]> asedeno.scripts.mit.edu Git - linux.git/blob - Documentation/networking/filter.txt
bpf: allocate 0x06 to new eBPF instruction class JMP32
[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/userspace-api/seccomp_filter.rst
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/bpf/ 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, 12       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, 12          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, 9, 10          Jump on A == <x>
220   jneq             9, 10                Jump on A != <x>
221   jne              9, 10                Jump on A != <x>
222   jlt              9, 10                Jump on A <  <x>
223   jle              9, 10                Jump on A <= <x>
224   jgt              7, 8, 9, 10          Jump on A >  <x>
225   jge              7, 8, 9, 10          Jump on A >= <x>
226   jset             7, 8, 9, 10          Jump on A &  <x>
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                                   !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, 11                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               x/%x,Lt,Lf           Jump to Lt if true, otherwise jump to Lf
258    9               #k,Lt                Jump to Lt if predicate is true
259   10               x/%x,Lt              Jump to Lt if predicate is true
260   11               a/%a                 Accumulator A
261   12               extension            BPF extension
262
263 The Linux kernel also has a couple of BPF extensions that are used along
264 with the class of load instructions by "overloading" the k argument with
265 a negative offset + a particular extension offset. The result of such BPF
266 extensions are loaded into A.
267
268 Possible BPF extensions are shown in the following table:
269
270   Extension                             Description
271
272   len                                   skb->len
273   proto                                 skb->protocol
274   type                                  skb->pkt_type
275   poff                                  Payload start offset
276   ifidx                                 skb->dev->ifindex
277   nla                                   Netlink attribute of type X with offset A
278   nlan                                  Nested Netlink attribute of type X with offset A
279   mark                                  skb->mark
280   queue                                 skb->queue_mapping
281   hatype                                skb->dev->type
282   rxhash                                skb->hash
283   cpu                                   raw_smp_processor_id()
284   vlan_tci                              skb_vlan_tag_get(skb)
285   vlan_avail                            skb_vlan_tag_present(skb)
286   vlan_tpid                             skb->vlan_proto
287   rand                                  prandom_u32()
288
289 These extensions can also be prefixed with '#'.
290 Examples for low-level BPF:
291
292 ** ARP packets:
293
294   ldh [12]
295   jne #0x806, drop
296   ret #-1
297   drop: ret #0
298
299 ** IPv4 TCP packets:
300
301   ldh [12]
302   jne #0x800, drop
303   ldb [23]
304   jneq #6, drop
305   ret #-1
306   drop: ret #0
307
308 ** (Accelerated) VLAN w/ id 10:
309
310   ld vlan_tci
311   jneq #10, drop
312   ret #-1
313   drop: ret #0
314
315 ** icmp random packet sampling, 1 in 4
316   ldh [12]
317   jne #0x800, drop
318   ldb [23]
319   jneq #1, drop
320   # get a random uint32 number
321   ld rand
322   mod #4
323   jneq #1, drop
324   ret #-1
325   drop: ret #0
326
327 ** SECCOMP filter example:
328
329   ld [4]                  /* offsetof(struct seccomp_data, arch) */
330   jne #0xc000003e, bad    /* AUDIT_ARCH_X86_64 */
331   ld [0]                  /* offsetof(struct seccomp_data, nr) */
332   jeq #15, good           /* __NR_rt_sigreturn */
333   jeq #231, good          /* __NR_exit_group */
334   jeq #60, good           /* __NR_exit */
335   jeq #0, good            /* __NR_read */
336   jeq #1, good            /* __NR_write */
337   jeq #5, good            /* __NR_fstat */
338   jeq #9, good            /* __NR_mmap */
339   jeq #14, good           /* __NR_rt_sigprocmask */
340   jeq #13, good           /* __NR_rt_sigaction */
341   jeq #35, good           /* __NR_nanosleep */
342   bad: ret #0             /* SECCOMP_RET_KILL_THREAD */
343   good: ret #0x7fff0000   /* SECCOMP_RET_ALLOW */
344
345 The above example code can be placed into a file (here called "foo"), and
346 then be passed to the bpf_asm tool for generating opcodes, output that xt_bpf
347 and cls_bpf understands and can directly be loaded with. Example with above
348 ARP code:
349
350 $ ./bpf_asm foo
351 4,40 0 0 12,21 0 1 2054,6 0 0 4294967295,6 0 0 0,
352
353 In copy and paste C-like output:
354
355 $ ./bpf_asm -c foo
356 { 0x28,  0,  0, 0x0000000c },
357 { 0x15,  0,  1, 0x00000806 },
358 { 0x06,  0,  0, 0xffffffff },
359 { 0x06,  0,  0, 0000000000 },
360
361 In particular, as usage with xt_bpf or cls_bpf can result in more complex BPF
362 filters that might not be obvious at first, it's good to test filters before
363 attaching to a live system. For that purpose, there's a small tool called
364 bpf_dbg under tools/bpf/ in the kernel source directory. This debugger allows
365 for testing BPF filters against given pcap files, single stepping through the
366 BPF code on the pcap's packets and to do BPF machine register dumps.
367
368 Starting bpf_dbg is trivial and just requires issuing:
369
370 # ./bpf_dbg
371
372 In case input and output do not equal stdin/stdout, bpf_dbg takes an
373 alternative stdin source as a first argument, and an alternative stdout
374 sink as a second one, e.g. `./bpf_dbg test_in.txt test_out.txt`.
375
376 Other than that, a particular libreadline configuration can be set via
377 file "~/.bpf_dbg_init" and the command history is stored in the file
378 "~/.bpf_dbg_history".
379
380 Interaction in bpf_dbg happens through a shell that also has auto-completion
381 support (follow-up example commands starting with '>' denote bpf_dbg shell).
382 The usual workflow would be to ...
383
384 > 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
385   Loads a BPF filter from standard output of bpf_asm, or transformed via
386   e.g. `tcpdump -iem1 -ddd port 22 | tr '\n' ','`. Note that for JIT
387   debugging (next section), this command creates a temporary socket and
388   loads the BPF code into the kernel. Thus, this will also be useful for
389   JIT developers.
390
391 > load pcap foo.pcap
392   Loads standard tcpdump pcap file.
393
394 > run [<n>]
395 bpf passes:1 fails:9
396   Runs through all packets from a pcap to account how many passes and fails
397   the filter will generate. A limit of packets to traverse can be given.
398
399 > disassemble
400 l0:     ldh [12]
401 l1:     jeq #0x800, l2, l5
402 l2:     ldb [23]
403 l3:     jeq #0x1, l4, l5
404 l4:     ret #0xffff
405 l5:     ret #0
406   Prints out BPF code disassembly.
407
408 > dump
409 /* { op, jt, jf, k }, */
410 { 0x28,  0,  0, 0x0000000c },
411 { 0x15,  0,  3, 0x00000800 },
412 { 0x30,  0,  0, 0x00000017 },
413 { 0x15,  0,  1, 0x00000001 },
414 { 0x06,  0,  0, 0x0000ffff },
415 { 0x06,  0,  0, 0000000000 },
416   Prints out C-style BPF code dump.
417
418 > breakpoint 0
419 breakpoint at: l0:      ldh [12]
420 > breakpoint 1
421 breakpoint at: l1:      jeq #0x800, l2, l5
422   ...
