81f940f4e88480d48c35fd7707d679d646ef0af8
[cascardo/linux.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->rxhash
281   cpu                                   raw_smp_processor_id()
282   vlan_tci                              vlan_tx_tag_get(skb)
283   vlan_pr                               vlan_tx_tag_present(skb)
284
285 These extensions can also be prefixed with '#'.
286 Examples for low-level BPF:
287
288 ** ARP packets:
289
290   ldh [12]
291   jne #0x806, drop
292   ret #-1
293   drop: ret #0
294
295 ** IPv4 TCP packets:
296
297   ldh [12]
298   jne #0x800, drop
299   ldb [23]
300   jneq #6, drop
301   ret #-1
302   drop: ret #0
303
304 ** (Accelerated) VLAN w/ id 10:
305
306   ld vlan_tci
307   jneq #10, drop
308   ret #-1
309   drop: ret #0
310
311 ** SECCOMP filter example:
312
313   ld [4]                  /* offsetof(struct seccomp_data, arch) */
314   jne #0xc000003e, bad    /* AUDIT_ARCH_X86_64 */
315   ld [0]                  /* offsetof(struct seccomp_data, nr) */
316   jeq #15, good           /* __NR_rt_sigreturn */
317   jeq #231, good          /* __NR_exit_group */
318   jeq #60, good           /* __NR_exit */
319   jeq #0, good            /* __NR_read */
320   jeq #1, good            /* __NR_write */
321   jeq #5, good            /* __NR_fstat */
322   jeq #9, good            /* __NR_mmap */
323   jeq #14, good           /* __NR_rt_sigprocmask */
324   jeq #13, good           /* __NR_rt_sigaction */
325   jeq #35, good           /* __NR_nanosleep */
326   bad: ret #0             /* SECCOMP_RET_KILL */
327   good: ret #0x7fff0000   /* SECCOMP_RET_ALLOW */
328
329 The above example code can be placed into a file (here called "foo"), and
330 then be passed to the bpf_asm tool for generating opcodes, output that xt_bpf
331 and cls_bpf understands and can directly be loaded with. Example with above
332 ARP code:
333
334 $ ./bpf_asm foo
335 4,40 0 0 12,21 0 1 2054,6 0 0 4294967295,6 0 0 0,
336
337 In copy and paste C-like output:
338
339 $ ./bpf_asm -c foo
340 { 0x28,  0,  0, 0x0000000c },
341 { 0x15,  0,  1, 0x00000806 },
342 { 0x06,  0,  0, 0xffffffff },
343 { 0x06,  0,  0, 0000000000 },
344
345 In particular, as usage with xt_bpf or cls_bpf can result in more complex BPF
346 filters that might not be obvious at first, it's good to test filters before
347 attaching to a live system. For that purpose, there's a small tool called
348 bpf_dbg under tools/net/ in the kernel source directory. This debugger allows
349 for testing BPF filters against given pcap files, single stepping through the
350 BPF code on the pcap's packets and to do BPF machine register dumps.
351
352 Starting bpf_dbg is trivial and just requires issuing:
353
354 # ./bpf_dbg
355
356 In case input and output do not equal stdin/stdout, bpf_dbg takes an
357 alternative stdin source as a first argument, and an alternative stdout
358 sink as a second one, e.g. `./bpf_dbg test_in.txt test_out.txt`.
359
360 Other than that, a particular libreadline configuration can be set via
361 file "~/.bpf_dbg_init" and the command history is stored in the file
362 "~/.bpf_dbg_history".
363
364 Interaction in bpf_dbg happens through a shell that also has auto-completion
365 support (follow-up example commands starting with '>' denote bpf_dbg shell).
366 The usual workflow would be to ...
367
368 > 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
369   Loads a BPF filter from standard output of bpf_asm, or transformed via
370   e.g. `tcpdump -iem1 -ddd port 22 | tr '\n' ','`. Note that for JIT
371   debugging (next section), this command creates a temporary socket and
372   loads the BPF code into the kernel. Thus, this will also be useful for
373   JIT developers.
374
375 > load pcap foo.pcap
376   Loads standard tcpdump pcap file.
377
378 > run [<n>]
379 bpf passes:1 fails:9
380   Runs through all packets from a pcap to account how many passes and fails
381   the filter will generate. A limit of packets to traverse can be given.
