Quelle  reuseport_bpf.c   Sprache: C

/*
 * Test functionality of BPF filters for SO_REUSEPORT.  The tests below will use
 * a BPF program (both classic and extended) to read the first word from an
 * incoming packet (expected to be in network byte-order), calculate a modulus
 * of that number, and then dispatch the packet to the Nth socket using the
 * result.  These tests are run for each supported address family and protocol.
 * Additionally, a few edge cases in the implementation are tested.
 */

#include <errno.h>
#include <error.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/bpf.h>
#include <linux/filter.h>
#include <linux/unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/resource.h>
#include <unistd.h>

#include "../kselftest.h"

struct test_params {
 int recv_family;
 int send_family;
 int protocol;
 size_t recv_socks;
 uint16_t recv_port;
 uint16_t send_port_min;
};

static size_t sockaddr_size(void)
{
 return sizeof(struct sockaddr_storage);
}

static struct sockaddr *new_any_sockaddr(int family, uint16_t port)
{
 struct sockaddr_storage *addr;
 struct sockaddr_in *addr4;
 struct sockaddr_in6 *addr6;

 addr = malloc(sizeof(struct sockaddr_storage));
 memset(addr, 0, sizeof(struct sockaddr_storage));

 switch (family) {
 case AF_INET:
  addr4 = (struct sockaddr_in *)addr;
  addr4->sin_family = AF_INET;
  addr4->sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  addr4->sin_port = htons(port);
  break;
 case AF_INET6:
  addr6 = (struct sockaddr_in6 *)addr;
  addr6->sin6_family = AF_INET6;
  addr6->sin6_addr = in6addr_any;
  addr6->sin6_port = htons(port);
  break;
 default:
  error(1, 0, "Unsupported family %d", family);
 }
 return (struct sockaddr *)addr;
}

static struct sockaddr *new_loopback_sockaddr(int family, uint16_t port)
{
 struct sockaddr *addr = new_any_sockaddr(family, port);
 struct sockaddr_in *addr4;
 struct sockaddr_in6 *addr6;

 switch (family) {
 case AF_INET:
  addr4 = (struct sockaddr_in *)addr;
  addr4->sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_LOOPBACK);
  break;
 case AF_INET6:
  addr6 = (struct sockaddr_in6 *)addr;
  addr6->sin6_addr = in6addr_loopback;
  break;
 default:
  error(1, 0, "Unsupported family %d", family);
 }
 return addr;
}

static void attach_ebpf(int fd, uint16_t mod)
{
 static char bpf_log_buf[65536];
 static const char bpf_license[] = "GPL";

 int bpf_fd;
 const struct bpf_insn prog[] = {
  /* BPF_MOV64_REG(BPF_REG_6, BPF_REG_1) */
  { BPF_ALU64 | BPF_MOV | BPF_X, BPF_REG_6, BPF_REG_1, 0, 0 },
  /* BPF_LD_ABS(BPF_W, 0) R0 = (uint32_t)skb[0] */
  { BPF_LD | BPF_ABS | BPF_W, 0, 0, 0, 0 },
  /* BPF_ALU64_IMM(BPF_MOD, BPF_REG_0, mod) */
  { BPF_ALU64 | BPF_MOD | BPF_K, BPF_REG_0, 0, 0, mod },
  /* BPF_EXIT_INSN() */
  { BPF_JMP | BPF_EXIT, 0, 0, 0, 0 }
 };
 union bpf_attr attr;

 memset(&attr, 0, sizeof(attr));
 attr.prog_type = BPF_PROG_TYPE_SOCKET_FILTER;
 attr.insn_cnt = ARRAY_SIZE(prog);
 attr.insns = (unsigned long) &prog;
 attr.license = (unsigned long) &bpf_license;
 attr.log_buf = (unsigned long) &bpf_log_buf;
 attr.log_size = sizeof(bpf_log_buf);
 attr.log_level = 1;
 attr.kern_version = 0;

 bpf_fd = syscall(__NR_bpf, BPF_PROG_LOAD, &attr, sizeof(attr));
 if (bpf_fd < 0)
  error(1, errno, "ebpf error. log:\n%s\n", bpf_log_buf);

