Merge git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/davem/net-next
[sfrench/cifs-2.6.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, ARM64, MIPS and s390 and can be enabled through CONFIG_BPF_JIT. The JIT
466 compiler is transparently invoked for each attached filter from user space
467 or for internal 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 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). This new
569 ISA is called 'eBPF' or 'internal BPF' interchangeably. (Note: eBPF which
570 originates from [e]xtended BPF is not the same as BPF extensions! While
571 eBPF is an ISA, BPF extensions date back to classic BPF's 'overloading'
572 of BPF_LD | BPF_{B,H,W} | BPF_ABS instruction.)
573
574 It is designed to be JITed with one to one mapping, which can also open up
575 the possibility for GCC/LLVM compilers to generate optimized eBPF code through
576 an eBPF backend that performs almost as fast as natively compiled code.
577
578 The new instruction set was originally designed with the possible goal in
579 mind to write programs in "restricted C" and compile into eBPF with a optional
580 GCC/LLVM backend, so that it can just-in-time map to modern 64-bit CPUs with
581 minimal performance overhead over two steps, that is, C -> eBPF -> native code.
582
583 Currently, the new format is being used for running user BPF programs, which
584 includes seccomp BPF, classic socket filters, cls_bpf traffic classifier,
585 team driver's classifier for its load-balancing mode, netfilter's xt_bpf
586 extension, PTP dissector/classifier, and much more. They are all internally
587 converted by the kernel into the new instruction set representation and run
588 in the eBPF interpreter. For in-kernel handlers, this all works transparently
589 by using bpf_prog_create() for setting up the filter, resp.
590 bpf_prog_destroy() for destroying it. The macro
591 BPF_PROG_RUN(filter, ctx) transparently invokes eBPF interpreter or JITed
592 code to run the filter. 'filter' is a pointer to struct bpf_prog that we
593 got from bpf_prog_create(), and 'ctx' the given context (e.g.
594 skb pointer). All constraints and restrictions from bpf_check_classic() apply
595 before a conversion to the new layout is being done behind the scenes!
596
597 Currently, the classic BPF format is being used for JITing on most of the
598 architectures. Only x86-64 performs JIT compilation from eBPF instruction set,
599 however, future work will migrate other JIT compilers as well, so that they
600 will profit from the very same benefits.
601
602 Some core changes of the new internal format:
603
604 - Number of registers increase from 2 to 10:
605
606   The old format had two registers A and X, and a hidden frame pointer. The
607   new layout extends this to be 10 internal registers and a read-only frame
608   pointer. Since 64-bit CPUs are passing arguments to functions via registers
609   the number of args from eBPF program to in-kernel function is restricted
610   to 5 and one register is used to accept return value from an in-kernel
611   function. Natively, x86_64 passes first 6 arguments in registers, aarch64/
612   sparcv9/mips64 have 7 - 8 registers for arguments; x86_64 has 6 callee saved
613   registers, and aarch64/sparcv9/mips64 have 11 or more callee saved registers.
614
615   Therefore, eBPF calling convention is defined as:
616
617     * R0        - return value from in-kernel function, and exit value for eBPF program
618     * R1 - R5   - arguments from eBPF program to in-kernel function
619     * R6 - R9   - callee saved registers that in-kernel function will preserve
620     * R10       - read-only frame pointer to access stack
621
622   Thus, all eBPF registers map one to one to HW registers on x86_64, aarch64,
623   etc, and eBPF calling convention maps directly to ABIs used by the kernel on
624   64-bit architectures.
625
626   On 32-bit architectures JIT may map programs that use only 32-bit arithmetic
627   and may let more complex programs to be interpreted.
628
629   R0 - R5 are scratch registers and eBPF program needs spill/fill them if
630   necessary across calls. Note that there is only one eBPF program (== one
631   eBPF main routine) and it cannot call other eBPF functions, it can only
632   call predefined in-kernel functions, though.
633
634 - Register width increases from 32-bit to 64-bit:
635
636   Still, the semantics of the original 32-bit ALU operations are preserved
637   via 32-bit subregisters. All eBPF registers are 64-bit with 32-bit lower
638   subregisters that zero-extend into 64-bit if they are being written to.