382
383 > disassemble
384 l0:     ldh [12]
385 l1:     jeq #0x800, l2, l5
386 l2:     ldb [23]
387 l3:     jeq #0x1, l4, l5
388 l4:     ret #0xffff
389 l5:     ret #0
390   Prints out BPF code disassembly.
391
392 > dump
393 /* { op, jt, jf, k }, */
394 { 0x28,  0,  0, 0x0000000c },
395 { 0x15,  0,  3, 0x00000800 },
396 { 0x30,  0,  0, 0x00000017 },
397 { 0x15,  0,  1, 0x00000001 },
398 { 0x06,  0,  0, 0x0000ffff },
399 { 0x06,  0,  0, 0000000000 },
400   Prints out C-style BPF code dump.
401
402 > breakpoint 0
403 breakpoint at: l0:      ldh [12]
404 > breakpoint 1
405 breakpoint at: l1:      jeq #0x800, l2, l5
406   ...
407   Sets breakpoints at particular BPF instructions. Issuing a `run` command
408   will walk through the pcap file continuing from the current packet and
409   break when a breakpoint is being hit (another `run` will continue from
410   the currently active breakpoint executing next instructions):
411
412   > run
413   -- register dump --
414   pc:       [0]                       <-- program counter
415   code:     [40] jt[0] jf[0] k[12]    <-- plain BPF code of current instruction
416   curr:     l0: ldh [12]              <-- disassembly of current instruction
417   A:        [00000000][0]             <-- content of A (hex, decimal)
418   X:        [00000000][0]             <-- content of X (hex, decimal)
419   M[0,15]:  [00000000][0]             <-- folded content of M (hex, decimal)
420   -- packet dump --                   <-- Current packet from pcap (hex)
421   len: 42
422     0: 00 19 cb 55 55 a4 00 14 a4 43 78 69 08 06 00 01
423    16: 08 00 06 04 00 01 00 14 a4 43 78 69 0a 3b 01 26
424    32: 00 00 00 00 00 00 0a 3b 01 01
425   (breakpoint)
426   >
427
428 > breakpoint
429 breakpoints: 0 1
430   Prints currently set breakpoints.
431
432 > step [-<n>, +<n>]
433   Performs single stepping through the BPF program from the current pc
434   offset. Thus, on each step invocation, above register dump is issued.
435   This can go forwards and backwards in time, a plain `step` will break
436   on the next BPF instruction, thus +1. (No `run` needs to be issued here.)
437
438 > select <n>
439   Selects a given packet from the pcap file to continue from. Thus, on
440   the next `run` or `step`, the BPF program is being evaluated against
441   the user pre-selected packet. Numbering starts just as in Wireshark
442   with index 1.
443
444 > quit
445 #
446   Exits bpf_dbg.
447
448 JIT compiler
449 ------------
450
451 The Linux kernel has a built-in BPF JIT compiler for x86_64, SPARC, PowerPC,
452 ARM and s390 and can be enabled through CONFIG_BPF_JIT. The JIT compiler is
453 transparently invoked for each attached filter from user space or for internal
454 kernel users if it has been previously enabled by root:
455
456   echo 1 > /proc/sys/net/core/bpf_jit_enable
457
458 For JIT developers, doing audits etc, each compile run can output the generated
459 opcode image into the kernel log via:
460
461   echo 2 > /proc/sys/net/core/bpf_jit_enable
462
463 Example output from dmesg:
464
465 [ 3389.935842] flen=6 proglen=70 pass=3 image=ffffffffa0069c8f
466 [ 3389.935847] JIT code: 00000000: 55 48 89 e5 48 83 ec 60 48 89 5d f8 44 8b 4f 68
467 [ 3389.935849] JIT code: 00000010: 44 2b 4f 6c 4c 8b 87 d8 00 00 00 be 0c 00 00 00
468 [ 3389.935850] JIT code: 00000020: e8 1d 94 ff e0 3d 00 08 00 00 75 16 be 17 00 00
469 [ 3389.935851] JIT code: 00000030: 00 e8 28 94 ff e0 83 f8 01 75 07 b8 ff ff 00 00
470 [ 3389.935852] JIT code: 00000040: eb 02 31 c0 c9 c3
471
472 In the kernel source tree under tools/net/, there's bpf_jit_disasm for
473 generating disassembly out of the kernel log's hexdump:
474
475 # ./bpf_jit_disasm
476 70 bytes emitted from JIT compiler (pass:3, flen:6)
477 ffffffffa0069c8f + <x>:
478    0:   push   %rbp
479    1:   mov    %rsp,%rbp
480    4:   sub    $0x60,%rsp
481    8:   mov    %rbx,-0x8(%rbp)
482    c:   mov    0x68(%rdi),%r9d
483   10:   sub    0x6c(%rdi),%r9d
484   14:   mov    0xd8(%rdi),%r8
485   1b:   mov    $0xc,%esi
486   20:   callq  0xffffffffe0ff9442
487   25:   cmp    $0x800,%eax
488   2a:   jne    0x0000000000000042
489   2c:   mov    $0x17,%esi
490   31:   callq  0xffffffffe0ff945e
