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[FreeBSD/FreeBSD.git] / share / man / man4 / bpf.4
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46 .\"
47 .\" This document is derived in part from the enet man page (enet.4)
48 .\" distributed with 4.3BSD Unix.
49 .\"
50 .\" $FreeBSD$
51 .\"
52 .Dd October 9, 2020
53 .Dt BPF 4
54 .Os
55 .Sh NAME
56 .Nm bpf
57 .Nd Berkeley Packet Filter
58 .Sh SYNOPSIS
59 .Cd device bpf
60 .Sh DESCRIPTION
61 The Berkeley Packet Filter
62 provides a raw interface to data link layers in a protocol
63 independent fashion.
64 All packets on the network, even those destined for other hosts,
65 are accessible through this mechanism.
66 .Pp
67 The packet filter appears as a character special device,
68 .Pa /dev/bpf .
69 After opening the device, the file descriptor must be bound to a
70 specific network interface with the
71 .Dv BIOCSETIF
72 ioctl.
73 A given interface can be shared by multiple listeners, and the filter
74 underlying each descriptor will see an identical packet stream.
75 .Pp
76 Associated with each open instance of a
77 .Nm
78 file is a user-settable packet filter.
79 Whenever a packet is received by an interface,
80 all file descriptors listening on that interface apply their filter.
81 Each descriptor that accepts the packet receives its own copy.
82 .Pp
83 A packet can be sent out on the network by writing to a
84 .Nm
85 file descriptor.
86 The writes are unbuffered, meaning only one packet can be processed per write.
87 Currently, only writes to Ethernets and
88 .Tn SLIP
89 links are supported.
90 .Sh BUFFER MODES
91 .Nm
92 devices deliver packet data to the application via memory buffers provided by
93 the application.
94 The buffer mode is set using the
95 .Dv BIOCSETBUFMODE
96 ioctl, and read using the
97 .Dv BIOCGETBUFMODE
98 ioctl.
99 .Ss Buffered read mode
100 By default,
101 .Nm
102 devices operate in the
103 .Dv BPF_BUFMODE_BUFFER
104 mode, in which packet data is copied explicitly from kernel to user memory
105 using the
106 .Xr read 2
107 system call.
108 The user process will declare a fixed buffer size that will be used both for
109 sizing internal buffers and for all
110 .Xr read 2
111 operations on the file.
112 This size is queried using the
113 .Dv BIOCGBLEN
114 ioctl, and is set using the
115 .Dv BIOCSBLEN
116 ioctl.
117 Note that an individual packet larger than the buffer size is necessarily
118 truncated.
119 .Ss Zero-copy buffer mode
120 .Nm
121 devices may also operate in the
122 .Dv BPF_BUFMODE_ZEROCOPY
123 mode, in which packet data is written directly into two user memory buffers
124 by the kernel, avoiding both system call and copying overhead.
125 Buffers are of fixed (and equal) size, page-aligned, and an even multiple of
126 the page size.
127 The maximum zero-copy buffer size is returned by the
128 .Dv BIOCGETZMAX
129 ioctl.
130 Note that an individual packet larger than the buffer size is necessarily
131 truncated.
132 .Pp
133 The user process registers two memory buffers using the
134 .Dv BIOCSETZBUF
135 ioctl, which accepts a
136 .Vt struct bpf_zbuf
137 pointer as an argument:
138 .Bd -literal
139 struct bpf_zbuf {
140         void *bz_bufa;
141         void *bz_bufb;
142         size_t bz_buflen;
143 };
144 .Ed
145 .Pp
146 .Vt bz_bufa
147 is a pointer to the userspace address of the first buffer that will be
148 filled, and
149 .Vt bz_bufb
150 is a pointer to the second buffer.
151 .Nm
152 will then cycle between the two buffers as they fill and are acknowledged.
153 .Pp
154 Each buffer begins with a fixed-length header to hold synchronization and
155 data length information for the buffer:
156 .Bd -literal
157 struct bpf_zbuf_header {
158         volatile u_int  bzh_kernel_gen; /* Kernel generation number. */
159         volatile u_int  bzh_kernel_len; /* Length of data in the buffer. */
160         volatile u_int  bzh_user_gen;   /* User generation number. */
161         /* ...padding for future use... */
162 };
163 .Ed
164 .Pp
165 The header structure of each buffer, including all padding, should be zeroed
166 before it is configured using
167 .Dv BIOCSETZBUF .
168 Remaining space in the buffer will be used by the kernel to store packet
169 data, laid out in the same format as with buffered read mode.
170 .Pp
171 The kernel and the user process follow a simple acknowledgement protocol via
172 the buffer header to synchronize access to the buffer: when the header
173 generation numbers,
174 .Vt bzh_kernel_gen
175 and
176 .Vt bzh_user_gen ,
177 hold the same value, the kernel owns the buffer, and when they differ,
178 userspace owns the buffer.