639   That behavior maps directly to x86_64 and arm64 subregister definition, but
640   makes other JITs more difficult.
641
642   32-bit architectures run 64-bit internal BPF programs via interpreter.
643   Their JITs may convert BPF programs that only use 32-bit subregisters into
644   native instruction set and let the rest being interpreted.
645
646   Operation is 64-bit, because on 64-bit architectures, pointers are also
647   64-bit wide, and we want to pass 64-bit values in/out of kernel functions,
648   so 32-bit eBPF registers would otherwise require to define register-pair
649   ABI, thus, there won't be able to use a direct eBPF register to HW register
650   mapping and JIT would need to do combine/split/move operations for every
651   register in and out of the function, which is complex, bug prone and slow.
652   Another reason is the use of atomic 64-bit counters.
653
654 - Conditional jt/jf targets replaced with jt/fall-through:
655
656   While the original design has constructs such as "if (cond) jump_true;
657   else jump_false;", they are being replaced into alternative constructs like
658   "if (cond) jump_true; /* else fall-through */".
659
660 - Introduces bpf_call insn and register passing convention for zero overhead
661   calls from/to other kernel functions:
662
663   Before an in-kernel function call, the internal BPF program needs to
664   place function arguments into R1 to R5 registers to satisfy calling
665   convention, then the interpreter will take them from registers and pass
666   to in-kernel function. If R1 - R5 registers are mapped to CPU registers
667   that are used for argument passing on given architecture, the JIT compiler
668   doesn't need to emit extra moves. Function arguments will be in the correct
669   registers and BPF_CALL instruction will be JITed as single 'call' HW
670   instruction. This calling convention was picked to cover common call
671   situations without performance penalty.
672
673   After an in-kernel function call, R1 - R5 are reset to unreadable and R0 has
674   a return value of the function. Since R6 - R9 are callee saved, their state
675   is preserved across the call.
676
677   For example, consider three C functions:
678
679   u64 f1() { return (*_f2)(1); }
680   u64 f2(u64 a) { return f3(a + 1, a); }
681   u64 f3(u64 a, u64 b) { return a - b; }
682
683   GCC can compile f1, f3 into x86_64:
684
685   f1:
686     movl $1, %edi
687     movq _f2(%rip), %rax
688     jmp  *%rax
689   f3:
690     movq %rdi, %rax
691     subq %rsi, %rax
692     ret
693
694   Function f2 in eBPF may look like:
695
696   f2:
697     bpf_mov R2, R1
698     bpf_add R1, 1
699     bpf_call f3
700     bpf_exit
701
702   If f2 is JITed and the pointer stored to '_f2'. The calls f1 -> f2 -> f3 and
703   returns will be seamless. Without JIT, __sk_run_filter() interpreter needs to
704   be used to call into f2.
705
706   For practical reasons all eBPF programs have only one argument 'ctx' which is
707   already placed into R1 (e.g. on __sk_run_filter() startup) and the programs
708   can call kernel functions with up to 5 arguments. Calls with 6 or more arguments
709   are currently not supported, but these restrictions can be lifted if necessary
710   in the future.
711
712   On 64-bit architectures all register map to HW registers one to one. For
713   example, x86_64 JIT compiler can map them as ...
714
715     R0 - rax
716     R1 - rdi
717     R2 - rsi
718     R3 - rdx
719     R4 - rcx
720     R5 - r8
721     R6 - rbx
722     R7 - r13
723     R8 - r14
724     R9 - r15
725     R10 - rbp
726
727   ... since x86_64 ABI mandates rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9 for argument passing
728   and rbx, r12 - r15 are callee saved.
