FILTER to the kernel. `tcpdump -i em1 port 22 -ddd`
41 displays what is being placed into this structure.
42
43 Although we were only speaking about sockets here, BPF in Linux is used
44 in many more places. There's xt_bpf for netfilter, cls_bpf in the kernel
45 qdisc layer, SECCOMP-BPF (SECure COMPuting [1]), and lots of other places
46 such as team driver, PTP code, etc where BPF is being used.
47
48  [1] Documentation/prctl/seccomp_filter.txt
49
50 Original BPF paper:
51
52 Steven McCanne and Van Jacobson. 1993. The BSD packet filter: a new
53 architecture for user-level packet capture. In Proceedings of the
54 USENIX Winter 1993 Conference Proceedings on USENIX Winter 1993
55 Conference Proceedings (USENIX'93). USENIX Association, Berkeley,
56 CA, USA, 2-2. [http://www.tcpdump.org/papers/bpf-usenix93.pdf]
57
58 Structure
59 ---------
60
61 User space applications include <linux/filter.h> which contains the
62 following relevant structures:
63
64 struct sock_filter {    /* Filter block */
65         __u16   code;   /* Actual filter code */
66         __u8    jt;     /* Jump true */
67         __u8    jf;     /* Jump false */
68         __u32   k;      /* Generic multiuse field */
69 };
70
71 Such a structure is assembled as an array of 4-tuples, that contains
72 a code, jt, jf and k value. jt and jf are jump offsets and k a generic
73 value to be used for a provided code.
74
75 struct sock_fprog {                     /* Required for SO_ATTACH_FILTER. */
76         unsigned short             len; /* Number of filter blocks */
77         struct sock_filter __user *filter;
78 };
79
80 For socket filtering, a pointer to this structure (as shown in
81 follow-up example) is being passed to the kernel through setsockopt(2).
82
83 Example
84 -------
85
86 #include <sys/socket.h>
87 #include <sys/types.h>
88 #include <arpa/inet.h>
89 #include <linux/if_ether.h>
90 /* ... */
91
92 /* From the example above: tcpdump -i em1 port 22 -dd */
93 struct sock_filter code[] = {
94         { 0x28,  0,  0, 0x0000000c },
95         { 0x15,  0,  8, 0x000086dd },
96         { 0x30,  0,  0, 0x00000014 },
97         { 0x15,  2,  0, 0x00000084 },
98         { 0x15,  1,  0, 0x00000006 },
99         { 0x15,  0, 17, 0x00000011 },
100         { 0x28,  0,  0, 0x00000036 },
101         { 0x15, 14,  0, 0x00000016 },
102         { 0x28,  0,  0, 0x00000038 },
103         { 0x15, 12, 13, 0x00000016 },
104         { 0x15,  0, 12, 0x00000800 },
105         { 0x30,  0,  0, 0x00000017 },
106         { 0x15,  2,  0, 0x00000084 },
107         { 0x15,  1,  0, 0x00000006 },
108         { 0x15,  0,  8, 0x00000011 },
109         { 0x28,  0,  0, 0x00000014 },
110         { 0x45,  6,  0, 0x00001fff },
111         { 0xb1,  0,  0, 0x0000000e },
112         { 0x48,  0,  0, 0x0000000e },
113         { 0x15,  2,  0, 0x00000016 },
114         { 0x48,  0,  0, 0x00000010 },
115         { 0x15,  0,  1, 0x00000016 },
116         { 0x06,  0,  0, 0x0000ffff },
117         { 0x06,  0,  0, 0x00000000 },
118 };
119
120 struct sock_fprog bpf = {
121         .len = ARRAY_SIZE(code),
122         .filter = code,
123 };
124
125 sock = socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL));
126 if (sock < 0)
127         /* ... bail out ... */
128
129 ret = setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_FILTER, &bpf, sizeof(bpf));
130 if (ret < 0)
131         /* ... bail out ... */
132
133 /* ... */
134 close(sock);
135
136 The above example code attaches a socket filter for a PF_PACKET socket
137 in order to let all IPv4/IPv6 packets with port 22 pass. The rest will
138 be dropped for this socket.
139
140 The setsockopt(2) call to SO_DETACH_FILTER doesn't need any arguments
141 and SO_LOCK_FILTER for preventing the filter to be detached, takes an
142 integer value with 0 or 1.
143
144 Note that socket filters are not restricted to PF_PACKET sockets only,
145 but can also be used on other socket families.