 if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_REUSEPORT_EBPF, &bpf_fd,
   sizeof(bpf_fd)))
  error(1, errno, "failed to set SO_ATTACH_REUSEPORT_EBPF");

 close(bpf_fd);
}

static void attach_cbpf(int fd, uint16_t mod)
{
 struct sock_filter code[] = {
  /* A = (uint32_t)skb[0] */
  { BPF_LD  | BPF_W | BPF_ABS, 0, 0, 0 },
  /* A = A % mod */
  { BPF_ALU | BPF_MOD, 0, 0, mod },
  /* return A */
  { BPF_RET | BPF_A, 0, 0, 0 },
 };
 struct sock_fprog p = {
  .len = ARRAY_SIZE(code),
  .filter = code,
 };

 if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_REUSEPORT_CBPF, &p, sizeof(p)))
  error(1, errno, "failed to set SO_ATTACH_REUSEPORT_CBPF");
}

static void build_recv_group(const struct test_params p, int fd[], uint16_t mod,
        void (*attach_bpf)(int, uint16_t))
{
 struct sockaddr * const addr =
  new_any_sockaddr(p.recv_family, p.recv_port);
 int i, opt;

 for (i = 0; i < p.recv_socks; ++i) {
  fd[i] = socket(p.recv_family, p.protocol, 0);
  if (fd[i] < 0)
   error(1, errno, "failed to create recv %d", i);

  opt = 1;
  if (setsockopt(fd[i], SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &opt,
          sizeof(opt)))
   error(1, errno, "failed to set SO_REUSEPORT on %d", i);

  if (i == 0)
   attach_bpf(fd[i], mod);

  if (bind(fd[i], addr, sockaddr_size()))
   error(1, errno, "failed to bind recv socket %d", i);

  if (p.protocol == SOCK_STREAM) {
   opt = 4;
   if (setsockopt(fd[i], SOL_TCP, TCP_FASTOPEN, &opt,
           sizeof(opt)))
    error(1, errno,
          "failed to set TCP_FASTOPEN on %d", i);
   if (listen(fd[i], p.recv_socks * 10))
    error(1, errno, "failed to listen on socket");
  }
 }
 free(addr);
}

static void send_from(struct test_params p, uint16_t sport, char *buf,
        size_t len)
{
 struct sockaddr * const saddr = new_any_sockaddr(p.send_family, sport);
 struct sockaddr * const daddr =
  new_loopback_sockaddr(p.send_family, p.recv_port);
 const int fd = socket(p.send_family, p.protocol, 0), one = 1;

 if (fd < 0)
  error(1, errno, "failed to create send socket");

 if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &one, sizeof(one)))
  error(1, errno, "failed to set reuseaddr");

 if (bind(fd, saddr, sockaddr_size()))
  error(1, errno, "failed to bind send socket");

 if (sendto(fd, buf, len, MSG_FASTOPEN, daddr, sockaddr_size()) < 0)
  error(1, errno, "failed to send message");

 close(fd);
 free(saddr);
 free(daddr);
}

static void test_recv_order(const struct test_params p, int fd[], int mod)
{
 char recv_buf[8], send_buf[8];
 struct msghdr msg;
 struct iovec recv_io = { recv_buf, 8 };
 struct epoll_event ev;
 int epfd, conn, i, sport, expected;
 uint32_t data, ndata;

 epfd = epoll_create(1);
 if (epfd < 0)
  error(1, errno, "failed to create epoll");
 for (i = 0; i < p.recv_socks; ++i) {
  ev.events = EPOLLIN;
  ev.data.fd = fd[i];
  if (epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd[i], &ev))
   error(1, errno, "failed to register sock %d epoll", i);
 }

 memset(&msg, 0, sizeof(msg));
 msg.msg_iov = &recv_io;
 msg.msg_iovlen = 1;

 for (data = 0; data < p.recv_socks * 2; ++data) {
  sport = p.send_port_min + data;
  ndata = htonl(data);
  memcpy(send_buf, &ndata, sizeof(ndata));
  send_from(p, sport, send_buf, sizeof(ndata));