179 .Pp
180 While the kernel owns the buffer, the contents are unstable and may change
181 asynchronously; while the user process owns the buffer, its contents are
182 stable and will not be changed until the buffer has been acknowledged.
183 .Pp
184 Initializing the buffer headers to all 0's before registering the buffer has
185 the effect of assigning initial ownership of both buffers to the kernel.
186 The kernel signals that a buffer has been assigned to userspace by modifying
187 .Vt bzh_kernel_gen ,
188 and userspace acknowledges the buffer and returns it to the kernel by setting
189 the value of
190 .Vt bzh_user_gen
191 to the value of
192 .Vt bzh_kernel_gen .
193 .Pp
194 In order to avoid caching and memory re-ordering effects, the user process
195 must use atomic operations and memory barriers when checking for and
196 acknowledging buffers:
197 .Bd -literal
198 #include <machine/atomic.h>
199
200 /*
201  * Return ownership of a buffer to the kernel for reuse.
202  */
203 static void
204 buffer_acknowledge(struct bpf_zbuf_header *bzh)
205 {
206
207         atomic_store_rel_int(&bzh->bzh_user_gen, bzh->bzh_kernel_gen);
208 }
209
210 /*
211  * Check whether a buffer has been assigned to userspace by the kernel.
212  * Return true if userspace owns the buffer, and false otherwise.
213  */
214 static int
215 buffer_check(struct bpf_zbuf_header *bzh)
216 {
217
218         return (bzh->bzh_user_gen !=
219             atomic_load_acq_int(&bzh->bzh_kernel_gen));
220 }
221 .Ed
222 .Pp
223 The user process may force the assignment of the next buffer, if any data
224 is pending, to userspace using the
225 .Dv BIOCROTZBUF
226 ioctl.
227 This allows the user process to retrieve data in a partially filled buffer
228 before the buffer is full, such as following a timeout; the process must
229 recheck for buffer ownership using the header generation numbers, as the
230 buffer will not be assigned to userspace if no data was present.
231 .Pp
232 As in the buffered read mode,
233 .Xr kqueue 2 ,
234 .Xr poll 2 ,
235 and
236 .Xr select 2
237 may be used to sleep awaiting the availability of a completed buffer.
238 They will return a readable file descriptor when ownership of the next buffer
239 is assigned to user space.
240 .Pp
241 In the current implementation, the kernel may assign zero, one, or both
242 buffers to the user process; however, an earlier implementation maintained
243 the invariant that at most one buffer could be assigned to the user process
244 at a time.
245 In order to both ensure progress and high performance, user processes should
246 acknowledge a completely processed buffer as quickly as possible, returning
247 it for reuse, and not block waiting on a second buffer while holding another
248 buffer.
249 .Sh IOCTLS
250 The
251 .Xr ioctl 2
252 command codes below are defined in
253 .In net/bpf.h .
254 All commands require
255 these includes:
256 .Bd -literal
257         #include <sys/types.h>
258         #include <sys/time.h>
259         #include <sys/ioctl.h>
260         #include <net/bpf.h>
261 .Ed
262 .Pp
263 Additionally,
264 .Dv BIOCGETIF
265 and
266 .Dv BIOCSETIF
267 require
268 .In sys/socket.h
269 and
270 .In net/if.h .
271 .Pp
272 In addition to
273 .Dv FIONREAD
274 the following commands may be applied to any open
275 .Nm
276 file.
277 The (third) argument to
278 .Xr ioctl 2
279 should be a pointer to the type indicated.
280 .Bl -tag -width BIOCGETBUFMODE
281 .It Dv BIOCGBLEN
282 .Pq Li u_int
283 Returns the required buffer length for reads on
284 .Nm
285 files.
286 .It Dv BIOCSBLEN
287 .Pq Li u_int
288 Sets the buffer length for reads on
289 .Nm
290 files.
291 The buffer must be set before the file is attached to an interface
292 with
293 .Dv BIOCSETIF .
294 If the requested buffer size cannot be accommodated, the closest
295 allowable size will be set and returned in the argument.
296 A read call will result in
297 .Er EINVAL
298 if it is passed a buffer that is not this size.
299 .It Dv BIOCGDLT
300 .Pq Li u_int
301 Returns the type of the data link layer underlying the attached interface.
302 .Er EINVAL
303 is returned if no interface has been specified.
304 The device types, prefixed with
305 .Dq Li DLT_ ,
306 are defined in
307 .In net/bpf.h .