423   Sets breakpoints at particular BPF instructions. Issuing a `run` command
424   will walk through the pcap file continuing from the current packet and
425   break when a breakpoint is being hit (another `run` will continue from
426   the currently active breakpoint executing next instructions):
427
428   > run
429   -- register dump --
430   pc:       [0]                       <-- program counter
431   code:     [40] jt[0] jf[0] k[12]    <-- plain BPF code of current instruction
432   curr:     l0: ldh [12]              <-- disassembly of current instruction
433   A:        [00000000][0]             <-- content of A (hex, decimal)
434   X:        [00000000][0]             <-- content of X (hex, decimal)
435   M[0,15]:  [00000000][0]             <-- folded content of M (hex, decimal)
436   -- packet dump --                   <-- Current packet from pcap (hex)
437   len: 42
438     0: 00 19 cb 55 55 a4 00 14 a4 43 78 69 08 06 00 01
439    16: 08 00 06 04 00 01 00 14 a4 43 78 69 0a 3b 01 26
440    32: 00 00 00 00 00 00 0a 3b 01 01
441   (breakpoint)
442   >
443
444 > breakpoint
445 breakpoints: 0 1
446   Prints currently set breakpoints.
447
448 > step [-<n>, +<n>]
449   Performs single stepping through the BPF program from the current pc
450   offset. Thus, on each step invocation, above register dump is issued.
451   This can go forwards and backwards in time, a plain `step` will break
452   on the next BPF instruction, thus +1. (No `run` needs to be issued here.)
453
454 > select <n>
455   Selects a given packet from the pcap file to continue from. Thus, on
456   the next `run` or `step`, the BPF program is being evaluated against
457   the user pre-selected packet. Numbering starts just as in Wireshark
458   with index 1.
459
460 > quit
461 #
462   Exits bpf_dbg.
463
464 JIT compiler
465 ------------
466
467 The Linux kernel has a built-in BPF JIT compiler for x86_64, SPARC, PowerPC,
468 ARM, ARM64, MIPS and s390 and can be enabled through CONFIG_BPF_JIT. The JIT
469 compiler is transparently invoked for each attached filter from user space
470 or for internal kernel users if it has been previously enabled by root:
471
472   echo 1 > /proc/sys/net/core/bpf_jit_enable
473
474 For JIT developers, doing audits etc, each compile run can output the generated
475 opcode image into the kernel log via:
476
477   echo 2 > /proc/sys/net/core/bpf_jit_enable
478
479 Example output from dmesg:
480
481 [ 3389.935842] flen=6 proglen=70 pass=3 image=ffffffffa0069c8f
482 [ 3389.935847] JIT code: 00000000: 55 48 89 e5 48 83 ec 60 48 89 5d f8 44 8b 4f 68
483 [ 3389.935849] JIT code: 00000010: 44 2b 4f 6c 4c 8b 87 d8 00 00 00 be 0c 00 00 00
484 [ 3389.935850] JIT code: 00000020: e8 1d 94 ff e0 3d 00 08 00 00 75 16 be 17 00 00
485 [ 3389.935851] JIT code: 00000030: 00 e8 28 94 ff e0 83 f8 01 75 07 b8 ff ff 00 00
486 [ 3389.935852] JIT code: 00000040: eb 02 31 c0 c9 c3
487
488 When CONFIG_BPF_JIT_ALWAYS_ON is enabled, bpf_jit_enable is permanently set to 1 and
489 setting any other value than that will return in failure. This is even the case for
490 setting bpf_jit_enable to 2, since dumping the final JIT image into the kernel log
491 is discouraged and introspection through bpftool (under tools/bpf/bpftool/) is the
492 generally recommended approach instead.
493
494 In the kernel source tree under tools/bpf/, there's bpf_jit_disasm for
495 generating disassembly out of the kernel log's hexdump:
496
497 # ./bpf_jit_disasm
498 70 bytes emitted from JIT compiler (pass:3, flen:6)
499 ffffffffa0069c8f + <x>:
500    0:   push   %rbp
501    1:   mov    %rsp,%rbp
502    4:   sub    $0x60,%rsp
503    8:   mov    %rbx,-0x8(%rbp)
504    c:   mov    0x68(%rdi),%r9d
505   10:   sub    0x6c(%rdi),%r9d
506   14:   mov    0xd8(%rdi),%r8
507   1b:   mov    $0xc,%esi
508   20:   callq  0xffffffffe0ff9442
509   25:   cmp    $0x800,%eax
510   2a:   jne    0x0000000000000042
511   2c:   mov    $0x17,%esi
512   31:   callq  0xffffffffe0ff945e
513   36:   cmp    $0x1,%eax
514   39:   jne    0x0000000000000042
515   3b:   mov    $0xffff,%eax
516   40:   jmp    0x0000000000000044
517   42:   xor    %eax,%eax
518   44:   leaveq
519   45:   retq
520
521 Issuing option `-o` will "annotate" opcodes to resulting assembler
522 instructions, which can be very useful for JIT developers:
523
524 # ./bpf_jit_disasm -o
525 70 bytes emitted from JIT compiler (pass:3, flen:6)
526 ffffffffa0069c8f + <x>:
527    0:   push   %rbp
528         55
529    1:   mov    %rsp,%rbp
530         48 89 e5
531    4:   sub    $0x60,%rsp
532         48 83 ec 60
533    8:   mov    %rbx,-0x8(%rbp)
534         48 89 5d f8
535    c:   mov    0x68(%rdi),%r9d
536         44 8b 4f 68
537   10:   sub    0x6c(%rdi),%r9d
538         44 2b 4f 6c
539   14:   mov    0xd8(%rdi),%r8
540         4c 8b 87 d8 00 00 00
541   1b:   mov    $0xc,%esi
542         be 0c 00 00 00
543   20:   callq  0xffffffffe0ff9442
544         e8 1d 94 ff e0
545   25:   cmp    $0x800,%eax
546         3d 00 08 00 00
547   2a:   jne    0x0000000000000042
548         75 16
549   2c:   mov    $0x17,%esi
550         be 17 00 00 00
551   31:   callq  0xffffffffe0ff945e
552         e8 28 94 ff e0
553   36:   cmp    $0x1,%eax
554         83 f8 01
555   39:   jne    0x0000000000000042
556         75 07
557   3b:   mov    $0xffff,%eax
558         b8 ff ff 00 00
559   40:   jmp    0x0000000000000044
560         eb 02
561   42:   xor    %eax,%eax
562         31 c0
563   44:   leaveq
564         c9
565   45:   retq
566         c3
567
568 For BPF JIT developers, bpf_jit_disasm, bpf_asm and bpf_dbg provides a useful
569 toolchain for developing and testing the kernel's JIT compiler.
570
571 BPF kernel internals
572 --------------------
573 Internally, for the kernel interpreter, a different instruction set
574 format with similar underlying principles from BPF described in previous
575 paragraphs is being used. However, the instruction set format is modelled
576 closer to the underlying architecture to mimic native instruction sets, so
577 that a better performance can be achieved (more details later). This new
578 ISA is called 'eBPF' or 'internal BPF' interchangeably. (Note: eBPF which
579 originates from [e]xtended BPF is not the same as BPF extensions! While
580 eBPF is an ISA, BPF extensions date back to classic BPF's 'overloading'
581 of BPF_LD | BPF_{B,H,W} | BPF_ABS instruction.)
582
583 It is designed to be JITed with one to one mapping, which can also open up
584 the possibility for GCC/LLVM compilers to generate optimized eBPF code through
585 an eBPF backend that performs almost as fast as natively compiled code.
586
587 The new instruction set was originally designed with the possible goal in
588 mind to write programs in "restricted C" and compile into eBPF with a optional
589 GCC/LLVM backend, so that it can just-in-time map to modern 64-bit CPUs with
590 minimal performance overhead over two steps, that is, C -> eBPF -> native code.