729
730   Then the following internal BPF pseudo-program:
731
732     bpf_mov R6, R1 /* save ctx */
733     bpf_mov R2, 2
734     bpf_mov R3, 3
735     bpf_mov R4, 4
736     bpf_mov R5, 5
737     bpf_call foo
738     bpf_mov R7, R0 /* save foo() return value */
739     bpf_mov R1, R6 /* restore ctx for next call */
740     bpf_mov R2, 6
741     bpf_mov R3, 7
742     bpf_mov R4, 8
743     bpf_mov R5, 9
744     bpf_call bar
745     bpf_add R0, R7
746     bpf_exit
747
748   After JIT to x86_64 may look like:
749
750     push %rbp
751     mov %rsp,%rbp
752     sub $0x228,%rsp
753     mov %rbx,-0x228(%rbp)
754     mov %r13,-0x220(%rbp)
755     mov %rdi,%rbx
756     mov $0x2,%esi
757     mov $0x3,%edx
758     mov $0x4,%ecx
759     mov $0x5,%r8d
760     callq foo
761     mov %rax,%r13
762     mov %rbx,%rdi
763     mov $0x2,%esi
764     mov $0x3,%edx
765     mov $0x4,%ecx
766     mov $0x5,%r8d
767     callq bar
768     add %r13,%rax
769     mov -0x228(%rbp),%rbx
770     mov -0x220(%rbp),%r13
771     leaveq
772     retq
773
774   Which is in this example equivalent in C to:
775
776     u64 bpf_filter(u64 ctx)
777     {
778         return foo(ctx, 2, 3, 4, 5) + bar(ctx, 6, 7, 8, 9);
779     }
780
781   In-kernel functions foo() and bar() with prototype: u64 (*)(u64 arg1, u64
782   arg2, u64 arg3, u64 arg4, u64 arg5); will receive arguments in proper
783   registers and place their return value into '%rax' which is R0 in eBPF.
784   Prologue and epilogue are emitted by JIT and are implicit in the
785   interpreter. R0-R5 are scratch registers, so eBPF program needs to preserve
786   them across the calls as defined by calling convention.
787
788   For example the following program is invalid:
789
790     bpf_mov R1, 1
791     bpf_call foo
792     bpf_mov R0, R1
793     bpf_exit
794
795   After the call the registers R1-R5 contain junk values and cannot be read.
796   In the future an eBPF verifier can be used to validate internal BPF programs.
797
798 Also in the new design, eBPF is limited to 4096 insns, which means that any
799 program will terminate quickly and will only call a fixed number of kernel
800 functions. Original BPF and the new format are two operand instructions,
801 which helps to do one-to-one mapping between eBPF insn and x86 insn during JIT.
802
803 The input context pointer for invoking the interpreter function is generic,
804 its content is defined by a specific use case. For seccomp register R1 points
805 to seccomp_data, for converted BPF filters R1 points to a skb.
806
807 A program, that is translated internally consists of the following elements:
808
809   op:16, jt:8, jf:8, k:32    ==>    op:8, dst_reg:4, src_reg:4, off:16, imm:32
810
811 So far 87 internal BPF instructions were implemented. 8-bit 'op' opcode field
812 has room for new instructions. Some of them may use 16/24/32 byte encoding. New
813 instructions must be multiple of 8 bytes to preserve backward compatibility.
814
815 Internal BPF is a general purpose RISC instruction set. Not every register and
816 every instruction are used during translation from original BPF to new format.
817 For example, socket filters are not using 'exclusive add' instruction, but
818 tracing filters may do to maintain counters of events, for example. Register R9
819 is not used by socket filters either, but more complex filters may be running
820 out of registers and would have to resort to spill/fill to stack.
821
822 Internal BPF can used as generic assembler for last step performance
823 optimizations, socket filters and seccomp are using it as assembler. Tracing
824 filters may use it as assembler to generate code from kernel. In kernel usage
825 may not be bounded by security considerations, since generated internal BPF code
826 may be optimizing internal code path and not being exposed to the user space.
827 Safety of internal BPF can come from a verifier (TBD). In such use cases as
828 described, it may be used as safe instruction set.
829
830 Just like the original BPF, the new format runs within a controlled environment,
831 is deterministic and the kernel can easily prove that. The safety of the program
832 can be determined in two steps: first step does depth-first-search to disallow
833 loops and other CFG validation; second step starts from the first insn and
834 descends all possible paths. It simulates execution of every insn and observes
835 the state change of registers and stack.