308 .It Dv BIOCGDLTLIST
309 .Pq Li "struct bpf_dltlist"
310 Returns an array of the available types of the data link layer
311 underlying the attached interface:
312 .Bd -literal -offset indent
313 struct bpf_dltlist {
314         u_int bfl_len;
315         u_int *bfl_list;
316 };
317 .Ed
318 .Pp
319 The available types are returned in the array pointed to by the
320 .Va bfl_list
321 field while their length in u_int is supplied to the
322 .Va bfl_len
323 field.
324 .Er ENOMEM
325 is returned if there is not enough buffer space and
326 .Er EFAULT
327 is returned if a bad address is encountered.
328 The
329 .Va bfl_len
330 field is modified on return to indicate the actual length in u_int
331 of the array returned.
332 If
333 .Va bfl_list
334 is
335 .Dv NULL ,
336 the
337 .Va bfl_len
338 field is set to indicate the required length of an array in u_int.
339 .It Dv BIOCSDLT
340 .Pq Li u_int
341 Changes the type of the data link layer underlying the attached interface.
342 .Er EINVAL
343 is returned if no interface has been specified or the specified
344 type is not available for the interface.
345 .It Dv BIOCPROMISC
346 Forces the interface into promiscuous mode.
347 All packets, not just those destined for the local host, are processed.
348 Since more than one file can be listening on a given interface,
349 a listener that opened its interface non-promiscuously may receive
350 packets promiscuously.
351 This problem can be remedied with an appropriate filter.
352 .Pp
353 The interface remains in promiscuous mode until all files listening
354 promiscuously are closed.
355 .It Dv BIOCFLUSH
356 Flushes the buffer of incoming packets,
357 and resets the statistics that are returned by BIOCGSTATS.
358 .It Dv BIOCGETIF
359 .Pq Li "struct ifreq"
360 Returns the name of the hardware interface that the file is listening on.
361 The name is returned in the ifr_name field of
362 the
363 .Li ifreq
364 structure.
365 All other fields are undefined.
366 .It Dv BIOCSETIF
367 .Pq Li "struct ifreq"
368 Sets the hardware interface associated with the file.
369 This
370 command must be performed before any packets can be read.
371 The device is indicated by name using the
372 .Li ifr_name
373 field of the
374 .Li ifreq
375 structure.
376 Additionally, performs the actions of
377 .Dv BIOCFLUSH .
378 .It Dv BIOCSRTIMEOUT
379 .It Dv BIOCGRTIMEOUT
380 .Pq Li "struct timeval"
381 Sets or gets the read timeout parameter.
382 The argument
383 specifies the length of time to wait before timing
384 out on a read request.
385 This parameter is initialized to zero by
386 .Xr open 2 ,
387 indicating no timeout.
388 .It Dv BIOCGSTATS
389 .Pq Li "struct bpf_stat"
390 Returns the following structure of packet statistics:
391 .Bd -literal
392 struct bpf_stat {
393         u_int bs_recv;    /* number of packets received */
394         u_int bs_drop;    /* number of packets dropped */
395 };
396 .Ed
397 .Pp
398 The fields are:
399 .Bl -hang -offset indent
400 .It Li bs_recv
401 the number of packets received by the descriptor since opened or reset
402 (including any buffered since the last read call);
403 and
404 .It Li bs_drop
405 the number of packets which were accepted by the filter but dropped by the
406 kernel because of buffer overflows
407 (i.e., the application's reads are not keeping up with the packet traffic).
408 .El
409 .It Dv BIOCIMMEDIATE
410 .Pq Li u_int
411 Enables or disables
412 .Dq immediate mode ,
413 based on the truth value of the argument.
414 When immediate mode is enabled, reads return immediately upon packet
415 reception.
416 Otherwise, a read will block until either the kernel buffer
417 becomes full or a timeout occurs.
418 This is useful for programs like
419 .Xr rarpd 8
420 which must respond to messages in real time.
421 The default for a new file is off.
422 .It Dv BIOCSETF
423 .It Dv BIOCSETFNR
424 .Pq Li "struct bpf_program"
425 Sets the read filter program used by the kernel to discard uninteresting
426 packets.
427 An array of instructions and its length is passed in using
428 the following structure:
429 .Bd -literal
430 struct bpf_program {
431         u_int bf_len;
432         struct bpf_insn *bf_insns;
433 };
434 .Ed
435 .Pp
436 The filter program is pointed to by the
437 .Li bf_insns
438 field while its length in units of
439 .Sq Li struct bpf_insn
440 is given by the
441 .Li bf_len
442 field.
443 See section
444 .Sx "FILTER MACHINE"
445 for an explanation of the filter language.
446 The only difference between
447 .Dv BIOCSETF
448 and
449 .Dv BIOCSETFNR
450 is
451 .Dv BIOCSETF
452 performs the actions of
453 .Dv BIOCFLUSH
454 while
455 .Dv BIOCSETFNR
456 does not.