591
592 Currently, the new format is being used for running user BPF programs, which
593 includes seccomp BPF, classic socket filters, cls_bpf traffic classifier,
594 team driver's classifier for its load-balancing mode, netfilter's xt_bpf
595 extension, PTP dissector/classifier, and much more. They are all internally
596 converted by the kernel into the new instruction set representation and run
597 in the eBPF interpreter. For in-kernel handlers, this all works transparently
598 by using bpf_prog_create() for setting up the filter, resp.
599 bpf_prog_destroy() for destroying it. The macro
600 BPF_PROG_RUN(filter, ctx) transparently invokes eBPF interpreter or JITed
601 code to run the filter. 'filter' is a pointer to struct bpf_prog that we
602 got from bpf_prog_create(), and 'ctx' the given context (e.g.
603 skb pointer). All constraints and restrictions from bpf_check_classic() apply
604 before a conversion to the new layout is being done behind the scenes!
605
606 Currently, the classic BPF format is being used for JITing on most 32-bit
607 architectures, whereas x86-64, aarch64, s390x, powerpc64, sparc64, arm32 perform
608 JIT compilation from eBPF instruction set.
609
610 Some core changes of the new internal format:
611
612 - Number of registers increase from 2 to 10:
613
614   The old format had two registers A and X, and a hidden frame pointer. The
615   new layout extends this to be 10 internal registers and a read-only frame
616   pointer. Since 64-bit CPUs are passing arguments to functions via registers
617   the number of args from eBPF program to in-kernel function is restricted
618   to 5 and one register is used to accept return value from an in-kernel
619   function. Natively, x86_64 passes first 6 arguments in registers, aarch64/
620   sparcv9/mips64 have 7 - 8 registers for arguments; x86_64 has 6 callee saved
621   registers, and aarch64/sparcv9/mips64 have 11 or more callee saved registers.
622
623   Therefore, eBPF calling convention is defined as:
624
625     * R0        - return value from in-kernel function, and exit value for eBPF program
626     * R1 - R5   - arguments from eBPF program to in-kernel function
627     * R6 - R9   - callee saved registers that in-kernel function will preserve
628     * R10       - read-only frame pointer to access stack
629
630   Thus, all eBPF registers map one to one to HW registers on x86_64, aarch64,
631   etc, and eBPF calling convention maps directly to ABIs used by the kernel on
632   64-bit architectures.
633
634   On 32-bit architectures JIT may map programs that use only 32-bit arithmetic
635   and may let more complex programs to be interpreted.
636
637   R0 - R5 are scratch registers and eBPF program needs spill/fill them if
638   necessary across calls. Note that there is only one eBPF program (== one
639   eBPF main routine) and it cannot call other eBPF functions, it can only
640   call predefined in-kernel functions, though.
641
642 - Register width increases from 32-bit to 64-bit:
643
644   Still, the semantics of the original 32-bit ALU operations are preserved
645   via 32-bit subregisters. All eBPF registers are 64-bit with 32-bit lower
646   subregisters that zero-extend into 64-bit if they are being written to.
647   That behavior maps directly to x86_64 and arm64 subregister definition, but
648   makes other JITs more difficult.
649
650   32-bit architectures run 64-bit internal BPF programs via interpreter.
651   Their JITs may convert BPF programs that only use 32-bit subregisters into
652   native instruction set and let the rest being interpreted.
653
654   Operation is 64-bit, because on 64-bit architectures, pointers are also
655   64-bit wide, and we want to pass 64-bit values in/out of kernel functions,
656   so 32-bit eBPF registers would otherwise require to define register-pair
657   ABI, thus, there won't be able to use a direct eBPF register to HW register
658   mapping and JIT would need to do combine/split/move operations for every
659   register in and out of the function, which is complex, bug prone and slow.
660   Another reason is the use of atomic 64-bit counters.
661
662 - Conditional jt/jf targets replaced with jt/fall-through:
663
664   While the original design has constructs such as "if (cond) jump_true;
665   else jump_false;", they are being replaced into alternative constructs like
666   "if (cond) jump_true; /* else fall-through */".
667
668 - Introduces bpf_call insn and register passing convention for zero overhead
669   calls from/to other kernel functions:
670
671   Before an in-kernel function call, the internal BPF program needs to
672   place function arguments into R1 to R5 registers to satisfy calling
673   convention, then the interpreter will take them from registers and pass
674   to in-kernel function. If R1 - R5 registers are mapped to CPU registers
675   that are used for argument passing on given architecture, the JIT compiler
676   doesn't need to emit extra moves. Function arguments will be in the correct
677   registers and BPF_CALL instruction will be JITed as single 'call' HW
678   instruction. This calling convention was picked to cover common call
679   situations without performance penalty.
680
681   After an in-kernel function call, R1 - R5 are reset to unreadable and R0 has
682   a return value of the function. Since R6 - R9 are callee saved, their state
683   is preserved across the call.
684
685   For example, consider three C functions:
686
687   u64 f1() { return (*_f2)(1); }
688   u64 f2(u64 a) { return f3(a + 1, a); }
689   u64 f3(u64 a, u64 b) { return a - b; }
690
691   GCC can compile f1, f3 into x86_64:
692
693   f1:
694     movl $1, %edi
695     movq _f2(%rip), %rax
696     jmp  *%rax
697   f3:
698     movq %rdi, %rax
699     subq %rsi, %rax
700     ret
701
702   Function f2 in eBPF may look like:
703
704   f2:
705     bpf_mov R2, R1
706     bpf_add R1, 1
707     bpf_call f3
708     bpf_exit
709
710   If f2 is JITed and the pointer stored to '_f2'. The calls f1 -> f2 -> f3 and
711   returns will be seamless. Without JIT, __bpf_prog_run() interpreter needs to
712   be used to call into f2.
713
714   For practical reasons all eBPF programs have only one argument 'ctx' which is
715   already placed into R1 (e.g. on __bpf_prog_run() startup) and the programs
716   can call kernel functions with up to 5 arguments. Calls with 6 or more arguments
717   are currently not supported, but these restrictions can be lifted if necessary
718   in the future.
719
720   On 64-bit architectures all register map to HW registers one to one. For
721   example, x86_64 JIT compiler can map them as ...
722
723     R0 - rax
724     R1 - rdi
725     R2 - rsi
726     R3 - rdx
727     R4 - rcx
728     R5 - r8
729     R6 - rbx
730     R7 - r13
731     R8 - r14
732     R9 - r15
733     R10 - rbp
734
735   ... since x86_64 ABI mandates rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9 for argument passing
736   and rbx, r12 - r15 are callee saved.
737
738   Then the following internal BPF pseudo-program:
739
740     bpf_mov R6, R1 /* save ctx */
741     bpf_mov R2, 2
742     bpf_mov R3, 3
743     bpf_mov R4, 4
744     bpf_mov R5, 5
745     bpf_call foo
746     bpf_mov R7, R0 /* save foo() return value */
747     bpf_mov R1, R6 /* restore ctx for next call */
748     bpf_mov R2, 6
749     bpf_mov R3, 7
750     bpf_mov R4, 8
751     bpf_mov R5, 9
752     bpf_call bar
753     bpf_add R0, R7
754     bpf_exit
755
756   After JIT to x86_64 may look like:
757
758     push %rbp
759     mov %rsp,%rbp
760     sub $0x228,%rsp
761     mov %rbx,-0x228(%rbp)
762     mov %r13,-0x220(%rbp)
763     mov %rdi,%rbx
764     mov $0x2,%esi
765     mov $0x3,%edx
766     mov $0x4,%ecx
767     mov $0x5,%r8d
768     callq foo
769     mov %rax,%r13
770     mov %rbx,%rdi
771     mov $0x2,%esi
772     mov $0x3,%edx
773     mov $0x4,%ecx
774     mov $0x5,%r8d
775     callq bar
776     add %r13,%rax
777     mov -0x228(%rbp),%rbx
778     mov -0x220(%rbp),%r13
779     leaveq
780     retq
781
782   Which is in this example equivalent in C to:
783
784     u64 bpf_filter(u64 ctx)
785     {
786         return foo(ctx, 2, 3, 4, 5) + bar(ctx, 6, 7, 8, 9);
787     }
788
789   In-kernel functions foo() and bar() with prototype: u64 (*)(u64 arg1, u64
790   arg2, u64 arg3, u64 arg4, u64 arg5); will receive arguments in proper
791   registers and place their return value into '%rax' which is R0 in eBPF.