836
837 eBPF opcode encoding
838 --------------------
839
840 eBPF is reusing most of the opcode encoding from classic to simplify conversion
841 of classic BPF to eBPF. For arithmetic and jump instructions the 8-bit 'code'
842 field is divided into three parts:
843
844   +----------------+--------+--------------------+
845   |   4 bits       |  1 bit |   3 bits           |
846   | operation code | source | instruction class  |
847   +----------------+--------+--------------------+
848   (MSB)                                      (LSB)
849
850 Three LSB bits store instruction class which is one of:
851
852   Classic BPF classes:    eBPF classes:
853
854   BPF_LD    0x00          BPF_LD    0x00
855   BPF_LDX   0x01          BPF_LDX   0x01
856   BPF_ST    0x02          BPF_ST    0x02
857   BPF_STX   0x03          BPF_STX   0x03
858   BPF_ALU   0x04          BPF_ALU   0x04
859   BPF_JMP   0x05          BPF_JMP   0x05
860   BPF_RET   0x06          [ class 6 unused, for future if needed ]
861   BPF_MISC  0x07          BPF_ALU64 0x07
862
863 When BPF_CLASS(code) == BPF_ALU or BPF_JMP, 4th bit encodes source operand ...
864
865   BPF_K     0x00
866   BPF_X     0x08
867
868  * in classic BPF, this means:
869
870   BPF_SRC(code) == BPF_X - use register X as source operand
871   BPF_SRC(code) == BPF_K - use 32-bit immediate as source operand
872
873  * in eBPF, this means:
874
875   BPF_SRC(code) == BPF_X - use 'src_reg' register as source operand
876   BPF_SRC(code) == BPF_K - use 32-bit immediate as source operand
877
878 ... and four MSB bits store operation code.
879
880 If BPF_CLASS(code) == BPF_ALU or BPF_ALU64 [ in eBPF ], BPF_OP(code) is one of:
881
882   BPF_ADD   0x00
883   BPF_SUB   0x10
884   BPF_MUL   0x20
885   BPF_DIV   0x30
886   BPF_OR    0x40
887   BPF_AND   0x50
888   BPF_LSH   0x60
889   BPF_RSH   0x70
890   BPF_NEG   0x80
891   BPF_MOD   0x90
892   BPF_XOR   0xa0
893   BPF_MOV   0xb0  /* eBPF only: mov reg to reg */
894   BPF_ARSH  0xc0  /* eBPF only: sign extending shift right */
895   BPF_END   0xd0  /* eBPF only: endianness conversion */
896
897 If BPF_CLASS(code) == BPF_JMP, BPF_OP(code) is one of:
898
899   BPF_JA    0x00
900   BPF_JEQ   0x10
901   BPF_JGT   0x20
902   BPF_JGE   0x30
903   BPF_JSET  0x40
904   BPF_JNE   0x50  /* eBPF only: jump != */
905   BPF_JSGT  0x60  /* eBPF only: signed '>' */
906   BPF_JSGE  0x70  /* eBPF only: signed '>=' */
907   BPF_CALL  0x80  /* eBPF only: function call */
908   BPF_EXIT  0x90  /* eBPF only: function return */
909
910 So BPF_ADD | BPF_X | BPF_ALU means 32-bit addition in both classic BPF
911 and eBPF. There are only two registers in classic BPF, so it means A += X.
912 In eBPF it means dst_reg = (u32) dst_reg + (u32) src_reg; similarly,
913 BPF_XOR | BPF_K | BPF_ALU means A ^= imm32 in classic BPF and analogous
914 src_reg = (u32) src_reg ^ (u32) imm32 in eBPF.