457 .It Dv BIOCSETWF
458 .Pq Li "struct bpf_program"
459 Sets the write filter program used by the kernel to control what type of
460 packets can be written to the interface.
461 See the
462 .Dv BIOCSETF
463 command for more
464 information on the
465 .Nm
466 filter program.
467 .It Dv BIOCVERSION
468 .Pq Li "struct bpf_version"
469 Returns the major and minor version numbers of the filter language currently
470 recognized by the kernel.
471 Before installing a filter, applications must check
472 that the current version is compatible with the running kernel.
473 Version numbers are compatible if the major numbers match and the application minor
474 is less than or equal to the kernel minor.
475 The kernel version number is returned in the following structure:
476 .Bd -literal
477 struct bpf_version {
478         u_short bv_major;
479         u_short bv_minor;
480 };
481 .Ed
482 .Pp
483 The current version numbers are given by
484 .Dv BPF_MAJOR_VERSION
485 and
486 .Dv BPF_MINOR_VERSION
487 from
488 .In net/bpf.h .
489 An incompatible filter
490 may result in undefined behavior (most likely, an error returned by
491 .Fn ioctl
492 or haphazard packet matching).
493 .It Dv BIOCGRSIG
494 .It Dv BIOCSRSIG
495 .Pq Li u_int
496 Sets or gets the receive signal.
497 This signal will be sent to the process or process group specified by
498 .Dv FIOSETOWN .
499 It defaults to
500 .Dv SIGIO .
501 .It Dv BIOCSHDRCMPLT
502 .It Dv BIOCGHDRCMPLT
503 .Pq Li u_int
504 Sets or gets the status of the
505 .Dq header complete
506 flag.
507 Set to zero if the link level source address should be filled in automatically
508 by the interface output routine.
509 Set to one if the link level source
510 address will be written, as provided, to the wire.
511 This flag is initialized to zero by default.
512 .It Dv BIOCSSEESENT
513 .It Dv BIOCGSEESENT
514 .Pq Li u_int
515 These commands are obsolete but left for compatibility.
516 Use
517 .Dv BIOCSDIRECTION
518 and
519 .Dv BIOCGDIRECTION
520 instead.
521 Sets or gets the flag determining whether locally generated packets on the
522 interface should be returned by BPF.
523 Set to zero to see only incoming packets on the interface.
524 Set to one to see packets originating locally and remotely on the interface.
525 This flag is initialized to one by default.
526 .It Dv BIOCSDIRECTION
527 .It Dv BIOCGDIRECTION
528 .Pq Li u_int
529 Sets or gets the setting determining whether incoming, outgoing, or all packets
530 on the interface should be returned by BPF.
531 Set to
532 .Dv BPF_D_IN
533 to see only incoming packets on the interface.
534 Set to
535 .Dv BPF_D_INOUT
536 to see packets originating locally and remotely on the interface.
537 Set to
538 .Dv BPF_D_OUT
539 to see only outgoing packets on the interface.
540 This setting is initialized to
541 .Dv BPF_D_INOUT
542 by default.
543 .It Dv BIOCSTSTAMP
544 .It Dv BIOCGTSTAMP
545 .Pq Li u_int
546 Set or get format and resolution of the time stamps returned by BPF.
547 Set to
548 .Dv BPF_T_MICROTIME ,
549 .Dv BPF_T_MICROTIME_FAST ,
550 .Dv BPF_T_MICROTIME_MONOTONIC ,
551 or
552 .Dv BPF_T_MICROTIME_MONOTONIC_FAST
553 to get time stamps in 64-bit
554 .Vt struct timeval
555 format.
556 Set to
557 .Dv BPF_T_NANOTIME ,
558 .Dv BPF_T_NANOTIME_FAST ,
559 .Dv BPF_T_NANOTIME_MONOTONIC ,
560 or
561 .Dv BPF_T_NANOTIME_MONOTONIC_FAST
562 to get time stamps in 64-bit
563 .Vt struct timespec
564 format.
565 Set to
566 .Dv BPF_T_BINTIME ,
567 .Dv BPF_T_BINTIME_FAST ,
568 .Dv BPF_T_NANOTIME_MONOTONIC ,
569 or
570 .Dv BPF_T_BINTIME_MONOTONIC_FAST
571 to get time stamps in 64-bit
572 .Vt struct bintime
573 format.
574 Set to
575 .Dv BPF_T_NONE
576 to ignore time stamp.
577 All 64-bit time stamp formats are wrapped in
578 .Vt struct bpf_ts .