146
147 Summary of system calls:
148
149  * setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_FILTER, &val, sizeof(val));
150  * setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_DETACH_FILTER, &val, sizeof(val));
151  * setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_LOCK_FILTER,   &val, sizeof(val));
152
153 Normally, most use cases for socket filtering on packet sockets will be
154 covered by libpcap in high-level syntax, so as an application developer
155 you should stick to that. libpcap wraps its own layer around all that.
156
157 Unless i) using/linking to libpcap is not an option, ii) the required BPF
158 filters use Linux extensions that are not supported by libpcap's compiler,
159 iii) a filter might be more complex and not cleanly implementable with
160 libpcap's compiler, or iv) particular filter codes should be optimized
161 differently than libpcap's internal compiler does; then in such cases
162 writing such a filter "by hand" can be of an alternative. For example,
163 xt_bpf and cls_bpf users might have requirements that could result in
164 more complex filter code, or one that cannot be expressed with libpcap
165 (e.g. different return codes for various code paths). Moreover, BPF JIT
166 implementors may wish to manually write test cases and thus need low-level
167 access to BPF code as well.
168
169 BPF engine and instruction set
170 ------------------------------
171
172 Under tools/net/ there's a small helper tool called bpf_asm which can
173 be used to write low-level filters for example scenarios mentioned in the
174 previous section. Asm-like syntax mentioned here has been implemented in
175 bpf_asm and will be used for further explanations (instead of dealing with
176 less readable opcodes directly, principles are the same). The syntax is
177 closely modelled after Steven McCanne's and Van Jacobson's BPF paper.
178
179 The BPF architecture consists of the following basic elements:
180
181   Element          Description
182
183   A                32 bit wide accumulator
184   X                32 bit wide X register
185   M[]              16 x 32 bit wide misc registers aka "scratch memory
186                    store", addressable from 0 to 15
187
188 A program, that is translated by bpf_asm into "opcodes" is an array that
189 consists of the following elements (as already mentioned):
190
191   op:16, jt:8, jf:8, k:32
192
193 The element op is a 16 bit wide opcode that has a particular instruction
194 encoded. jt and jf are two 8 bit wide jump targets, one for condition
195 "jump if true", the other one "jump if false". Eventually, element k
196 contains a miscellaneous argument that can be interpreted in different
197 ways depending on the given instruction in op.
198
199 The instruction set consists of load, store, branch, alu, miscellaneous
200 and return instructions that are also represented in bpf_asm syntax. This
201 table lists all bpf_asm instructions available resp. what their underlying
202 opcodes as defined in linux/filter.h stand for:
203
204   Instruction      Addressing mode      Description
205
206   ld               1, 2, 3, 4, 10       Load word into A
207   ldi              4                    Load word into A
208   ldh              1, 2                 Load half-word into A
209   ldb              1, 2                 Load byte into A
210   ldx              3, 4, 5, 10          Load word into X
211   ldxi             4                    Load word into X
212   ldxb             5                    Load byte into X
213
214   st               3                    Store A into M[]
215   stx              3                    Store X into M[]
216
217   jmp              6                    Jump to label
218   ja               6                    Jump to label
219   jeq              7, 8                 Jump on k == A
220   jneq             8                    Jump on k != A
221   jne              8                    Jump on k != A
222   jlt              8                    Jump on k < A
223   jle              8                    Jump on k <= A
224   jgt              7, 8                 Jump on k > A
225   jge              7, 8                 Jump on k >= A
226   jset             7, 8                 Jump on k & A
227
228   add              0, 4                 A + <x>
229   sub              0, 4                 A - <x>
230   mul              0, 4                 A * <x>
231   div              0, 4                 A / <x>
232   mod              0, 4                 A % <x>
233   neg              0, 4                 !A
234   and              0, 4                 A & <x>
235   or               0, 4                 A | <x>
236   xor              0, 4                 A ^ <x>
237   lsh              0, 4                 A << <x>
238   rsh              0, 4                 A >> <x>
239
240   tax                                   Copy A into X
241   txa                                   Copy X into A
242
243   ret              4, 9                 Return
244
245 The next table shows addressing formats from the 2nd column:
246
247   Addressing mode  Syntax               Description
248
249    0               x/%x                 Register X
250    1               [k]                  BHW at byte offset k in the packet
251    2               [x + k]              BHW at the offset X + k in the packet
252    3               M[k]                 Word at offset k in M[]
253    4               #k                   Literal value stored in k
254    5               4*([k]&0xf)          Lower nibble * 4 at byte offset k in the packet
255    6               L                    Jump label L
256    7               #k,Lt,Lf             Jump to Lt if true, otherwise jump to Lf
257    8               #k,Lt                Jump to Lt if predicate is true
258    9               a/%a                 Accumulator A
259   10               extension            BPF extension
260
261 The Linux kernel also has a couple of BPF extensions that are used along
262 with the class of load instructions by "overloading" the k argument with
263 a negative offset + a particular extension offset. The result of such BPF
264 extensions are loaded into A.