792   Prologue and epilogue are emitted by JIT and are implicit in the
793   interpreter. R0-R5 are scratch registers, so eBPF program needs to preserve
794   them across the calls as defined by calling convention.
795
796   For example the following program is invalid:
797
798     bpf_mov R1, 1
799     bpf_call foo
800     bpf_mov R0, R1
801     bpf_exit
802
803   After the call the registers R1-R5 contain junk values and cannot be read.
804   An in-kernel eBPF verifier is used to validate internal BPF programs.
805
806 Also in the new design, eBPF is limited to 4096 insns, which means that any
807 program will terminate quickly and will only call a fixed number of kernel
808 functions. Original BPF and the new format are two operand instructions,
809 which helps to do one-to-one mapping between eBPF insn and x86 insn during JIT.
810
811 The input context pointer for invoking the interpreter function is generic,
812 its content is defined by a specific use case. For seccomp register R1 points
813 to seccomp_data, for converted BPF filters R1 points to a skb.
814
815 A program, that is translated internally consists of the following elements:
816
817   op:16, jt:8, jf:8, k:32    ==>    op:8, dst_reg:4, src_reg:4, off:16, imm:32
818
819 So far 87 internal BPF instructions were implemented. 8-bit 'op' opcode field
820 has room for new instructions. Some of them may use 16/24/32 byte encoding. New
821 instructions must be multiple of 8 bytes to preserve backward compatibility.
822
823 Internal BPF is a general purpose RISC instruction set. Not every register and
824 every instruction are used during translation from original BPF to new format.
825 For example, socket filters are not using 'exclusive add' instruction, but
826 tracing filters may do to maintain counters of events, for example. Register R9
827 is not used by socket filters either, but more complex filters may be running
828 out of registers and would have to resort to spill/fill to stack.
829
830 Internal BPF can used as generic assembler for last step performance
831 optimizations, socket filters and seccomp are using it as assembler. Tracing
832 filters may use it as assembler to generate code from kernel. In kernel usage
833 may not be bounded by security considerations, since generated internal BPF code
834 may be optimizing internal code path and not being exposed to the user space.
835 Safety of internal BPF can come from a verifier (TBD). In such use cases as
836 described, it may be used as safe instruction set.
837
838 Just like the original BPF, the new format runs within a controlled environment,
839 is deterministic and the kernel can easily prove that. The safety of the program
840 can be determined in two steps: first step does depth-first-search to disallow
841 loops and other CFG validation; second step starts from the first insn and
842 descends all possible paths. It simulates execution of every insn and observes
843 the state change of registers and stack.
844
845 eBPF opcode encoding
846 --------------------
847
848 eBPF is reusing most of the opcode encoding from classic to simplify conversion
849 of classic BPF to eBPF. For arithmetic and jump instructions the 8-bit 'code'
850 field is divided into three parts:
851
852   +----------------+--------+--------------------+
853   |   4 bits       |  1 bit |   3 bits           |
854   | operation code | source | instruction class  |
855   +----------------+--------+--------------------+
856   (MSB)                                      (LSB)
857
858 Three LSB bits store instruction class which is one of:
859
860   Classic BPF classes:    eBPF classes:
861
862   BPF_LD    0x00          BPF_LD    0x00
863   BPF_LDX   0x01          BPF_LDX   0x01
864   BPF_ST    0x02          BPF_ST    0x02
865   BPF_STX   0x03          BPF_STX   0x03
866   BPF_ALU   0x04          BPF_ALU   0x04
867   BPF_JMP   0x05          BPF_JMP   0x05
868   BPF_RET   0x06          BPF_JMP32 0x06
869   BPF_MISC  0x07          BPF_ALU64 0x07
870
871 When BPF_CLASS(code) == BPF_ALU or BPF_JMP, 4th bit encodes source operand ...
872
873   BPF_K     0x00
874   BPF_X     0x08
875
876  * in classic BPF, this means:
877
878   BPF_SRC(code) == BPF_X - use register X as source operand
879   BPF_SRC(code) == BPF_K - use 32-bit immediate as source operand
880
881  * in eBPF, this means:
882
883   BPF_SRC(code) == BPF_X - use 'src_reg' register as source operand
884   BPF_SRC(code) == BPF_K - use 32-bit immediate as source operand
885
886 ... and four MSB bits store operation code.
887
888 If BPF_CLASS(code) == BPF_ALU or BPF_ALU64 [ in eBPF ], BPF_OP(code) is one of:
889
890   BPF_ADD   0x00
891   BPF_SUB   0x10
892   BPF_MUL   0x20
893   BPF_DIV   0x30
894   BPF_OR    0x40
895   BPF_AND   0x50
896   BPF_LSH   0x60
897   BPF_RSH   0x70
898   BPF_NEG   0x80
899   BPF_MOD   0x90
900   BPF_XOR   0xa0
901   BPF_MOV   0xb0  /* eBPF only: mov reg to reg */
902   BPF_ARSH  0xc0  /* eBPF only: sign extending shift right */
903   BPF_END   0xd0  /* eBPF only: endianness conversion */
904
905 If BPF_CLASS(code) == BPF_JMP or BPF_JMP32 [ in eBPF ], BPF_OP(code) is one of:
906
907   BPF_JA    0x00  /* BPF_JMP only */
908   BPF_JEQ   0x10
909   BPF_JGT   0x20
910   BPF_JGE   0x30
911   BPF_JSET  0x40
912   BPF_JNE   0x50  /* eBPF only: jump != */
913   BPF_JSGT  0x60  /* eBPF only: signed '>' */
914   BPF_JSGE  0x70  /* eBPF only: signed '>=' */
915   BPF_CALL  0x80  /* eBPF BPF_JMP only: function call */
916   BPF_EXIT  0x90  /* eBPF BPF_JMP only: function return */
917   BPF_JLT   0xa0  /* eBPF only: unsigned '<' */
918   BPF_JLE   0xb0  /* eBPF only: unsigned '<=' */
919   BPF_JSLT  0xc0  /* eBPF only: signed '<' */
920   BPF_JSLE  0xd0  /* eBPF only: signed '<=' */
921
922 So BPF_ADD | BPF_X | BPF_ALU means 32-bit addition in both classic BPF
923 and eBPF. There are only two registers in classic BPF, so it means A += X.
924 In eBPF it means dst_reg = (u32) dst_reg + (u32) src_reg; similarly,
925 BPF_XOR | BPF_K | BPF_ALU means A ^= imm32 in classic BPF and analogous
926 src_reg = (u32) src_reg ^ (u32) imm32 in eBPF.