579 The
580 .Dv BPF_T_MICROTIME_FAST ,
581 .Dv BPF_T_NANOTIME_FAST ,
582 .Dv BPF_T_BINTIME_FAST ,
583 .Dv BPF_T_MICROTIME_MONOTONIC_FAST ,
584 .Dv BPF_T_NANOTIME_MONOTONIC_FAST ,
585 and
586 .Dv BPF_T_BINTIME_MONOTONIC_FAST
587 are analogs of corresponding formats without _FAST suffix but do not perform
588 a full time counter query, so their accuracy is one timer tick.
589 The
590 .Dv BPF_T_MICROTIME_MONOTONIC ,
591 .Dv BPF_T_NANOTIME_MONOTONIC ,
592 .Dv BPF_T_BINTIME_MONOTONIC ,
593 .Dv BPF_T_MICROTIME_MONOTONIC_FAST ,
594 .Dv BPF_T_NANOTIME_MONOTONIC_FAST ,
595 and
596 .Dv BPF_T_BINTIME_MONOTONIC_FAST
597 store the time elapsed since kernel boot.
598 This setting is initialized to
599 .Dv BPF_T_MICROTIME
600 by default.
601 .It Dv BIOCFEEDBACK
602 .Pq Li u_int
603 Set packet feedback mode.
604 This allows injected packets to be fed back as input to the interface when
605 output via the interface is successful.
606 When
607 .Dv BPF_D_INOUT
608 direction is set, injected outgoing packet is not returned by BPF to avoid
609 duplication.
610 This flag is initialized to zero by default.
611 .It Dv BIOCLOCK
612 Set the locked flag on the
613 .Nm
614 descriptor.
615 This prevents the execution of
616 ioctl commands which could change the underlying operating parameters of
617 the device.
618 .It Dv BIOCGETBUFMODE
619 .It Dv BIOCSETBUFMODE
620 .Pq Li u_int
621 Get or set the current
622 .Nm
623 buffering mode; possible values are
624 .Dv BPF_BUFMODE_BUFFER ,
625 buffered read mode, and
626 .Dv BPF_BUFMODE_ZBUF ,
627 zero-copy buffer mode.
628 .It Dv BIOCSETZBUF
629 .Pq Li struct bpf_zbuf
630 Set the current zero-copy buffer locations; buffer locations may be
631 set only once zero-copy buffer mode has been selected, and prior to attaching
632 to an interface.
633 Buffers must be of identical size, page-aligned, and an integer multiple of
634 pages in size.
635 The three fields
636 .Vt bz_bufa ,
637 .Vt bz_bufb ,
638 and
639 .Vt bz_buflen
640 must be filled out.
641 If buffers have already been set for this device, the ioctl will fail.
642 .It Dv BIOCGETZMAX
643 .Pq Li size_t
644 Get the largest individual zero-copy buffer size allowed.
645 As two buffers are used in zero-copy buffer mode, the limit (in practice) is
646 twice the returned size.
647 As zero-copy buffers consume kernel address space, conservative selection of
648 buffer size is suggested, especially when there are multiple
649 .Nm
650 descriptors in use on 32-bit systems.
651 .It Dv BIOCROTZBUF
652 Force ownership of the next buffer to be assigned to userspace, if any data
653 present in the buffer.
654 If no data is present, the buffer will remain owned by the kernel.
655 This allows consumers of zero-copy buffering to implement timeouts and
656 retrieve partially filled buffers.
657 In order to handle the case where no data is present in the buffer and
658 therefore ownership is not assigned, the user process must check
659 .Vt bzh_kernel_gen
660 against
661 .Vt bzh_user_gen .
662 .El
663 .Sh STANDARD IOCTLS
664 .Nm
665 now supports several standard
666 .Xr ioctl 2 Ns 's
667 which allow the user to do async and/or non-blocking I/O to an open
668 .I bpf
669 file descriptor.
670 .Bl -tag -width SIOCGIFADDR
671 .It Dv FIONREAD
672 .Pq Li int
673 Returns the number of bytes that are immediately available for reading.
674 .It Dv SIOCGIFADDR
675 .Pq Li "struct ifreq"
676 Returns the address associated with the interface.
677 .It Dv FIONBIO
678 .Pq Li int
679 Sets or clears non-blocking I/O.
680 If arg is non-zero, then doing a
681 .Xr read 2
682 when no data is available will return -1 and
683 .Va errno
684 will be set to
685 .Er EAGAIN .
686 If arg is zero, non-blocking I/O is disabled.
687 Note: setting this overrides the timeout set by
688 .Dv BIOCSRTIMEOUT .
689 .It Dv FIOASYNC
690 .Pq Li int
691 Enables or disables async I/O.
692 When enabled (arg is non-zero), the process or process group specified by
693 .Dv FIOSETOWN
694 will start receiving
695 .Dv SIGIO 's
696 when packets arrive.