  i = epoll_wait(epfd, &ev, 1, -1);
  if (i < 0)
   error(1, errno, "epoll wait failed");

  if (p.protocol == SOCK_STREAM) {
   conn = accept(ev.data.fd, NULL, NULL);
   if (conn < 0)
    error(1, errno, "error accepting");
   i = recvmsg(conn, &msg, 0);
   close(conn);
  } else {
   i = recvmsg(ev.data.fd, &msg, 0);
  }
  if (i < 0)
   error(1, errno, "recvmsg error");
  if (i != sizeof(ndata))
   error(1, 0, "expected size %zd got %d",
         sizeof(ndata), i);

  for (i = 0; i < p.recv_socks; ++i)
   if (ev.data.fd == fd[i])
    break;
  memcpy(&ndata, recv_buf, sizeof(ndata));
  fprintf(stderr, "Socket %d: %d\n", i, ntohl(ndata));

  expected = (sport % mod);
  if (i != expected)
   error(1, 0, "expected socket %d", expected);
 }
}

static void test_reuseport_ebpf(struct test_params p)
{
 int i, fd[p.recv_socks];

 fprintf(stderr, "Testing EBPF mod %zd...\n", p.recv_socks);
 build_recv_group(p, fd, p.recv_socks, attach_ebpf);
 test_recv_order(p, fd, p.recv_socks);

 p.send_port_min += p.recv_socks * 2;
 fprintf(stderr, "Reprograming, testing mod %zd...\n", p.recv_socks / 2);
 attach_ebpf(fd[0], p.recv_socks / 2);
 test_recv_order(p, fd, p.recv_socks / 2);

 for (i = 0; i < p.recv_socks; ++i)
  close(fd[i]);
}

static void test_reuseport_cbpf(struct test_params p)
{
 int i, fd[p.recv_socks];

 fprintf(stderr, "Testing CBPF mod %zd...\n", p.recv_socks);
 build_recv_group(p, fd, p.recv_socks, attach_cbpf);
 test_recv_order(p, fd, p.recv_socks);

 p.send_port_min += p.recv_socks * 2;
 fprintf(stderr, "Reprograming, testing mod %zd...\n", p.recv_socks / 2);
 attach_cbpf(fd[0], p.recv_socks / 2);
 test_recv_order(p, fd, p.recv_socks / 2);

 for (i = 0; i < p.recv_socks; ++i)
  close(fd[i]);
}

static void test_extra_filter(const struct test_params p)
{
 struct sockaddr * const addr =
  new_any_sockaddr(p.recv_family, p.recv_port);
 int fd1, fd2, opt;

 fprintf(stderr, "Testing too many filters...\n");
 fd1 = socket(p.recv_family, p.protocol, 0);
 if (fd1 < 0)
  error(1, errno, "failed to create socket 1");
 fd2 = socket(p.recv_family, p.protocol, 0);
 if (fd2 < 0)
  error(1, errno, "failed to create socket 2");

 opt = 1;
 if (setsockopt(fd1, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt)))
  error(1, errno, "failed to set SO_REUSEPORT on socket 1");
 if (setsockopt(fd2, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt)))
  error(1, errno, "failed to set SO_REUSEPORT on socket 2");

 attach_ebpf(fd1, 10);
 attach_ebpf(fd2, 10);

 if (bind(fd1, addr, sockaddr_size()))
  error(1, errno, "failed to bind recv socket 1");

 if (!bind(fd2, addr, sockaddr_size()) || errno != EADDRINUSE)
  error(1, errno, "bind socket 2 should fail with EADDRINUSE");

 free(addr);
}

static void test_filter_no_reuseport(const struct test_params p)
{
 struct sockaddr * const addr =
  new_any_sockaddr(p.recv_family, p.recv_port);
 const char bpf_license[] = "GPL";
 struct bpf_insn ecode[] = {
  { BPF_ALU64 | BPF_MOV | BPF_K, BPF_REG_0, 0, 0, 10 },
  { BPF_JMP | BPF_EXIT, 0, 0, 0, 0 }
 };
 struct sock_filter ccode[] = {{ BPF_RET | BPF_A, 0, 0, 0 }};
 union bpf_attr eprog;
 struct sock_fprog cprog;
 int fd, bpf_fd;