927
928 Classic BPF is using BPF_MISC class to represent A = X and X = A moves.
929 eBPF is using BPF_MOV | BPF_X | BPF_ALU code instead. Since there are no
930 BPF_MISC operations in eBPF, the class 7 is used as BPF_ALU64 to mean
931 exactly the same operations as BPF_ALU, but with 64-bit wide operands
932 instead. So BPF_ADD | BPF_X | BPF_ALU64 means 64-bit addition, i.e.:
933 dst_reg = dst_reg + src_reg
934
935 Classic BPF wastes the whole BPF_RET class to represent a single 'ret'
936 operation. Classic BPF_RET | BPF_K means copy imm32 into return register
937 and perform function exit. eBPF is modeled to match CPU, so BPF_JMP | BPF_EXIT
938 in eBPF means function exit only. The eBPF program needs to store return
939 value into register R0 before doing a BPF_EXIT. Class 6 in eBPF is used as
940 BPF_JMP32 to mean exactly the same operations as BPF_JMP, but with 32-bit wide
941 operands for the comparisons instead.
942
943 For load and store instructions the 8-bit 'code' field is divided as:
944
945   +--------+--------+-------------------+
946   | 3 bits | 2 bits |   3 bits          |
947   |  mode  |  size  | instruction class |
948   +--------+--------+-------------------+
949   (MSB)                             (LSB)
950
951 Size modifier is one of ...
952
953   BPF_W   0x00    /* word */
954   BPF_H   0x08    /* half word */
955   BPF_B   0x10    /* byte */
956   BPF_DW  0x18    /* eBPF only, double word */
957
958 ... which encodes size of load/store operation:
959
960  B  - 1 byte
961  H  - 2 byte
962  W  - 4 byte
963  DW - 8 byte (eBPF only)
964
965 Mode modifier is one of:
966
967   BPF_IMM  0x00  /* used for 32-bit mov in classic BPF and 64-bit in eBPF */
968   BPF_ABS  0x20
969   BPF_IND  0x40
970   BPF_MEM  0x60
971   BPF_LEN  0x80  /* classic BPF only, reserved in eBPF */
972   BPF_MSH  0xa0  /* classic BPF only, reserved in eBPF */
973   BPF_XADD 0xc0  /* eBPF only, exclusive add */
974
975 eBPF has two non-generic instructions: (BPF_ABS | <size> | BPF_LD) and
976 (BPF_IND | <size> | BPF_LD) which are used to access packet data.
977
978 They had to be carried over from classic to have strong performance of
979 socket filters running in eBPF interpreter. These instructions can only
980 be used when interpreter context is a pointer to 'struct sk_buff' and
981 have seven implicit operands. Register R6 is an implicit input that must
982 contain pointer to sk_buff. Register R0 is an implicit output which contains
983 the data fetched from the packet. Registers R1-R5 are scratch registers
984 and must not be used to store the data across BPF_ABS | BPF_LD or
985 BPF_IND | BPF_LD instructions.
986
987 These instructions have implicit program exit condition as well. When
988 eBPF program is trying to access the data beyond the packet boundary,
989 the interpreter will abort the execution of the program. JIT compilers
990 therefore must preserve this property. src_reg and imm32 fields are
991 explicit inputs to these instructions.
992
993 For example:
994
995   BPF_IND | BPF_W | BPF_LD means:
996
997     R0 = ntohl(*(u32 *) (((struct sk_buff *) R6)->data + src_reg + imm32))
998     and R1 - R5 were scratched.
999
1000 Unlike classic BPF instruction set, eBPF has generic load/store operations:
1001
1002 BPF_MEM | <size> | BPF_STX:  *(size *) (dst_reg + off) = src_reg
1003 BPF_MEM | <size> | BPF_ST:   *(size *) (dst_reg + off) = imm32
1004 BPF_MEM | <size> | BPF_LDX:  dst_reg = *(size *) (src_reg + off)
1005 BPF_XADD | BPF_W  | BPF_STX: lock xadd *(u32 *)(dst_reg + off16) += src_reg
1006 BPF_XADD | BPF_DW | BPF_STX: lock xadd *(u64 *)(dst_reg + off16) += src_reg
1007
1008 Where size is one of: BPF_B or BPF_H or BPF_W or BPF_DW. Note that 1 and
1009 2 byte atomic increments are not supported.
1010
1011 eBPF has one 16-byte instruction: BPF_LD | BPF_DW | BPF_IMM which consists
1012 of two consecutive 'struct bpf_insn' 8-byte blocks and interpreted as single
1013 instruction that loads 64-bit immediate value into a dst_reg.
1014 Classic BPF has similar instruction: BPF_LD | BPF_W | BPF_IMM which loads
1015 32-bit immediate value into a register.
1016
1017 eBPF verifier
1018 -------------
1019 The safety of the eBPF program is determined in two steps.
1020
1021 First step does DAG check to disallow loops and other CFG validation.
1022 In particular it will detect programs that have unreachable instructions.
1023 (though classic BPF checker allows them)
1024
1025 Second step starts from the first insn and descends all possible paths.
1026 It simulates execution of every insn and observes the state change of
1027 registers and stack.
1028
1029 At the start of the program the register R1 contains a pointer to context
1030 and has type PTR_TO_CTX.
1031 If verifier sees an insn that does R2=R1, then R2 has now type
1032 PTR_TO_CTX as well and can be used on the right hand side of expression.
1033 If R1=PTR_TO_CTX and insn is R2=R1+R1, then R2=SCALAR_VALUE,
1034 since addition of two valid pointers makes invalid pointer.
1035 (In 'secure' mode verifier will reject any type of pointer arithmetic to make
1036 sure that kernel addresses don't leak to unprivileged users)
1037
1038 If register was never written to, it's not readable:
1039   bpf_mov R0 = R2
1040   bpf_exit
1041 will be rejected, since R2 is unreadable at the start of the program.
1042
1043 After kernel function call, R1-R5 are reset to unreadable and
1044 R0 has a return type of the function.
1045
1046 Since R6-R9 are callee saved, their state is preserved across the call.
1047   bpf_mov R6 = 1
1048   bpf_call foo
1049   bpf_mov R0 = R6
1050   bpf_exit
1051 is a correct program. If there was R1 instead of R6, it would have
1052 been rejected.
1053
1054 load/store instructions are allowed only with registers of valid types, which
1055 are PTR_TO_CTX, PTR_TO_MAP, PTR_TO_STACK. They are bounds and alignment checked.
1056 For example:
1057  bpf_mov R1 = 1
1058  bpf_mov R2 = 2
1059  bpf_xadd *(u32 *)(R1 + 3) += R2
1060  bpf_exit
1061 will be rejected, since R1 doesn't have a valid pointer type at the time of
1062 execution of instruction bpf_xadd.
1063
1064 At the start R1 type is PTR_TO_CTX (a pointer to generic 'struct bpf_context')
1065 A callback is used to customize verifier to restrict eBPF program access to only
1066 certain fields within ctx structure with specified size and alignment.
1067
1068 For example, the following insn:
1069   bpf_ld R0 = *(u32 *)(R6 + 8)
1070 intends to load a word from address R6 + 8 and store it into R0
1071 If R6=PTR_TO_CTX, via is_valid_access() callback the verifier will know
1072 that offset 8 of size 4 bytes can be accessed for reading, otherwise
1073 the verifier will reject the program.
1074 If R6=PTR_TO_STACK, then access should be aligned and be within
1075 stack bounds, which are [-MAX_BPF_STACK, 0). In this example offset is 8,
1076 so it will fail verification, since it's out of bounds.
1077
1078 The verifier will allow eBPF program to read data from stack only after
1079 it wrote into it.
1080 Classic BPF verifier does similar check with M[0-15] memory slots.
1081 For example:
1082   bpf_ld R0 = *(u32 *)(R10 - 4)
1083   bpf_exit
1084 is invalid program.