697 Note that you must do an
698 .Dv FIOSETOWN
699 in order for this to take affect,
700 as the system will not default this for you.
701 The signal may be changed via
702 .Dv BIOCSRSIG .
703 .It Dv FIOSETOWN
704 .It Dv FIOGETOWN
705 .Pq Li int
706 Sets or gets the process or process group (if negative) that should
707 receive
708 .Dv SIGIO
709 when packets are available.
710 The signal may be changed using
711 .Dv BIOCSRSIG
712 (see above).
713 .El
714 .Sh BPF HEADER
715 One of the following structures is prepended to each packet returned by
716 .Xr read 2
717 or via a zero-copy buffer:
718 .Bd -literal
719 struct bpf_xhdr {
720         struct bpf_ts   bh_tstamp;     /* time stamp */
721         uint32_t        bh_caplen;     /* length of captured portion */
722         uint32_t        bh_datalen;    /* original length of packet */
723         u_short         bh_hdrlen;     /* length of bpf header (this struct
724                                           plus alignment padding) */
725 };
726
727 struct bpf_hdr {
728         struct timeval  bh_tstamp;     /* time stamp */
729         uint32_t        bh_caplen;     /* length of captured portion */
730         uint32_t        bh_datalen;    /* original length of packet */
731         u_short         bh_hdrlen;     /* length of bpf header (this struct
732                                           plus alignment padding) */
733 };
734 .Ed
735 .Pp
736 The fields, whose values are stored in host order, and are:
737 .Pp
738 .Bl -tag -compact -width bh_datalen
739 .It Li bh_tstamp
740 The time at which the packet was processed by the packet filter.
741 .It Li bh_caplen
742 The length of the captured portion of the packet.
743 This is the minimum of
744 the truncation amount specified by the filter and the length of the packet.
745 .It Li bh_datalen
746 The length of the packet off the wire.
747 This value is independent of the truncation amount specified by the filter.
748 .It Li bh_hdrlen
749 The length of the
750 .Nm
751 header, which may not be equal to
752 .\" XXX - not really a function call
753 .Fn sizeof "struct bpf_xhdr"
754 or
755 .Fn sizeof "struct bpf_hdr" .
756 .El
757 .Pp
758 The
759 .Li bh_hdrlen
760 field exists to account for
761 padding between the header and the link level protocol.
762 The purpose here is to guarantee proper alignment of the packet
763 data structures, which is required on alignment sensitive
764 architectures and improves performance on many other architectures.
765 The packet filter ensures that the
766 .Vt bpf_xhdr ,
767 .Vt bpf_hdr
768 and the network layer
769 header will be word aligned.
770 Currently,
771 .Vt bpf_hdr
772 is used when the time stamp is set to
773 .Dv BPF_T_MICROTIME ,
774 .Dv BPF_T_MICROTIME_FAST ,
775 .Dv BPF_T_MICROTIME_MONOTONIC ,
776 .Dv BPF_T_MICROTIME_MONOTONIC_FAST ,
777 or
778 .Dv BPF_T_NONE
779 for backward compatibility reasons.
780 Otherwise,
781 .Vt bpf_xhdr
782 is used.
783 However,
784 .Vt bpf_hdr
785 may be deprecated in the near future.
786 Suitable precautions
787 must be taken when accessing the link layer protocol fields on alignment
788 restricted machines.
789 (This is not a problem on an Ethernet, since
790 the type field is a short falling on an even offset,
791 and the addresses are probably accessed in a bytewise fashion).
792 .Pp
793 Additionally, individual packets are padded so that each starts
794 on a word boundary.
795 This requires that an application
796 has some knowledge of how to get from packet to packet.
797 The macro
798 .Dv BPF_WORDALIGN
799 is defined in
800 .In net/bpf.h
801 to facilitate
802 this process.
803 It rounds up its argument to the nearest word aligned value (where a word is
804 .Dv BPF_ALIGNMENT
805 bytes wide).
806 .Pp
807 For example, if
808 .Sq Li p
809 points to the start of a packet, this expression
810 will advance it to the next packet:
811 .Dl p = (char *)p + BPF_WORDALIGN(p->bh_hdrlen + p->bh_caplen)
812 .Pp
813 For the alignment mechanisms to work properly, the
814 buffer passed to
815 .Xr read 2
816 must itself be word aligned.
817 The
818 .Xr malloc 3
819 function
820 will always return an aligned buffer.
821 .Sh FILTER MACHINE
822 A filter program is an array of instructions, with all branches forwardly
823 directed, terminated by a
824 .Em return
825 instruction.
826 Each instruction performs some action on the pseudo-machine state,
827 which consists of an accumulator, index register, scratch memory store,
828 and implicit program counter.