 fprintf(stderr, "Testing filters on non-SO_REUSEPORT socket...\n");

 memset(&eprog, 0, sizeof(eprog));
 eprog.prog_type = BPF_PROG_TYPE_SOCKET_FILTER;
 eprog.insn_cnt = ARRAY_SIZE(ecode);
 eprog.insns = (unsigned long) &ecode;
 eprog.license = (unsigned long) &bpf_license;
 eprog.kern_version = 0;

 memset(&cprog, 0, sizeof(cprog));
 cprog.len = ARRAY_SIZE(ccode);
 cprog.filter = ccode;


 bpf_fd = syscall(__NR_bpf, BPF_PROG_LOAD, &eprog, sizeof(eprog));
 if (bpf_fd < 0)
  error(1, errno, "ebpf error");
 fd = socket(p.recv_family, p.protocol, 0);
 if (fd < 0)
  error(1, errno, "failed to create socket 1");

 if (bind(fd, addr, sockaddr_size()))
  error(1, errno, "failed to bind recv socket 1");

 errno = 0;
 if (!setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_REUSEPORT_EBPF, &bpf_fd,
   sizeof(bpf_fd)) || errno != EINVAL)
  error(1, errno, "setsockopt should have returned EINVAL");

 errno = 0;
 if (!setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_REUSEPORT_CBPF, &cprog,
         sizeof(cprog)) || errno != EINVAL)
  error(1, errno, "setsockopt should have returned EINVAL");

 free(addr);
}

static void test_filter_without_bind(void)
{
 int fd1, fd2, opt = 1;

 fprintf(stderr, "Testing filter add without bind...\n");
 fd1 = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
 if (fd1 < 0)
  error(1, errno, "failed to create socket 1");
 fd2 = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
 if (fd2 < 0)
  error(1, errno, "failed to create socket 2");
 if (setsockopt(fd1, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt)))
  error(1, errno, "failed to set SO_REUSEPORT on socket 1");
 if (setsockopt(fd2, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt)))
  error(1, errno, "failed to set SO_REUSEPORT on socket 2");

 attach_ebpf(fd1, 10);
 attach_cbpf(fd2, 10);

 close(fd1);
 close(fd2);
}

void enable_fastopen(void)
{
 int fd = open("/proc/sys/net/ipv4/tcp_fastopen", 0);
 int rw_mask = 3;  /* bit 1: client side; bit-2 server side */
 int val, size;
 char buf[16];

 if (fd < 0)
  error(1, errno, "Unable to open tcp_fastopen sysctl");
 if (read(fd, buf, sizeof(buf)) <= 0)
  error(1, errno, "Unable to read tcp_fastopen sysctl");
 val = atoi(buf);
 close(fd);

 if ((val & rw_mask) != rw_mask) {
  fd = open("/proc/sys/net/ipv4/tcp_fastopen", O_RDWR);
  if (fd < 0)
   error(1, errno,
         "Unable to open tcp_fastopen sysctl for writing");
  val |= rw_mask;
  size = snprintf(buf, 16, "%d", val);
  if (write(fd, buf, size) <= 0)
   error(1, errno, "Unable to write tcp_fastopen sysctl");
  close(fd);
 }
}

static struct rlimit rlim_old;

static  __attribute__((constructor)) void main_ctor(void)
{
 getrlimit(RLIMIT_MEMLOCK, &rlim_old);

 if (rlim_old.rlim_cur != RLIM_INFINITY) {
  struct rlimit rlim_new;

  rlim_new.rlim_cur = rlim_old.rlim_cur + (1UL << 20);
  rlim_new.rlim_max = rlim_old.rlim_max + (1UL << 20);
  setrlimit(RLIMIT_MEMLOCK, &rlim_new);
 }
}

static __attribute__((destructor)) void main_dtor(void)
{
 setrlimit(RLIMIT_MEMLOCK, &rlim_old);
}