265
266 Possible BPF extensions are shown in the following table:
267
268   Extension                             Description
269
270   len                                   skb->len
271   proto                                 skb->protocol
272   type                                  skb->pkt_type
273   poff                                  Payload start offset
274   ifidx                                 skb->dev->ifindex
275   nla                                   Netlink attribute of type X with offset A
276   nlan                                  Nested Netlink attribute of type X with offset A
277   mark                                  skb->mark
278   queue                                 skb->queue_mapping
279   hatype                                skb->dev->type
280   rxhash                                skb->hash
281   cpu                                   raw_smp_processor_id()
282   vlan_tci                              vlan_tx_tag_get(skb)
283   vlan_pr                               vlan_tx_tag_present(skb)
284   rand                                  prandom_u32()
285
286 These extensions can also be prefixed with '#'.
287 Examples for low-level BPF:
288
289 ** ARP packets:
290
291   ldh [12]
292   jne #0x806, drop
293   ret #-1
294   drop: ret #0
295
296 ** IPv4 TCP packets:
297
298   ldh [12]
299   jne #0x800, drop
300   ldb [23]
301   jneq #6, drop
302   ret #-1
303   drop: ret #0
304
305 ** (Accelerated) VLAN w/ id 10:
306
307   ld vlan_tci
308   jneq #10, drop
309   ret #-1
310   drop: ret #0
311
312 ** icmp random packet sampling, 1 in 4
313   ldh [12]
314   jne #0x800, drop
315   ldb [23]
316   jneq #1, drop
317   # get a random uint32 number
318   ld rand
319   mod #4
320   jneq #1, drop
321   ret #-1
322   drop: ret #0
323
324 ** SECCOMP filter example:
325
326   ld [4]                  /* offsetof(struct seccomp_data, arch) */
327   jne #0xc000003e, bad    /* AUDIT_ARCH_X86_64 */
328   ld [0]                  /* offsetof(struct seccomp_data, nr) */
329   jeq #15, good           /* __NR_rt_sigreturn */
330   jeq #231, good          /* __NR_exit_group */
331   jeq #60, good           /* __NR_exit */
332   jeq #0, good            /* __NR_read */
333   jeq #1, good            /* __NR_write */
334   jeq #5, good            /* __NR_fstat */
335   jeq #9, good            /* __NR_mmap */
336   jeq #14, good           /* __NR_rt_sigprocmask */
337   jeq #13, good           /* __NR_rt_sigaction */
338   jeq #35, good           /* __NR_nanosleep */
339   bad: ret #0             /* SECCOMP_RET_KILL */
340   good: ret #0x7fff0000   /* SECCOMP_RET_ALLOW */
341
342 The above example code can be placed into a file (here called "foo"), and
343 then be passed to the bpf_asm tool for generating opcodes, output that xt_bpf
344 and cls_bpf understands and can directly be loaded with. Example with above
345 ARP code:
346
347 $ ./bpf_asm foo
348 4,40 0 0 12,21 0 1 2054,6 0 0 4294967295,6 0 0 0,
349
350 In copy and paste C-like output:
351
352 $ ./bpf_asm -c foo
353 { 0x28,  0,  0, 0x0000000c },
354 { 0x15,  0,  1, 0x00000806 },
355 { 0x06,  0,  0, 0xffffffff },
356 { 0x06,  0,  0, 0000000000 },
357
358 In particular, as usage with xt_bpf or cls_bpf can result in more complex BPF
359 filters that might not be obvious at first, it's good to test filters before
360 attaching to a live system. For that purpose, there's a small tool called
361 bpf_dbg under tools/net/ in the kernel source directory. This debugger allows
362 for testing BPF filters against given pcap files, single stepping through the
363 BPF code on the pcap's packets and to do BPF machine register dumps.
364
365 Starting bpf_dbg is trivial and just requires issuing:
366
367 # ./bpf_dbg
368
369 In case input and output do not equal stdin/stdout, bpf_dbg takes an
370 alternative stdin source as a first argument, and an alternative stdout
371 sink as a second one, e.g. `./bpf_dbg test_in.txt test_out.txt`.