829 .Pp
830 The following structure defines the instruction format:
831 .Bd -literal
832 struct bpf_insn {
833         u_short     code;
834         u_char      jt;
835         u_char      jf;
836         bpf_u_int32 k;
837 };
838 .Ed
839 .Pp
840 The
841 .Li k
842 field is used in different ways by different instructions,
843 and the
844 .Li jt
845 and
846 .Li jf
847 fields are used as offsets
848 by the branch instructions.
849 The opcodes are encoded in a semi-hierarchical fashion.
850 There are eight classes of instructions:
851 .Dv BPF_LD ,
852 .Dv BPF_LDX ,
853 .Dv BPF_ST ,
854 .Dv BPF_STX ,
855 .Dv BPF_ALU ,
856 .Dv BPF_JMP ,
857 .Dv BPF_RET ,
858 and
859 .Dv BPF_MISC .
860 Various other mode and
861 operator bits are or'd into the class to give the actual instructions.
862 The classes and modes are defined in
863 .In net/bpf.h .
864 .Pp
865 Below are the semantics for each defined
866 .Nm
867 instruction.
868 We use the convention that A is the accumulator, X is the index register,
869 P[] packet data, and M[] scratch memory store.
870 P[i:n] gives the data at byte offset
871 .Dq i
872 in the packet,
873 interpreted as a word (n=4),
874 unsigned halfword (n=2), or unsigned byte (n=1).
875 M[i] gives the i'th word in the scratch memory store, which is only
876 addressed in word units.
877 The memory store is indexed from 0 to
878 .Dv BPF_MEMWORDS
879 - 1.
880 .Li k ,
881 .Li jt ,
882 and
883 .Li jf
884 are the corresponding fields in the
885 instruction definition.
886 .Dq len
887 refers to the length of the packet.
888 .Bl -tag -width BPF_STXx
889 .It Dv BPF_LD
890 These instructions copy a value into the accumulator.
891 The type of the source operand is specified by an
892 .Dq addressing mode
893 and can be a constant
894 .Pq Dv BPF_IMM ,
895 packet data at a fixed offset
896 .Pq Dv BPF_ABS ,
897 packet data at a variable offset
898 .Pq Dv BPF_IND ,
899 the packet length
900 .Pq Dv BPF_LEN ,
901 or a word in the scratch memory store
902 .Pq Dv BPF_MEM .
903 For
904 .Dv BPF_IND
905 and
906 .Dv BPF_ABS ,
907 the data size must be specified as a word
908 .Pq Dv BPF_W ,
909 halfword
910 .Pq Dv BPF_H ,
911 or byte
912 .Pq Dv BPF_B .
913 The semantics of all the recognized
914 .Dv BPF_LD
915 instructions follow.
916 .Bd -literal
917 BPF_LD+BPF_W+BPF_ABS    A <- P[k:4]
918 BPF_LD+BPF_H+BPF_ABS    A <- P[k:2]
919 BPF_LD+BPF_B+BPF_ABS    A <- P[k:1]
920 BPF_LD+BPF_W+BPF_IND    A <- P[X+k:4]
921 BPF_LD+BPF_H+BPF_IND    A <- P[X+k:2]
922 BPF_LD+BPF_B+BPF_IND    A <- P[X+k:1]
923 BPF_LD+BPF_W+BPF_LEN    A <- len
924 BPF_LD+BPF_IMM          A <- k
925 BPF_LD+BPF_MEM          A <- M[k]
926 .Ed
927 .It Dv BPF_LDX
928 These instructions load a value into the index register.
929 Note that
930 the addressing modes are more restrictive than those of the accumulator loads,
931 but they include
932 .Dv BPF_MSH ,
933 a hack for efficiently loading the IP header length.
934 .Bd -literal
935 BPF_LDX+BPF_W+BPF_IMM   X <- k
936 BPF_LDX+BPF_W+BPF_MEM   X <- M[k]
937 BPF_LDX+BPF_W+BPF_LEN   X <- len
938 BPF_LDX+BPF_B+BPF_MSH   X <- 4*(P[k:1]&0xf)
939 .Ed
940 .It Dv BPF_ST
941 This instruction stores the accumulator into the scratch memory.
942 We do not need an addressing mode since there is only one possibility
943 for the destination.
944 .Bd -literal
945 BPF_ST                  M[k] <- A
946 .Ed
947 .It Dv BPF_STX
948 This instruction stores the index register in the scratch memory store.
949 .Bd -literal
950 BPF_STX                 M[k] <- X
951 .Ed
952 .It Dv BPF_ALU
953 The alu instructions perform operations between the accumulator and
954 index register or constant, and store the result back in the accumulator.