491   36:   cmp    $0x1,%eax
492   39:   jne    0x0000000000000042
493   3b:   mov    $0xffff,%eax
494   40:   jmp    0x0000000000000044
495   42:   xor    %eax,%eax
496   44:   leaveq
497   45:   retq
498
499 Issuing option `-o` will "annotate" opcodes to resulting assembler
500 instructions, which can be very useful for JIT developers:
501
502 # ./bpf_jit_disasm -o
503 70 bytes emitted from JIT compiler (pass:3, flen:6)
504 ffffffffa0069c8f + <x>:
505    0:   push   %rbp
506         55
507    1:   mov    %rsp,%rbp
508         48 89 e5
509    4:   sub    $0x60,%rsp
510         48 83 ec 60
511    8:   mov    %rbx,-0x8(%rbp)
512         48 89 5d f8
513    c:   mov    0x68(%rdi),%r9d
514         44 8b 4f 68
515   10:   sub    0x6c(%rdi),%r9d
516         44 2b 4f 6c
517   14:   mov    0xd8(%rdi),%r8
518         4c 8b 87 d8 00 00 00
519   1b:   mov    $0xc,%esi
520         be 0c 00 00 00
521   20:   callq  0xffffffffe0ff9442
522         e8 1d 94 ff e0
523   25:   cmp    $0x800,%eax
524         3d 00 08 00 00
525   2a:   jne    0x0000000000000042
526         75 16
527   2c:   mov    $0x17,%esi
528         be 17 00 00 00
529   31:   callq  0xffffffffe0ff945e
530         e8 28 94 ff e0
531   36:   cmp    $0x1,%eax
532         83 f8 01
533   39:   jne    0x0000000000000042
534         75 07
535   3b:   mov    $0xffff,%eax
536         b8 ff ff 00 00
537   40:   jmp    0x0000000000000044
538         eb 02
539   42:   xor    %eax,%eax
540         31 c0
541   44:   leaveq
542         c9
543   45:   retq
544         c3
545
546 For BPF JIT developers, bpf_jit_disasm, bpf_asm and bpf_dbg provides a useful
547 toolchain for developing and testing the kernel's JIT compiler.
548
549 BPF kernel internals
550 --------------------
551 Internally, for the kernel interpreter, a different BPF instruction set
552 format with similar underlying principles from BPF described in previous
553 paragraphs is being used. However, the instruction set format is modelled
554 closer to the underlying architecture to mimic native instruction sets, so
555 that a better performance can be achieved (more details later).
556
557 It is designed to be JITed with one to one mapping, which can also open up
558 the possibility for GCC/LLVM compilers to generate optimized BPF code through
559 a BPF backend that performs almost as fast as natively compiled code.
560
561 The new instruction set was originally designed with the possible goal in
562 mind to write programs in "restricted C" and compile into BPF with a optional
563 GCC/LLVM backend, so that it can just-in-time map to modern 64-bit CPUs with
564 minimal performance overhead over two steps, that is, C -> BPF -> native code.
565
566 Currently, the new format is being used for running user BPF programs, which
567 includes seccomp BPF, classic socket filters, cls_bpf traffic classifier,
568 team driver's classifier for its load-balancing mode, netfilter's xt_bpf
569 extension, PTP dissector/classifier, and much more. They are all internally
570 converted by the kernel into the new instruction set representation and run
571 in the extended interpreter. For in-kernel handlers, this all works
572 transparently by using sk_unattached_filter_create() for setting up the
573 filter, resp. sk_unattached_filter_destroy() for destroying it. The macro
574 SK_RUN_FILTER(filter, ctx) transparently invokes the right BPF function to
575 run the filter. 'filter' is a pointer to struct sk_filter that we got from
576 sk_unattached_filter_create(), and 'ctx' the given context (e.g. skb pointer).
577 All constraints and restrictions from sk_chk_filter() apply before a
578 conversion to the new layout is being done behind the scenes!
579
580 Currently, for JITing, the user BPF format is being used and current BPF JIT
581 compilers reused whenever possible. In other words, we do not (yet!) perform
582 a JIT compilation in the new layout, however, future work will successively
583 migrate traditional JIT compilers into the new instruction format as well, so
584 that they will profit from the very same benefits. Thus, when speaking about
585 JIT in the following, a JIT compiler (TBD) for the new instruction format is
586 meant in this context.