int main(void)
{
 fprintf(stderr, "---- IPv4 UDP ----\n");
 /* NOTE: UDP socket lookups traverse a different code path when there
 * are > 10 sockets in a group.  Run the bpf test through both paths.
 */
 test_reuseport_ebpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET,
  .send_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_socks = 10,
  .recv_port = 8000,
  .send_port_min = 9000});
 test_reuseport_ebpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET,
  .send_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_socks = 20,
  .recv_port = 8000,
  .send_port_min = 9000});
 test_reuseport_cbpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET,
  .send_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_socks = 10,
  .recv_port = 8001,
  .send_port_min = 9020});
 test_reuseport_cbpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET,
  .send_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_socks = 20,
  .recv_port = 8001,
  .send_port_min = 9020});
 test_extra_filter((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_port = 8002});
 test_filter_no_reuseport((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_port = 8008});

 fprintf(stderr, "---- IPv6 UDP ----\n");
 test_reuseport_ebpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .send_family = AF_INET6,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_socks = 10,
  .recv_port = 8003,
  .send_port_min = 9040});
 test_reuseport_ebpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .send_family = AF_INET6,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_socks = 20,
  .recv_port = 8003,
  .send_port_min = 9040});
 test_reuseport_cbpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .send_family = AF_INET6,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_socks = 10,
  .recv_port = 8004,
  .send_port_min = 9060});
 test_reuseport_cbpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .send_family = AF_INET6,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_socks = 20,
  .recv_port = 8004,
  .send_port_min = 9060});
 test_extra_filter((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_port = 8005});
 test_filter_no_reuseport((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_port = 8009});

 fprintf(stderr, "---- IPv6 UDP w/ mapped IPv4 ----\n");
 test_reuseport_ebpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .send_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_socks = 20,
  .recv_port = 8006,
  .send_port_min = 9080});
 test_reuseport_ebpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .send_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_socks = 10,
  .recv_port = 8006,
  .send_port_min = 9080});
 test_reuseport_cbpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .send_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_socks = 10,
  .recv_port = 8007,
  .send_port_min = 9100});
 test_reuseport_cbpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .send_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_DGRAM,
  .recv_socks = 20,
  .recv_port = 8007,
  .send_port_min = 9100});

 /* TCP fastopen is required for the TCP tests */
 enable_fastopen();
 fprintf(stderr, "---- IPv4 TCP ----\n");
 test_reuseport_ebpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET,
  .send_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_STREAM,
  .recv_socks = 10,
  .recv_port = 8008,
  .send_port_min = 9120});
 test_reuseport_cbpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET,
  .send_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_STREAM,
  .recv_socks = 10,
  .recv_port = 8009,
  .send_port_min = 9160});
 test_extra_filter((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_STREAM,
  .recv_port = 8010});
 test_filter_no_reuseport((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_STREAM,
  .recv_port = 8011});

 fprintf(stderr, "---- IPv6 TCP ----\n");
 test_reuseport_ebpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .send_family = AF_INET6,
  .protocol = SOCK_STREAM,
  .recv_socks = 10,
  .recv_port = 8012,
  .send_port_min = 9200});
 test_reuseport_cbpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .send_family = AF_INET6,
  .protocol = SOCK_STREAM,
  .recv_socks = 10,
  .recv_port = 8013,
  .send_port_min = 9240});
 test_extra_filter((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .protocol = SOCK_STREAM,
  .recv_port = 8014});
 test_filter_no_reuseport((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .protocol = SOCK_STREAM,
  .recv_port = 8015});

 fprintf(stderr, "---- IPv6 TCP w/ mapped IPv4 ----\n");
 test_reuseport_ebpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .send_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_STREAM,
  .recv_socks = 10,
  .recv_port = 8016,
  .send_port_min = 9320});
 test_reuseport_cbpf((struct test_params) {
  .recv_family = AF_INET6,
  .send_family = AF_INET,
  .protocol = SOCK_STREAM,
  .recv_socks = 10,
  .recv_port = 8017,
  .send_port_min = 9360});

 test_filter_without_bind();

 fprintf(stderr, "SUCCESS\n");
 return 0;
}