1085 Though R10 is correct read-only register and has type PTR_TO_STACK
1086 and R10 - 4 is within stack bounds, there were no stores into that location.
1087
1088 Pointer register spill/fill is tracked as well, since four (R6-R9)
1089 callee saved registers may not be enough for some programs.
1090
1091 Allowed function calls are customized with bpf_verifier_ops->get_func_proto()
1092 The eBPF verifier will check that registers match argument constraints.
1093 After the call register R0 will be set to return type of the function.
1094
1095 Function calls is a main mechanism to extend functionality of eBPF programs.
1096 Socket filters may let programs to call one set of functions, whereas tracing
1097 filters may allow completely different set.
1098
1099 If a function made accessible to eBPF program, it needs to be thought through
1100 from safety point of view. The verifier will guarantee that the function is
1101 called with valid arguments.
1102
1103 seccomp vs socket filters have different security restrictions for classic BPF.
1104 Seccomp solves this by two stage verifier: classic BPF verifier is followed
1105 by seccomp verifier. In case of eBPF one configurable verifier is shared for
1106 all use cases.
1107
1108 See details of eBPF verifier in kernel/bpf/verifier.c
1109
1110 Register value tracking
1111 -----------------------
1112 In order to determine the safety of an eBPF program, the verifier must track
1113 the range of possible values in each register and also in each stack slot.
1114 This is done with 'struct bpf_reg_state', defined in include/linux/
1115 bpf_verifier.h, which unifies tracking of scalar and pointer values.  Each
1116 register state has a type, which is either NOT_INIT (the register has not been
1117 written to), SCALAR_VALUE (some value which is not usable as a pointer), or a
1118 pointer type.  The types of pointers describe their base, as follows:
1119     PTR_TO_CTX          Pointer to bpf_context.
1120     CONST_PTR_TO_MAP    Pointer to struct bpf_map.  "Const" because arithmetic
1121                         on these pointers is forbidden.
1122     PTR_TO_MAP_VALUE    Pointer to the value stored in a map element.
1123     PTR_TO_MAP_VALUE_OR_NULL
1124                         Either a pointer to a map value, or NULL; map accesses
1125                         (see section 'eBPF maps', below) return this type,
1126                         which becomes a PTR_TO_MAP_VALUE when checked != NULL.
1127                         Arithmetic on these pointers is forbidden.
1128     PTR_TO_STACK        Frame pointer.
1129     PTR_TO_PACKET       skb->data.
1130     PTR_TO_PACKET_END   skb->data + headlen; arithmetic forbidden.
1131     PTR_TO_SOCKET       Pointer to struct bpf_sock_ops, implicitly refcounted.
1132     PTR_TO_SOCKET_OR_NULL
1133                         Either a pointer to a socket, or NULL; socket lookup
1134                         returns this type, which becomes a PTR_TO_SOCKET when
1135                         checked != NULL. PTR_TO_SOCKET is reference-counted,
1136                         so programs must release the reference through the
1137                         socket release function before the end of the program.
1138                         Arithmetic on these pointers is forbidden.
1139 However, a pointer may be offset from this base (as a result of pointer
1140 arithmetic), and this is tracked in two parts: the 'fixed offset' and 'variable
1141 offset'.  The former is used when an exactly-known value (e.g. an immediate
1142 operand) is added to a pointer, while the latter is used for values which are
1143 not exactly known.  The variable offset is also used in SCALAR_VALUEs, to track
1144 the range of possible values in the register.
1145 The verifier's knowledge about the variable offset consists of:
1146 * minimum and maximum values as unsigned
1147 * minimum and maximum values as signed
1148 * knowledge of the values of individual bits, in the form of a 'tnum': a u64
1149 'mask' and a u64 'value'.  1s in the mask represent bits whose value is unknown;
1150 1s in the value represent bits known to be 1.  Bits known to be 0 have 0 in both
1151 mask and value; no bit should ever be 1 in both.  For example, if a byte is read
1152 into a register from memory, the register's top 56 bits are known zero, while
1153 the low 8 are unknown - which is represented as the tnum (0x0; 0xff).  If we
1154 then OR this with 0x40, we get (0x40; 0xbf), then if we add 1 we get (0x0;
1155 0x1ff), because of potential carries.
1156
1157 Besides arithmetic, the register state can also be updated by conditional
1158 branches.  For instance, if a SCALAR_VALUE is compared > 8, in the 'true' branch
1159 it will have a umin_value (unsigned minimum value) of 9, whereas in the 'false'
1160 branch it will have a umax_value of 8.  A signed compare (with BPF_JSGT or
1161 BPF_JSGE) would instead update the signed minimum/maximum values.  Information
1162 from the signed and unsigned bounds can be combined; for instance if a value is
1163 first tested < 8 and then tested s> 4, the verifier will conclude that the value
1164 is also > 4 and s< 8, since the bounds prevent crossing the sign boundary.
1165
1166 PTR_TO_PACKETs with a variable offset part have an 'id', which is common to all
1167 pointers sharing that same variable offset.  This is important for packet range
1168 checks: after adding a variable to a packet pointer register A, if you then copy
1169 it to another register B and then add a constant 4 to A, both registers will
1170 share the same 'id' but the A will have a fixed offset of +4.  Then if A is
1171 bounds-checked and found to be less than a PTR_TO_PACKET_END, the register B is
1172 now known to have a safe range of at least 4 bytes.  See 'Direct packet access',
1173 below, for more on PTR_TO_PACKET ranges.
1174
1175 The 'id' field is also used on PTR_TO_MAP_VALUE_OR_NULL, common to all copies of
1176 the pointer returned from a map lookup.  This means that when one copy is
1177 checked and found to be non-NULL, all copies can become PTR_TO_MAP_VALUEs.
1178 As well as range-checking, the tracked information is also used for enforcing
1179 alignment of pointer accesses.  For instance, on most systems the packet pointer
1180 is 2 bytes after a 4-byte alignment.  If a program adds 14 bytes to that to jump
1181 over the Ethernet header, then reads IHL and addes (IHL * 4), the resulting
1182 pointer will have a variable offset known to be 4n+2 for some n, so adding the 2
1183 bytes (NET_IP_ALIGN) gives a 4-byte alignment and so word-sized accesses through
1184 that pointer are safe.
1185 The 'id' field is also used on PTR_TO_SOCKET and PTR_TO_SOCKET_OR_NULL, common
1186 to all copies of the pointer returned from a socket lookup. This has similar
1187 behaviour to the handling for PTR_TO_MAP_VALUE_OR_NULL->PTR_TO_MAP_VALUE, but
1188 it also handles reference tracking for the pointer. PTR_TO_SOCKET implicitly
1189 represents a reference to the corresponding 'struct sock'. To ensure that the
1190 reference is not leaked, it is imperative to NULL-check the reference and in
1191 the non-NULL case, and pass the valid reference to the socket release function.
1192
1193 Direct packet access
1194 --------------------
1195 In cls_bpf and act_bpf programs the verifier allows direct access to the packet
1196 data via skb->data and skb->data_end pointers.
1197 Ex:
1198 1:  r4 = *(u32 *)(r1 +80)  /* load skb->data_end */
1199 2:  r3 = *(u32 *)(r1 +76)  /* load skb->data */
1200 3:  r5 = r3
1201 4:  r5 += 14
1202 5:  if r5 > r4 goto pc+16
1203 R1=ctx R3=pkt(id=0,off=0,r=14) R4=pkt_end R5=pkt(id=0,off=14,r=14) R10=fp
1204 6:  r0 = *(u16 *)(r3 +12) /* access 12 and 13 bytes of the packet */
1205
1206 this 2byte load from the packet is safe to do, since the program author
1207 did check 'if (skb->data + 14 > skb->data_end) goto err' at insn #5 which
1208 means that in the fall-through case the register R3 (which points to skb->data)
1209 has at least 14 directly accessible bytes. The verifier marks it
1210 as R3=pkt(id=0,off=0,r=14).