372
373 Other than that, a particular libreadline configuration can be set via
374 file "~/.bpf_dbg_init" and the command history is stored in the file
375 "~/.bpf_dbg_history".
376
377 Interaction in bpf_dbg happens through a shell that also has auto-completion
378 support (follow-up example commands starting with '>' denote bpf_dbg shell).
379 The usual workflow would be to ...
380
381 > load bpf 6,40 0 0 12,21 0 3 2048,48 0 0 23,21 0 1 1,6 0 0 65535,6 0 0 0
382   Loads a BPF filter from standard output of bpf_asm, or transformed via
383   e.g. `tcpdump -iem1 -ddd port 22 | tr '\n' ','`. Note that for JIT
384   debugging (next section), this command creates a temporary socket and
385   loads the BPF code into the kernel. Thus, this will also be useful for
386   JIT developers.
387
388 > load pcap foo.pcap
389   Loads standard tcpdump pcap file.
390
391 > run [<n>]
392 bpf passes:1 fails:9
393   Runs through all packets from a pcap to account how many passes and fails
394   the filter will generate. A limit of packets to traverse can be given.
395
396 > disassemble
397 l0:     ldh [12]
398 l1:     jeq #0x800, l2, l5
399 l2:     ldb [23]
400 l3:     jeq #0x1, l4, l5
401 l4:     ret #0xffff
402 l5:     ret #0
403   Prints out BPF code disassembly.
404
405 > dump
406 /* { op, jt, jf, k }, */
407 { 0x28,  0,  0, 0x0000000c },
408 { 0x15,  0,  3, 0x00000800 },
409 { 0x30,  0,  0, 0x00000017 },
410 { 0x15,  0,  1, 0x00000001 },
411 { 0x06,  0,  0, 0x0000ffff },
412 { 0x06,  0,  0, 0000000000 },
413   Prints out C-style BPF code dump.
414
415 > breakpoint 0
416 breakpoint at: l0:      ldh [12]
417 > breakpoint 1
418 breakpoint at: l1:      jeq #0x800, l2, l5
419   ...
420   Sets breakpoints at particular BPF instructions. Issuing a `run` command
421   will walk through the pcap file continuing from the current packet and
422   break when a breakpoint is being hit (another `run` will continue from
423   the currently active breakpoint executing next instructions):
424
425   > run
426   -- register dump --
427   pc:       [0]                       <-- program counter
428   code:     [40] jt[0] jf[0] k[12]    <-- plain BPF code of current instruction
429   curr:     l0: ldh [12]              <-- disassembly of current instruction
430   A:        [00000000][0]             <-- content of A (hex, decimal)
431   X:        [00000000][0]             <-- content of X (hex, decimal)
432   M[0,15]:  [00000000][0]             <-- folded content of M (hex, decimal)
433   -- packet dump --                   <-- Current packet from pcap (hex)
434   len: 42
435     0: 00 19 cb 55 55 a4 00 14 a4 43 78 69 08 06 00 01
436    16: 08 00 06 04 00 01 00 14 a4 43 78 69 0a 3b 01 26
437    32: 00 00 00 00 00 00 0a 3b 01 01
438   (breakpoint)
439   >
440
441 > breakpoint
442 breakpoints: 0 1
443   Prints currently set breakpoints.
444
445 > step [-<n>, +<n>]
446   Performs single stepping through the BPF program from the current pc
447   offset. Thus, on each step invocation, above register dump is issued.
448   This can go forwards and backwards in time, a plain `step` will break
449   on the next BPF instruction, thus +1. (No `run` needs to be issued here.)
450
451 > select <n>
452   Selects a given packet from the pcap file to continue from. Thus, on
453   the next `run` or `step`, the BPF program is being evaluated against
454   the user pre-selected packet. Numbering starts just as in Wireshark
455   with index 1.