915
916 Classic BPF is using BPF_MISC class to represent A = X and X = A moves.
917 eBPF is using BPF_MOV | BPF_X | BPF_ALU code instead. Since there are no
918 BPF_MISC operations in eBPF, the class 7 is used as BPF_ALU64 to mean
919 exactly the same operations as BPF_ALU, but with 64-bit wide operands
920 instead. So BPF_ADD | BPF_X | BPF_ALU64 means 64-bit addition, i.e.:
921 dst_reg = dst_reg + src_reg
922
923 Classic BPF wastes the whole BPF_RET class to represent a single 'ret'
924 operation. Classic BPF_RET | BPF_K means copy imm32 into return register
925 and perform function exit. eBPF is modeled to match CPU, so BPF_JMP | BPF_EXIT
926 in eBPF means function exit only. The eBPF program needs to store return
927 value into register R0 before doing a BPF_EXIT. Class 6 in eBPF is currently
928 unused and reserved for future use.
929
930 For load and store instructions the 8-bit 'code' field is divided as:
931
932   +--------+--------+-------------------+
933   | 3 bits | 2 bits |   3 bits          |
934   |  mode  |  size  | instruction class |
935   +--------+--------+-------------------+
936   (MSB)                             (LSB)
937
938 Size modifier is one of ...
939
940   BPF_W   0x00    /* word */
941   BPF_H   0x08    /* half word */
942   BPF_B   0x10    /* byte */
943   BPF_DW  0x18    /* eBPF only, double word */
944
945 ... which encodes size of load/store operation:
946
947  B  - 1 byte
948  H  - 2 byte
949  W  - 4 byte
950  DW - 8 byte (eBPF only)
951
952 Mode modifier is one of:
953
954   BPF_IMM  0x00  /* used for 32-bit mov in classic BPF and 64-bit in eBPF */
955   BPF_ABS  0x20
956   BPF_IND  0x40
957   BPF_MEM  0x60
958   BPF_LEN  0x80  /* classic BPF only, reserved in eBPF */
959   BPF_MSH  0xa0  /* classic BPF only, reserved in eBPF */
960   BPF_XADD 0xc0  /* eBPF only, exclusive add */
961
962 eBPF has two non-generic instructions: (BPF_ABS | <size> | BPF_LD) and
963 (BPF_IND | <size> | BPF_LD) which are used to access packet data.
964
965 They had to be carried over from classic to have strong performance of
966 socket filters running in eBPF interpreter. These instructions can only
967 be used when interpreter context is a pointer to 'struct sk_buff' and
968 have seven implicit operands. Register R6 is an implicit input that must
969 contain pointer to sk_buff. Register R0 is an implicit output which contains
970 the data fetched from the packet. Registers R1-R5 are scratch registers
971 and must not be used to store the data across BPF_ABS | BPF_LD or
972 BPF_IND | BPF_LD instructions.
973
974 These instructions have implicit program exit condition as well. When
975 eBPF program is trying to access the data beyond the packet boundary,
976 the interpreter will abort the execution of the program. JIT compilers
977 therefore must preserve this property. src_reg and imm32 fields are
978 explicit inputs to these instructions.
979
980 For example:
981
982   BPF_IND | BPF_W | BPF_LD means:
983
984     R0 = ntohl(*(u32 *) (((struct sk_buff *) R6)->data + src_reg + imm32))
985     and R1 - R5 were scratched.
986
987 Unlike classic BPF instruction set, eBPF has generic load/store operations:
988
989 BPF_MEM | <size> | BPF_STX:  *(size *) (dst_reg + off) = src_reg
990 BPF_MEM | <size> | BPF_ST:   *(size *) (dst_reg + off) = imm32
991 BPF_MEM | <size> | BPF_LDX:  dst_reg = *(size *) (src_reg + off)
992 BPF_XADD | BPF_W  | BPF_STX: lock xadd *(u32 *)(dst_reg + off16) += src_reg
993 BPF_XADD | BPF_DW | BPF_STX: lock xadd *(u64 *)(dst_reg + off16) += src_reg
994
995 Where size is one of: BPF_B or BPF_H or BPF_W or BPF_DW. Note that 1 and
996 2 byte atomic increments are not supported.
997
998 eBPF has one 16-byte instruction: BPF_LD | BPF_DW | BPF_IMM which consists
999 of two consecutive 'struct bpf_insn' 8-byte blocks and interpreted as single
1000 instruction that loads 64-bit immediate value into a dst_reg.