1211 id=0 means that no additional variables were added to the register.
1212 off=0 means that no additional constants were added.
1213 r=14 is the range of safe access which means that bytes [R3, R3 + 14) are ok.
1214 Note that R5 is marked as R5=pkt(id=0,off=14,r=14). It also points
1215 to the packet data, but constant 14 was added to the register, so
1216 it now points to 'skb->data + 14' and accessible range is [R5, R5 + 14 - 14)
1217 which is zero bytes.
1218
1219 More complex packet access may look like:
1220  R0=inv1 R1=ctx R3=pkt(id=0,off=0,r=14) R4=pkt_end R5=pkt(id=0,off=14,r=14) R10=fp
1221  6:  r0 = *(u8 *)(r3 +7) /* load 7th byte from the packet */
1222  7:  r4 = *(u8 *)(r3 +12)
1223  8:  r4 *= 14
1224  9:  r3 = *(u32 *)(r1 +76) /* load skb->data */
1225 10:  r3 += r4
1226 11:  r2 = r1
1227 12:  r2 <<= 48
1228 13:  r2 >>= 48
1229 14:  r3 += r2
1230 15:  r2 = r3
1231 16:  r2 += 8
1232 17:  r1 = *(u32 *)(r1 +80) /* load skb->data_end */
1233 18:  if r2 > r1 goto pc+2
1234  R0=inv(id=0,umax_value=255,var_off=(0x0; 0xff)) R1=pkt_end R2=pkt(id=2,off=8,r=8) R3=pkt(id=2,off=0,r=8) R4=inv(id=0,umax_value=3570,var_off=(0x0; 0xfffe)) R5=pkt(id=0,off=14,r=14) R10=fp
1235 19:  r1 = *(u8 *)(r3 +4)
1236 The state of the register R3 is R3=pkt(id=2,off=0,r=8)
1237 id=2 means that two 'r3 += rX' instructions were seen, so r3 points to some
1238 offset within a packet and since the program author did
1239 'if (r3 + 8 > r1) goto err' at insn #18, the safe range is [R3, R3 + 8).
1240 The verifier only allows 'add'/'sub' operations on packet registers. Any other
1241 operation will set the register state to 'SCALAR_VALUE' and it won't be
1242 available for direct packet access.
1243 Operation 'r3 += rX' may overflow and become less than original skb->data,
1244 therefore the verifier has to prevent that.  So when it sees 'r3 += rX'
1245 instruction and rX is more than 16-bit value, any subsequent bounds-check of r3
1246 against skb->data_end will not give us 'range' information, so attempts to read
1247 through the pointer will give "invalid access to packet" error.
1248 Ex. after insn 'r4 = *(u8 *)(r3 +12)' (insn #7 above) the state of r4 is
1249 R4=inv(id=0,umax_value=255,var_off=(0x0; 0xff)) which means that upper 56 bits
1250 of the register are guaranteed to be zero, and nothing is known about the lower
1251 8 bits. After insn 'r4 *= 14' the state becomes
1252 R4=inv(id=0,umax_value=3570,var_off=(0x0; 0xfffe)), since multiplying an 8-bit
1253 value by constant 14 will keep upper 52 bits as zero, also the least significant
1254 bit will be zero as 14 is even.  Similarly 'r2 >>= 48' will make
1255 R2=inv(id=0,umax_value=65535,var_off=(0x0; 0xffff)), since the shift is not sign
1256 extending.  This logic is implemented in adjust_reg_min_max_vals() function,
1257 which calls adjust_ptr_min_max_vals() for adding pointer to scalar (or vice
1258 versa) and adjust_scalar_min_max_vals() for operations on two scalars.
1259
1260 The end result is that bpf program author can access packet directly
1261 using normal C code as:
1262   void *data = (void *)(long)skb->data;
1263   void *data_end = (void *)(long)skb->data_end;
1264   struct eth_hdr *eth = data;
1265   struct iphdr *iph = data + sizeof(*eth);
1266   struct udphdr *udp = data + sizeof(*eth) + sizeof(*iph);
1267
1268   if (data + sizeof(*eth) + sizeof(*iph) + sizeof(*udp) > data_end)
1269           return 0;
1270   if (eth->h_proto != htons(ETH_P_IP))
1271           return 0;
1272   if (iph->protocol != IPPROTO_UDP || iph->ihl != 5)
1273           return 0;
1274   if (udp->dest == 53 || udp->source == 9)
1275           ...;
1276 which makes such programs easier to write comparing to LD_ABS insn
1277 and significantly faster.
1278
1279 eBPF maps
1280 ---------
1281 'maps' is a generic storage of different types for sharing data between kernel
1282 and userspace.
1283
1284 The maps are accessed from user space via BPF syscall, which has commands:
1285 - create a map with given type and attributes
1286   map_fd = bpf(BPF_MAP_CREATE, union bpf_attr *attr, u32 size)
1287   using attr->map_type, attr->key_size, attr->value_size, attr->max_entries
1288   returns process-local file descriptor or negative error
1289
1290 - lookup key in a given map
1291   err = bpf(BPF_MAP_LOOKUP_ELEM, union bpf_attr *attr, u32 size)
1292   using attr->map_fd, attr->key, attr->value
1293   returns zero and stores found elem into value or negative error
1294
1295 - create or update key/value pair in a given map
1296   err = bpf(BPF_MAP_UPDATE_ELEM, union bpf_attr *attr, u32 size)
1297   using attr->map_fd, attr->key, attr->value
1298   returns zero or negative error
1299
1300 - find and delete element by key in a given map
1301   err = bpf(BPF_MAP_DELETE_ELEM, union bpf_attr *attr, u32 size)
1302   using attr->map_fd, attr->key
1303
1304 - to delete map: close(fd)
1305   Exiting process will delete maps automatically
1306
1307 userspace programs use this syscall to create/access maps that eBPF programs
1308 are concurrently updating.
1309
1310 maps can have different types: hash, array, bloom filter, radix-tree, etc.
1311
1312 The map is defined by:
1313   . type
1314   . max number of elements
1315   . key size in bytes
1316   . value size in bytes
1317
1318 Pruning
1319 -------
1320 The verifier does not actually walk all possible paths through the program.  For
1321 each new branch to analyse, the verifier looks at all the states it's previously
1322 been in when at this instruction.  If any of them contain the current state as a
1323 subset, the branch is 'pruned' - that is, the fact that the previous state was
1324 accepted implies the current state would be as well.  For instance, if in the
1325 previous state, r1 held a packet-pointer, and in the current state, r1 holds a
1326 packet-pointer with a range as long or longer and at least as strict an
1327 alignment, then r1 is safe.  Similarly, if r2 was NOT_INIT before then it can't
1328 have been used by any path from that point, so any value in r2 (including
1329 another NOT_INIT) is safe.  The implementation is in the function regsafe().
1330 Pruning considers not only the registers but also the stack (and any spilled
1331 registers it may hold).  They must all be safe for the branch to be pruned.