456
457 > quit
458 #
459   Exits bpf_dbg.
460
461 JIT compiler
462 ------------
463
464 The Linux kernel has a built-in BPF JIT compiler for x86_64, SPARC, PowerPC,
465 ARM and s390 and can be enabled through CONFIG_BPF_JIT. The JIT compiler is
466 transparently invoked for each attached filter from user space or for internal
467 kernel users if it has been previously enabled by root:
468
469   echo 1 > /proc/sys/net/core/bpf_jit_enable
470
471 For JIT developers, doing audits etc, each compile run can output the generated
472 opcode image into the kernel log via:
473
474   echo 2 > /proc/sys/net/core/bpf_jit_enable
475
476 Example output from dmesg:
477
478 [ 3389.935842] flen=6 proglen=70 pass=3 image=ffffffffa0069c8f
479 [ 3389.935847] JIT code: 00000000: 55 48 89 e5 48 83 ec 60 48 89 5d f8 44 8b 4f 68
480 [ 3389.935849] JIT code: 00000010: 44 2b 4f 6c 4c 8b 87 d8 00 00 00 be 0c 00 00 00
481 [ 3389.935850] JIT code: 00000020: e8 1d 94 ff e0 3d 00 08 00 00 75 16 be 17 00 00
482 [ 3389.935851] JIT code: 00000030: 00 e8 28 94 ff e0 83 f8 01 75 07 b8 ff ff 00 00
483 [ 3389.935852] JIT code: 00000040: eb 02 31 c0 c9 c3
484
485 In the kernel source tree under tools/net/, there's bpf_jit_disasm for
486 generating disassembly out of the kernel log's hexdump:
487
488 # ./bpf_jit_disasm
489 70 bytes emitted from JIT compiler (pass:3, flen:6)
490 ffffffffa0069c8f + <x>:
491    0:   push   %rbp
492    1:   mov    %rsp,%rbp
493    4:   sub    $0x60,%rsp
494    8:   mov    %rbx,-0x8(%rbp)
495    c:   mov    0x68(%rdi),%r9d
496   10:   sub    0x6c(%rdi),%r9d
497   14:   mov    0xd8(%rdi),%r8
498   1b:   mov    $0xc,%esi
499   20:   callq  0xffffffffe0ff9442
500   25:   cmp    $0x800,%eax
501   2a:   jne    0x0000000000000042
502   2c:   mov    $0x17,%esi
503   31:   callq  0xffffffffe0ff945e
504   36:   cmp    $0x1,%eax
505   39:   jne    0x0000000000000042
506   3b:   mov    $0xffff,%eax
507   40:   jmp    0x0000000000000044
508   42:   xor    %eax,%eax
509   44:   leaveq
510   45:   retq
511
512 Issuing option `-o` will "annotate" opcodes to resulting assembler
513 instructions, which can be very useful for JIT developers:
514
515 # ./bpf_jit_disasm -o
516 70 bytes emitted from JIT compiler (pass:3, flen:6)
517 ffffffffa0069c8f + <x>:
518    0:   push   %rbp
519         55
520    1:   mov    %rsp,%rbp
521         48 89 e5
522    4:   sub    $0x60,%rsp
523         48 83 ec 60
524    8:   mov    %rbx,-0x8(%rbp)
525         48 89 5d f8
526    c:   mov    0x68(%rdi),%r9d
527         44 8b 4f 68
528   10:   sub    0x6c(%rdi),%r9d
529         44 2b 4f 6c
530   14:   mov    0xd8(%rdi),%r8
531         4c 8b 87 d8 00 00 00
532   1b:   mov    $0xc,%esi
533         be 0c 00 00 00
534   20:   callq  0xffffffffe0ff9442
535         e8 1d 94 ff e0
536   25:   cmp    $0x800,%eax
537         3d 00 08 00 00
538   2a:   jne    0x0000000000000042
539         75 16
540   2c:   mov    $0x17,%esi
541         be 17 00 00 00
542   31:   callq  0xffffffffe0ff945e
543         e8 28 94 ff e0
544   36:   cmp    $0x1,%eax
545         83 f8 01
546   39:   jne    0x0000000000000042
547         75 07
548   3b:   mov    $0xffff,%eax
549         b8 ff ff 00 00
550   40:   jmp    0x0000000000000044
551         eb 02
552   42:   xor    %eax,%eax
553         31 c0
554   44:   leaveq
555         c9
556   45:   retq
557         c3
558
559 For BPF JIT developers, bpf_jit_disasm, bpf_asm and bpf_dbg provides a useful
560 toolchain for developing and testing the kernel's JIT compiler.