1001 Classic BPF has similar instruction: BPF_LD | BPF_W | BPF_IMM which loads
1002 32-bit immediate value into a register.
1003
1004 eBPF verifier
1005 -------------
1006 The safety of the eBPF program is determined in two steps.
1007
1008 First step does DAG check to disallow loops and other CFG validation.
1009 In particular it will detect programs that have unreachable instructions.
1010 (though classic BPF checker allows them)
1011
1012 Second step starts from the first insn and descends all possible paths.
1013 It simulates execution of every insn and observes the state change of
1014 registers and stack.
1015
1016 At the start of the program the register R1 contains a pointer to context
1017 and has type PTR_TO_CTX.
1018 If verifier sees an insn that does R2=R1, then R2 has now type
1019 PTR_TO_CTX as well and can be used on the right hand side of expression.
1020 If R1=PTR_TO_CTX and insn is R2=R1+R1, then R2=UNKNOWN_VALUE,
1021 since addition of two valid pointers makes invalid pointer.
1022 (In 'secure' mode verifier will reject any type of pointer arithmetic to make
1023 sure that kernel addresses don't leak to unprivileged users)
1024
1025 If register was never written to, it's not readable:
1026   bpf_mov R0 = R2
1027   bpf_exit
1028 will be rejected, since R2 is unreadable at the start of the program.
1029
1030 After kernel function call, R1-R5 are reset to unreadable and
1031 R0 has a return type of the function.
1032
1033 Since R6-R9 are callee saved, their state is preserved across the call.
1034   bpf_mov R6 = 1
1035   bpf_call foo
1036   bpf_mov R0 = R6
1037   bpf_exit
1038 is a correct program. If there was R1 instead of R6, it would have
1039 been rejected.
1040
1041 load/store instructions are allowed only with registers of valid types, which
1042 are PTR_TO_CTX, PTR_TO_MAP, FRAME_PTR. They are bounds and alignment checked.
1043 For example:
1044  bpf_mov R1 = 1
1045  bpf_mov R2 = 2
1046  bpf_xadd *(u32 *)(R1 + 3) += R2
1047  bpf_exit
1048 will be rejected, since R1 doesn't have a valid pointer type at the time of
1049 execution of instruction bpf_xadd.
1050
1051 At the start R1 type is PTR_TO_CTX (a pointer to generic 'struct bpf_context')
1052 A callback is used to customize verifier to restrict eBPF program access to only
1053 certain fields within ctx structure with specified size and alignment.
1054
1055 For example, the following insn:
1056   bpf_ld R0 = *(u32 *)(R6 + 8)
1057 intends to load a word from address R6 + 8 and store it into R0
1058 If R6=PTR_TO_CTX, via is_valid_access() callback the verifier will know
1059 that offset 8 of size 4 bytes can be accessed for reading, otherwise
1060 the verifier will reject the program.
1061 If R6=FRAME_PTR, then access should be aligned and be within
1062 stack bounds, which are [-MAX_BPF_STACK, 0). In this example offset is 8,
1063 so it will fail verification, since it's out of bounds.
1064
1065 The verifier will allow eBPF program to read data from stack only after
1066 it wrote into it.
1067 Classic BPF verifier does similar check with M[0-15] memory slots.
1068 For example:
1069   bpf_ld R0 = *(u32 *)(R10 - 4)
1070   bpf_exit
1071 is invalid program.
1072 Though R10 is correct read-only register and has type FRAME_PTR
1073 and R10 - 4 is within stack bounds, there were no stores into that location.
1074
1075 Pointer register spill/fill is tracked as well, since four (R6-R9)
1076 callee saved registers may not be enough for some programs.
1077
1078 Allowed function calls are customized with bpf_verifier_ops->get_func_proto()
1079 The eBPF verifier will check that registers match argument constraints.
1080 After the call register R0 will be set to return type of the function.
1081
1082 Function calls is a main mechanism to extend functionality of eBPF programs.
1083 Socket filters may let programs to call one set of functions, whereas tracing
1084 filters may allow completely different set.