1332 This is implemented in states_equal().
1333
1334 Understanding eBPF verifier messages
1335 ------------------------------------
1336
1337 The following are few examples of invalid eBPF programs and verifier error
1338 messages as seen in the log:
1339
1340 Program with unreachable instructions:
1341 static struct bpf_insn prog[] = {
1342   BPF_EXIT_INSN(),
1343   BPF_EXIT_INSN(),
1344 };
1345 Error:
1346   unreachable insn 1
1347
1348 Program that reads uninitialized register:
1349   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_0, BPF_REG_2),
1350   BPF_EXIT_INSN(),
1351 Error:
1352   0: (bf) r0 = r2
1353   R2 !read_ok
1354
1355 Program that doesn't initialize R0 before exiting:
1356   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_1),
1357   BPF_EXIT_INSN(),
1358 Error:
1359   0: (bf) r2 = r1
1360   1: (95) exit
1361   R0 !read_ok
1362
1363 Program that accesses stack out of bounds:
1364   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_10, 8, 0),
1365   BPF_EXIT_INSN(),
1366 Error:
1367   0: (7a) *(u64 *)(r10 +8) = 0
1368   invalid stack off=8 size=8
1369
1370 Program that doesn't initialize stack before passing its address into function:
1371   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),
1372   BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -8),
1373   BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_1, 0),
1374   BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),
1375   BPF_EXIT_INSN(),
1376 Error:
1377   0: (bf) r2 = r10
1378   1: (07) r2 += -8
1379   2: (b7) r1 = 0x0
1380   3: (85) call 1
1381   invalid indirect read from stack off -8+0 size 8
1382
1383 Program that uses invalid map_fd=0 while calling to map_lookup_elem() function:
1384   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_10, -8, 0),
1385   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),
1386   BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -8),
1387   BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_1, 0),
1388   BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),
1389   BPF_EXIT_INSN(),
1390 Error:
1391   0: (7a) *(u64 *)(r10 -8) = 0
1392   1: (bf) r2 = r10
1393   2: (07) r2 += -8
1394   3: (b7) r1 = 0x0
1395   4: (85) call 1
1396   fd 0 is not pointing to valid bpf_map
1397
1398 Program that doesn't check return value of map_lookup_elem() before accessing
1399 map element:
1400   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_10, -8, 0),
1401   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),
1402   BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -8),
1403   BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_1, 0),
1404   BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),
1405   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_0, 0, 0),
1406   BPF_EXIT_INSN(),
1407 Error:
1408   0: (7a) *(u64 *)(r10 -8) = 0
1409   1: (bf) r2 = r10
1410   2: (07) r2 += -8
1411   3: (b7) r1 = 0x0
1412   4: (85) call 1
1413   5: (7a) *(u64 *)(r0 +0) = 0
1414   R0 invalid mem access 'map_value_or_null'
1415
1416 Program that correctly checks map_lookup_elem() returned value for NULL, but
1417 accesses the memory with incorrect alignment:
1418   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_10, -8, 0),
1419   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),
1420   BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -8),
1421   BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_1, 0),
1422   BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),
1423   BPF_JMP_IMM(BPF_JEQ, BPF_REG_0, 0, 1),
1424   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_0, 4, 0),
1425   BPF_EXIT_INSN(),
1426 Error:
1427   0: (7a) *(u64 *)(r10 -8) = 0
1428   1: (bf) r2 = r10
1429   2: (07) r2 += -8
1430   3: (b7) r1 = 1
1431   4: (85) call 1
1432   5: (15) if r0 == 0x0 goto pc+1
1433    R0=map_ptr R10=fp
1434   6: (7a) *(u64 *)(r0 +4) = 0
1435   misaligned access off 4 size 8
1436
1437 Program that correctly checks map_lookup_elem() returned value for NULL and
1438 accesses memory with correct alignment in one side of 'if' branch, but fails
1439 to do so in the other side of 'if' branch:
1440   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_10, -8, 0),
1441   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),
1442   BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -8),
1443   BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_1, 0),
1444   BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),
1445   BPF_JMP_IMM(BPF_JEQ, BPF_REG_0, 0, 2),
1446   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_0, 0, 0),
1447   BPF_EXIT_INSN(),
1448   BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_0, 0, 1),
1449   BPF_EXIT_INSN(),
1450 Error:
1451   0: (7a) *(u64 *)(r10 -8) = 0
1452   1: (bf) r2 = r10
1453   2: (07) r2 += -8
1454   3: (b7) r1 = 1
1455   4: (85) call 1
1456   5: (15) if r0 == 0x0 goto pc+2
1457    R0=map_ptr R10=fp
1458   6: (7a) *(u64 *)(r0 +0) = 0
1459   7: (95) exit
1460
1461   from 5 to 8: R0=imm0 R10=fp
1462   8: (7a) *(u64 *)(r0 +0) = 1
1463   R0 invalid mem access 'imm'
1464
1465 Program that performs a socket lookup then sets the pointer to NULL without
1466 checking it:
1467 value:
1468   BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_2, 0),
1469   BPF_STX_MEM(BPF_W, BPF_REG_10, BPF_REG_2, -8),
1470   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),
1471   BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -8),
1472   BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_3, 4),
1473   BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_4, 0),
1474   BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_5, 0),
1475   BPF_EMIT_CALL(BPF_FUNC_sk_lookup_tcp),
1476   BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_0, 0),
1477   BPF_EXIT_INSN(),
1478 Error:
1479   0: (b7) r2 = 0
1480   1: (63) *(u32 *)(r10 -8) = r2
1481   2: (bf) r2 = r10
1482   3: (07) r2 += -8
1483   4: (b7) r3 = 4
1484   5: (b7) r4 = 0
1485   6: (b7) r5 = 0
1486   7: (85) call bpf_sk_lookup_tcp#65
1487   8: (b7) r0 = 0
1488   9: (95) exit
1489   Unreleased reference id=1, alloc_insn=7
1490
1491 Program that performs a socket lookup but does not NULL-check the returned
1492 value:
1493   BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_2, 0),
1494   BPF_STX_MEM(BPF_W, BPF_REG_10, BPF_REG_2, -8),
1495   BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10),
1496   BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -8),
1497   BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_3, 4),
1498   BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_4, 0),
1499   BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_5, 0),
1500   BPF_EMIT_CALL(BPF_FUNC_sk_lookup_tcp),
1501   BPF_EXIT_INSN(),
1502 Error:
1503   0: (b7) r2 = 0
1504   1: (63) *(u32 *)(r10 -8) = r2
1505   2: (bf) r2 = r10
1506   3: (07) r2 += -8
1507   4: (b7) r3 = 4
1508   5: (b7) r4 = 0
1509   6: (b7) r5 = 0
1510   7: (85) call bpf_sk_lookup_tcp#65
1511   8: (95) exit
1512   Unreleased reference id=1, alloc_insn=7
1513
1514 Testing
1515 -------
1516
1517 Next to the BPF toolchain, the kernel also ships a test module that contains
1518 various test cases for classic and internal BPF that can be executed against
1519 the BPF interpreter and JIT compiler. It can be found in lib/test_bpf.c and
1520 enabled via Kconfig:
1521
1522   CONFIG_TEST_BPF=m
1523
1524 After the module has been built and installed, the test suite can be executed
1525 via insmod or modprobe against 'test_bpf' module. Results of the test cases
1526 including timings in nsec can be found in the kernel log (dmesg).
1527
1528 Misc
1529 ----
1530
1531 Also trinity, the Linux syscall fuzzer, has built-in support for BPF and
1532 SECCOMP-BPF kernel fuzzing.
1533
1534 Written by
1535 ----------
1536
1537 The document was written in the hope that it is found useful and in order
1538 to give potential BPF hackers or security auditors a better overview of
1539 the underlying architecture.
1540
1541 Jay Schulist <jschlst@samba.org>
1542 Daniel Borkmann <daniel@iogearbox.net>
1543 Alexei Starovoitov <ast@kernel.org>