561
562 BPF kernel internals
563 --------------------
564 Internally, for the kernel interpreter, a different BPF instruction set
565 format with similar underlying principles from BPF described in previous
566 paragraphs is being used. However, the instruction set format is modelled
567 closer to the underlying architecture to mimic native instruction sets, so
568 that a better performance can be achieved (more details later).
569
570 It is designed to be JITed with one to one mapping, which can also open up
571 the possibility for GCC/LLVM compilers to generate optimized BPF code through
572 a BPF backend that performs almost as fast as natively compiled code.
573
574 The new instruction set was originally designed with the possible goal in
575 mind to write programs in "restricted C" and compile into BPF with a optional
576 GCC/LLVM backend, so that it can just-in-time map to modern 64-bit CPUs with
577 minimal performance overhead over two steps, that is, C -> BPF -> native code.
578
579 Currently, the new format is being used for running user BPF programs, which
580 includes seccomp BPF, classic socket filters, cls_bpf traffic classifier,
581 team driver's classifier for its load-balancing mode, netfilter's xt_bpf
582 extension, PTP dissector/classifier, and much more. They are all internally
583 converted by the kernel into the new instruction set representation and run
584 in the extended interpreter. For in-kernel handlers, this all works
585 transparently by using sk_unattached_filter_create() for setting up the
586 filter, resp. sk_unattached_filter_destroy() for destroying it. The macro
587 SK_RUN_FILTER(filter, ctx) transparently invokes the right BPF function to
588 run the filter. 'filter' is a pointer to struct sk_filter that we got from
589 sk_unattached_filter_create(), and 'ctx' the given context (e.g. skb pointer).
590 All constraints and restrictions from sk_chk_filter() apply before a
591 conversion to the new layout is being done behind the scenes!
592
593 Currently, for JITing, the user BPF format is being used and current BPF JIT
594 compilers reused whenever possible. In other words, we do not (yet!) perform
595 a JIT compilation in the new layout, however, future work will successively
596 migrate traditional JIT compilers into the new instruction format as well, so
597 that they will profit from the very same benefits. Thus, when speaking about
598 JIT in the following, a JIT compiler (TBD) for the new instruction format is
599 meant in this context.
600
601 Some core changes of the new internal format:
602
603 - Number of registers increase from 2 to 10:
604
605   The old format had two registers A and X, and a hidden frame pointer. The
606   new layout extends this to be 10 internal registers and a read-only frame
607   pointer. Since 64-bit CPUs are passing arguments to functions via registers
608   the number of args from BPF program to in-kernel function is restricted
609   to 5 and one register is used to accept return value from an in-kernel
610   function. Natively, x86_64 passes first 6 arguments in registers, aarch64/
611   sparcv9/mips64 have 7 - 8 registers for arguments; x86_64 has 6 callee saved
612   registers, and aarch64/sparcv9/mips64 have 11 or more callee saved registers.
613
614   Therefore, BPF calling convention is defined as:
615
616     * R0        - return value from in-kernel function, and exit value for BPF program
617     * R1 - R5   - arguments from BPF program to in-kernel function
618     * R6 - R9   - callee saved registers that in-kernel function will preserve
619     * R10       - read-only frame pointer to access stack
620
621   Thus, all BPF registers map one to one to HW registers on x86_64, aarch64,
622   etc, and BPF calling convention maps directly to ABIs used by the kernel on
623   64-bit architectures.
624
625   On 32-bit architectures JIT may map programs that use only 32-bit arithmetic
626   and may let more complex programs to be interpreted.
627
628   R0 - R5 are scratch registers and BPF program needs spill/fill them if
629   necessary across calls. Note that there is only one BPF program (== one BPF
630   main routine) and it cannot call other BPF functions, it can only call
631   predefined in-kernel functions, though.
632
633 - Register width increases from 32-bit to 64-bit:
634
635   Still, the semantics of the original 32-bit ALU operations are preserved
636   via 32-bit subregisters. All BPF registers are 64-bit with 32-bit lower
637   subregisters that zero-extend into 64-bit if they are being written to.
638   That behavior maps directly to x86_64 and arm64 subregister definition, but
639   makes other JITs more difficult.
640
641   32-bit architectures run 64-bit internal BPF programs via interpreter.
642   Their JITs may convert BPF programs that only use 32-bit subregisters into
643   native instruction set and let the rest being interpreted.