1085
1086 If a function made accessible to eBPF program, it needs to be thought through
1087 from safety point of view. The verifier will guarantee that the function is
1088 called with valid arguments.
1089
1090 seccomp vs socket filters have different security restrictions for classic BPF.
1091 Seccomp solves this by two stage verifier: classic BPF verifier is followed
1092 by seccomp verifier. In case of eBPF one configurable verifier is shared for
1093 all use cases.
1094
1095 See details of eBPF verifier in kernel/bpf/verifier.c
1096
1097 eBPF maps
1098 ---------
1099 'maps' is a generic storage of different types for sharing data between kernel
1100 and userspace.
1101
1102 The maps are accessed from user space via BPF syscall, which has commands:
1103 - create a map with given type and attributes
1104   map_fd = bpf(BPF_MAP_CREATE, union bpf_attr *attr, u32 size)
1105   using attr->map_type, attr->key_size, attr->value_size, attr->max_entries
1106   returns process-local file descriptor or negative error
1107
1108 - lookup key in a given map
1109   err = bpf(BPF_MAP_LOOKUP_ELEM, union bpf_attr *attr, u32 size)
1110   using attr->map_fd, attr->key, attr->value
1111   returns zero and stores found elem into value or negative error
1112
1113 - create or update key/value pair in a given map
1114   err = bpf(BPF_MAP_UPDATE_ELEM, union bpf_attr *attr, u32 size)
1115   using attr->map_fd, attr->key, attr->value
1116   returns zero or negative error
1117
1118 - find and delete element by key in a given map
1119   err = bpf(BPF_MAP_DELETE_ELEM, union bpf_attr *attr, u32 size)
1120   using attr->map_fd, attr->key
1121
1122 - to delete map: close(fd)
1123   Exiting process will delete maps automatically
1124
1125 userspace programs use this syscall to create/access maps that eBPF programs
1126 are concurrently updating.
1127
1128 maps can have different types: hash, array, bloom filter, radix-tree, etc.
1129
1130 The map is defined by:
1131   . type
1132   . max number of elements
1133   . key size in bytes
1134   . value size in bytes
1135
1136 Understanding eBPF verifier messages
1137 ------------------------------------
1138
1139 The following are few examples of invalid eBPF programs and verifier error
1140 messages as seen in the log:
1141
1142 Program with unreachable instructions:
1143 static struct bpf_insn prog[] = {
1144   BPF_EXIT_INSN(),
1145   BPF_EXIT_INSN(),
1146 };
1147 Error:
1148   unreachable insn 1
1149
1150 Program that reads uninitialized register:
1151   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_0, BPF_REG_2),
1152   BPF_EXIT_INSN(),
1153 Error:
1154   0: (bf) r0 = r2
1155   R2 !read_ok
1156
1157 Program that doesn't initialize R0 before exiting:
1158   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_1),
1159   BPF_EXIT_INSN(),
1160 Error:
1161   0: (bf) r2 = r1
1162   1: (95) exit
1163   R0 !read_ok
1164
1165 Program that accesses stack out of bounds:
1166   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_10, 8, 0),
1167   BPF_EXIT_INSN(),
1168 Error:
1169   0: (7a) *(u64 *)(r10 +8) = 0
1170   invalid stack off=8 size=8
1171
1172 Program that doesn't initialize stack before passing its address into function:
1173   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),
1174   BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -8),
1175   BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_1, 0),
1176   BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),
1177   BPF_EXIT_INSN(),
1178 Error:
1179   0: (bf) r2 = r10
1180   1: (07) r2 += -8
1181   2: (b7) r1 = 0x0
1182   3: (85) call 1
1183   invalid indirect read from stack off -8+0 size 8
1184
1185 Program that uses invalid map_fd=0 while calling to map_lookup_elem() function:
1186   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_10, -8, 0),
1187   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),
1188   BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -8),
1189   BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_1, 0),
1190   BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),