587
588 Some core changes of the new internal format:
589
590 - Number of registers increase from 2 to 10:
591
592   The old format had two registers A and X, and a hidden frame pointer. The
593   new layout extends this to be 10 internal registers and a read-only frame
594   pointer. Since 64-bit CPUs are passing arguments to functions via registers
595   the number of args from BPF program to in-kernel function is restricted
596   to 5 and one register is used to accept return value from an in-kernel
597   function. Natively, x86_64 passes first 6 arguments in registers, aarch64/
598   sparcv9/mips64 have 7 - 8 registers for arguments; x86_64 has 6 callee saved
599   registers, and aarch64/sparcv9/mips64 have 11 or more callee saved registers.
600
601   Therefore, BPF calling convention is defined as:
602
603     * R0        - return value from in-kernel function
604     * R1 - R5   - arguments from BPF program to in-kernel function
605     * R6 - R9   - callee saved registers that in-kernel function will preserve
606     * R10       - read-only frame pointer to access stack
607
608   Thus, all BPF registers map one to one to HW registers on x86_64, aarch64,
609   etc, and BPF calling convention maps directly to ABIs used by the kernel on
610   64-bit architectures.
611
612   On 32-bit architectures JIT may map programs that use only 32-bit arithmetic
613   and may let more complex programs to be interpreted.
614
615   R0 - R5 are scratch registers and BPF program needs spill/fill them if
616   necessary across calls. Note that there is only one BPF program (== one BPF
617   main routine) and it cannot call other BPF functions, it can only call
618   predefined in-kernel functions, though.
619
620 - Register width increases from 32-bit to 64-bit:
621
622   Still, the semantics of the original 32-bit ALU operations are preserved
623   via 32-bit subregisters. All BPF registers are 64-bit with 32-bit lower
624   subregisters that zero-extend into 64-bit if they are being written to.
625   That behavior maps directly to x86_64 and arm64 subregister definition, but
626   makes other JITs more difficult.
627
628   32-bit architectures run 64-bit internal BPF programs via interpreter.
629   Their JITs may convert BPF programs that only use 32-bit subregisters into
630   native instruction set and let the rest being interpreted.
631
632   Operation is 64-bit, because on 64-bit architectures, pointers are also
633   64-bit wide, and we want to pass 64-bit values in/out of kernel functions,
634   so 32-bit BPF registers would otherwise require to define register-pair
635   ABI, thus, there won't be able to use a direct BPF register to HW register
636   mapping and JIT would need to do combine/split/move operations for every
637   register in and out of the function, which is complex, bug prone and slow.
638   Another reason is the use of atomic 64-bit counters.
639
640 - Conditional jt/jf targets replaced with jt/fall-through:
641
642   While the original design has constructs such as "if (cond) jump_true;
643   else jump_false;", they are being replaced into alternative constructs like
644   "if (cond) jump_true; /* else fall-through */".
645
646 - Introduces bpf_call insn and register passing convention for zero overhead
647   calls from/to other kernel functions:
648
649   After a kernel function call, R1 - R5 are reset to unreadable and R0 has a
650   return type of the function. Since R6 - R9 are callee saved, their state is
651   preserved across the call.
652
653 Also in the new design, BPF is limited to 4096 insns, which means that any
654 program will terminate quickly and will only call a fixed number of kernel
655 functions. Original BPF and the new format are two operand instructions,
656 which helps to do one-to-one mapping between BPF insn and x86 insn during JIT.
657
658 The input context pointer for invoking the interpreter function is generic,
659 its content is defined by a specific use case. For seccomp register R1 points
660 to seccomp_data, for converted BPF filters R1 points to a skb.
661
662 A program, that is translated internally consists of the following elements:
663
664   op:16, jt:8, jf:8, k:32    ==>    op:8, a_reg:4, x_reg:4, off:16, imm:32
665
666 Just like the original BPF, the new format runs within a controlled environment,
667 is deterministic and the kernel can easily prove that. The safety of the program
668 can be determined in two steps: first step does depth-first-search to disallow
669 loops and other CFG validation; second step starts from the first insn and
670 descends all possible paths. It simulates execution of every insn and observes
671 the state change of registers and stack.
672
673 Misc
674 ----
675
676 Also trinity, the Linux syscall fuzzer, has built-in support for BPF and
677 SECCOMP-BPF kernel fuzzing.
678
679 Written by
680 ----------
681
682 The document was written in the hope that it is found useful and in order
683 to give potential BPF hackers or security auditors a better overview of
684 the underlying architecture.
685
686 Jay Schulist <jschlst@samba.org>
687 Daniel Borkmann <dborkman@redhat.com>
688 Alexei Starovoitov <ast@plumgrid.com>