644
645   Operation is 64-bit, because on 64-bit architectures, pointers are also
646   64-bit wide, and we want to pass 64-bit values in/out of kernel functions,
647   so 32-bit BPF registers would otherwise require to define register-pair
648   ABI, thus, there won't be able to use a direct BPF register to HW register
649   mapping and JIT would need to do combine/split/move operations for every
650   register in and out of the function, which is complex, bug prone and slow.
651   Another reason is the use of atomic 64-bit counters.
652
653 - Conditional jt/jf targets replaced with jt/fall-through:
654
655   While the original design has constructs such as "if (cond) jump_true;
656   else jump_false;", they are being replaced into alternative constructs like
657   "if (cond) jump_true; /* else fall-through */".
658
659 - Introduces bpf_call insn and register passing convention for zero overhead
660   calls from/to other kernel functions:
661
662   Before an in-kernel function call, the internal BPF program needs to
663   place function arguments into R1 to R5 registers to satisfy calling
664   convention, then the interpreter will take them from registers and pass
665   to in-kernel function. If R1 - R5 registers are mapped to CPU registers
666   that are used for argument passing on given architecture, the JIT compiler
667   doesn't need to emit extra moves. Function arguments will be in the correct
668   registers and BPF_CALL instruction will be JITed as single 'call' HW
669   instruction. This calling convention was picked to cover common call
670   situations without performance penalty.
671
672   After an in-kernel function call, R1 - R5 are reset to unreadable and R0 has
673   a return value of the function. Since R6 - R9 are callee saved, their state
674   is preserved across the call.
675
676   For example, consider three C functions:
677
678   u64 f1() { return (*_f2)(1); }
679   u64 f2(u64 a) { return f3(a + 1, a); }
680   u64 f3(u64 a, u64 b) { return a - b; }
681
682   GCC can compile f1, f3 into x86_64:
683
684   f1:
685     movl $1, %edi
686     movq _f2(%rip), %rax
687     jmp  *%rax
688   f3:
689     movq %rdi, %rax
690     subq %rsi, %rax
691     ret
692
693   Function f2 in BPF may look like:
694
695   f2:
696     bpf_mov R2, R1
697     bpf_add R1, 1
698     bpf_call f3
699     bpf_exit
700
701   If f2 is JITed and the pointer stored to '_f2'. The calls f1 -> f2 -> f3 and
702   returns will be seamless. Without JIT, __sk_run_filter() interpreter needs to
703   be used to call into f2.
704
705   For practical reasons all BPF programs have only one argument 'ctx' which is
706   already placed into R1 (e.g. on __sk_run_filter() startup) and the programs
707   can call kernel functions with up to 5 arguments. Calls with 6 or more arguments
708   are currently not supported, but these restrictions can be lifted if necessary
709   in the future.
710
711   On 64-bit architectures all register map to HW registers one to one. For
712   example, x86_64 JIT compiler can map them as ...
713
714     R0 - rax
715     R1 - rdi
716     R2 - rsi
717     R3 - rdx
718     R4 - rcx
719     R5 - r8
720     R6 - rbx
721     R7 - r13
722     R8 - r14
723     R9 - r15
724     R10 - rbp
725
726   ... since x86_64 ABI mandates rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9 for argument passing
727   and rbx, r12 - r15 are callee saved.
728
729   Then the following internal BPF pseudo-program:
730
731     bpf_mov R6, R1 /* save ctx */
732     bpf_mov R2, 2
733     bpf_mov R3, 3
734     bpf_mov R4, 4
735     bpf_mov R5, 5
736     bpf_call foo
737     bpf_mov R7, R0 /* save foo() return value */
738     bpf_mov R1, R6 /* restore ctx for next call */
739     bpf_mov R2, 6
740     bpf_mov R3, 7
741     bpf_mov R4, 8
742     bpf_mov R5, 9
743     bpf_call bar
744     bpf_add R0, R7
745     bpf_exit
746
747   After JIT to x86_64 may look like:
748
749     push %rbp
750     mov %rsp,%rbp
751     sub $0x228,%rsp
752     mov %rbx,-0x228(%rbp)
753     mov %r13,-0x220(%rbp)
754     mov %rdi,%rbx
755     mov $0x2,%esi
756     mov $0x3,%edx
757     mov $0x4,%ecx
758     mov $0x5,%r8d
759     callq foo
760     mov %rax,%r13
761     mov %rbx,%rdi
762     mov $0x2,%esi
763     mov $0x3,%edx
764     mov $0x4,%ecx
765     mov $0x5,%r8d
766     callq bar
767     add %r13,%rax
768     mov -0x228(%rbp),%rbx
769     mov -0x220(%rbp),%r13
770     leaveq
771     retq
772
773   Which is in this example equivalent in C to:
774
775     u64 bpf_filter(u64 ctx)
776     {
777         return foo(ctx, 2, 3, 4, 5) + bar(ctx, 6, 7, 8, 9);
778     }
779
780   In-kernel functions foo() and bar() with prototype: u64 (*)(u64 arg1, u64
781   arg2, u64 arg3, u64 arg4, u64 arg5); will receive arguments in proper
782   registers and place their return value into '%rax' which is R0 in BPF.