1191   BPF_EXIT_INSN(),
1192 Error:
1193   0: (7a) *(u64 *)(r10 -8) = 0
1194   1: (bf) r2 = r10
1195   2: (07) r2 += -8
1196   3: (b7) r1 = 0x0
1197   4: (85) call 1
1198   fd 0 is not pointing to valid bpf_map
1199
1200 Program that doesn't check return value of map_lookup_elem() before accessing
1201 map element:
1202   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_10, -8, 0),
1203   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),
1204   BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -8),
1205   BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_1, 0),
1206   BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),
1207   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_0, 0, 0),
1208   BPF_EXIT_INSN(),
1209 Error:
1210   0: (7a) *(u64 *)(r10 -8) = 0
1211   1: (bf) r2 = r10
1212   2: (07) r2 += -8
1213   3: (b7) r1 = 0x0
1214   4: (85) call 1
1215   5: (7a) *(u64 *)(r0 +0) = 0
1216   R0 invalid mem access 'map_value_or_null'
1217
1218 Program that correctly checks map_lookup_elem() returned value for NULL, but
1219 accesses the memory with incorrect alignment:
1220   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_10, -8, 0),
1221   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),
1222   BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -8),
1223   BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_1, 0),
1224   BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),
1225   BPF_JMP_IMM(BPF_JEQ, BPF_REG_0, 0, 1),
1226   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_0, 4, 0),
1227   BPF_EXIT_INSN(),
1228 Error:
1229   0: (7a) *(u64 *)(r10 -8) = 0
1230   1: (bf) r2 = r10
1231   2: (07) r2 += -8
1232   3: (b7) r1 = 1
1233   4: (85) call 1
1234   5: (15) if r0 == 0x0 goto pc+1
1235    R0=map_ptr R10=fp
1236   6: (7a) *(u64 *)(r0 +4) = 0
1237   misaligned access off 4 size 8
1238
1239 Program that correctly checks map_lookup_elem() returned value for NULL and
1240 accesses memory with correct alignment in one side of 'if' branch, but fails
1241 to do so in the other side of 'if' branch:
1242   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_10, -8, 0),
1243   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),
1244   BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -8),
1245   BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_1, 0),
1246   BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),
1247   BPF_JMP_IMM(BPF_JEQ, BPF_REG_0, 0, 2),
1248   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_0, 0, 0),
1249   BPF_EXIT_INSN(),
1250   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_0, 0, 1),
1251   BPF_EXIT_INSN(),
1252 Error:
1253   0: (7a) *(u64 *)(r10 -8) = 0
1254   1: (bf) r2 = r10
1255   2: (07) r2 += -8
1256   3: (b7) r1 = 1
1257   4: (85) call 1
1258   5: (15) if r0 == 0x0 goto pc+2
1259    R0=map_ptr R10=fp
1260   6: (7a) *(u64 *)(r0 +0) = 0
1261   7: (95) exit
1262
1263   from 5 to 8: R0=imm0 R10=fp
1264   8: (7a) *(u64 *)(r0 +0) = 1
1265   R0 invalid mem access 'imm'
1266
1267 Testing
1268 -------
1269
1270 Next to the BPF toolchain, the kernel also ships a test module that contains
1271 various test cases for classic and internal BPF that can be executed against
1272 the BPF interpreter and JIT compiler. It can be found in lib/test_bpf.c and
1273 enabled via Kconfig:
1274
1275   CONFIG_TEST_BPF=m
1276
1277 After the module has been built and installed, the test suite can be executed
1278 via insmod or modprobe against 'test_bpf' module. Results of the test cases
1279 including timings in nsec can be found in the kernel log (dmesg).
1280
1281 Misc
1282 ----
1283
1284 Also trinity, the Linux syscall fuzzer, has built-in support for BPF and
1285 SECCOMP-BPF kernel fuzzing.
1286
1287 Written by
1288 ----------
1289
1290 The document was written in the hope that it is found useful and in order
1291 to give potential BPF hackers or security auditors a better overview of
1292 the underlying architecture.
1293
1294 Jay Schulist <jschlst@samba.org>
1295 Daniel Borkmann <dborkman@redhat.com>
1296 Alexei Starovoitov <ast@plumgrid.com>