783   Prologue and epilogue are emitted by JIT and are implicit in the
784   interpreter. R0-R5 are scratch registers, so BPF program needs to preserve
785   them across the calls as defined by calling convention.
786
787   For example the following program is invalid:
788
789     bpf_mov R1, 1
790     bpf_call foo
791     bpf_mov R0, R1
792     bpf_exit
793
794   After the call the registers R1-R5 contain junk values and cannot be read.
795   In the future a BPF verifier can be used to validate internal BPF programs.
796
797 Also in the new design, BPF is limited to 4096 insns, which means that any
798 program will terminate quickly and will only call a fixed number of kernel
799 functions. Original BPF and the new format are two operand instructions,
800 which helps to do one-to-one mapping between BPF insn and x86 insn during JIT.
801
802 The input context pointer for invoking the interpreter function is generic,
803 its content is defined by a specific use case. For seccomp register R1 points
804 to seccomp_data, for converted BPF filters R1 points to a skb.
805
806 A program, that is translated internally consists of the following elements:
807
808   op:16, jt:8, jf:8, k:32    ==>    op:8, a_reg:4, x_reg:4, off:16, imm:32
809
810 So far 87 internal BPF instructions were implemented. 8-bit 'op' opcode field
811 has room for new instructions. Some of them may use 16/24/32 byte encoding. New
812 instructions must be multiple of 8 bytes to preserve backward compatibility.
813
814 Internal BPF is a general purpose RISC instruction set. Not every register and
815 every instruction are used during translation from original BPF to new format.
816 For example, socket filters are not using 'exclusive add' instruction, but
817 tracing filters may do to maintain counters of events, for example. Register R9
818 is not used by socket filters either, but more complex filters may be running
819 out of registers and would have to resort to spill/fill to stack.
820
821 Internal BPF can used as generic assembler for last step performance
822 optimizations, socket filters and seccomp are using it as assembler. Tracing
823 filters may use it as assembler to generate code from kernel. In kernel usage
824 may not be bounded by security considerations, since generated internal BPF code
825 may be optimizing internal code path and not being exposed to the user space.
826 Safety of internal BPF can come from a verifier (TBD). In such use cases as
827 described, it may be used as safe instruction set.
828
829 Just like the original BPF, the new format runs within a controlled environment,
830 is deterministic and the kernel can easily prove that. The safety of the program
831 can be determined in two steps: first step does depth-first-search to disallow
832 loops and other CFG validation; second step starts from the first insn and
833 descends all possible paths. It simulates execution of every insn and observes
834 the state change of registers and stack.
835
836 Testing
837 -------
838
839 Next to the BPF toolchain, the kernel also ships a test module that contains
840 various test cases for classic and internal BPF that can be executed against
841 the BPF interpreter and JIT compiler. It can be found in lib/test_bpf.c and
842 enabled via Kconfig:
843
844   CONFIG_TEST_BPF=m
845
846 After the module has been built and installed, the test suite can be executed
847 via insmod or modprobe against 'test_bpf' module. Results of the test cases
848 including timings in nsec can be found in the kernel log (dmesg).
849
850 Misc
851 ----
852
853 Also trinity, the Linux syscall fuzzer, has built-in support for BPF and
854 SECCOMP-BPF kernel fuzzing.
855
856 Written by
857 ----------
858
859 The document was written in the hope that it is found useful and in order
860 to give potential BPF hackers or security auditors a better overview of
861 the underlying architecture.
862
863 Jay Schulist <jschlst@samba.org>
864 Daniel Borkmann <dborkman@redhat.com>
865 Alexei Starovoitov <ast@plumgrid.com>