955 For binary operations, a source mode is required
956 .Dv ( BPF_K
957 or
958 .Dv BPF_X ) .
959 .Bd -literal
960 BPF_ALU+BPF_ADD+BPF_K   A <- A + k
961 BPF_ALU+BPF_SUB+BPF_K   A <- A - k
962 BPF_ALU+BPF_MUL+BPF_K   A <- A * k
963 BPF_ALU+BPF_DIV+BPF_K   A <- A / k
964 BPF_ALU+BPF_MOD+BPF_K   A <- A % k
965 BPF_ALU+BPF_AND+BPF_K   A <- A & k
966 BPF_ALU+BPF_OR+BPF_K    A <- A | k
967 BPF_ALU+BPF_XOR+BPF_K   A <- A ^ k
968 BPF_ALU+BPF_LSH+BPF_K   A <- A << k
969 BPF_ALU+BPF_RSH+BPF_K   A <- A >> k
970 BPF_ALU+BPF_ADD+BPF_X   A <- A + X
971 BPF_ALU+BPF_SUB+BPF_X   A <- A - X
972 BPF_ALU+BPF_MUL+BPF_X   A <- A * X
973 BPF_ALU+BPF_DIV+BPF_X   A <- A / X
974 BPF_ALU+BPF_MOD+BPF_X   A <- A % X
975 BPF_ALU+BPF_AND+BPF_X   A <- A & X
976 BPF_ALU+BPF_OR+BPF_X    A <- A | X
977 BPF_ALU+BPF_XOR+BPF_X   A <- A ^ X
978 BPF_ALU+BPF_LSH+BPF_X   A <- A << X
979 BPF_ALU+BPF_RSH+BPF_X   A <- A >> X
980 BPF_ALU+BPF_NEG         A <- -A
981 .Ed
982 .It Dv BPF_JMP
983 The jump instructions alter flow of control.
984 Conditional jumps
985 compare the accumulator against a constant
986 .Pq Dv BPF_K
987 or the index register
988 .Pq Dv BPF_X .
989 If the result is true (or non-zero),
990 the true branch is taken, otherwise the false branch is taken.
991 Jump offsets are encoded in 8 bits so the longest jump is 256 instructions.
992 However, the jump always
993 .Pq Dv BPF_JA
994 opcode uses the 32 bit
995 .Li k
996 field as the offset, allowing arbitrarily distant destinations.
997 All conditionals use unsigned comparison conventions.
998 .Bd -literal
999 BPF_JMP+BPF_JA          pc += k
1000 BPF_JMP+BPF_JGT+BPF_K   pc += (A > k) ? jt : jf
1001 BPF_JMP+BPF_JGE+BPF_K   pc += (A >= k) ? jt : jf
1002 BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K   pc += (A == k) ? jt : jf
1003 BPF_JMP+BPF_JSET+BPF_K  pc += (A & k) ? jt : jf
1004 BPF_JMP+BPF_JGT+BPF_X   pc += (A > X) ? jt : jf
1005 BPF_JMP+BPF_JGE+BPF_X   pc += (A >= X) ? jt : jf
1006 BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_X   pc += (A == X) ? jt : jf
1007 BPF_JMP+BPF_JSET+BPF_X  pc += (A & X) ? jt : jf
1008 .Ed
1009 .It Dv BPF_RET
1010 The return instructions terminate the filter program and specify the amount
1011 of packet to accept (i.e., they return the truncation amount).
1012 A return value of zero indicates that the packet should be ignored.
1013 The return value is either a constant
1014 .Pq Dv BPF_K
1015 or the accumulator
1016 .Pq Dv BPF_A .
1017 .Bd -literal
1018 BPF_RET+BPF_A           accept A bytes
1019 BPF_RET+BPF_K           accept k bytes
1020 .Ed
1021 .It Dv BPF_MISC
1022 The miscellaneous category was created for anything that does not
1023 fit into the above classes, and for any new instructions that might need to
1024 be added.
1025 Currently, these are the register transfer instructions
1026 that copy the index register to the accumulator or vice versa.
1027 .Bd -literal
1028 BPF_MISC+BPF_TAX        X <- A
1029 BPF_MISC+BPF_TXA        A <- X
1030 .Ed
1031 .El
1032 .Pp
1033 The
1034 .Nm
1035 interface provides the following macros to facilitate
1036 array initializers:
1037 .Fn BPF_STMT opcode operand
1038 and
1039 .Fn BPF_JUMP opcode operand true_offset false_offset .
1040 .Sh SYSCTL VARIABLES
1041 A set of
1042 .Xr sysctl 8
1043 variables controls the behaviour of the
1044 .Nm
1045 subsystem
1046 .Bl -tag -width indent
1047 .It Va net.bpf.optimize_writers : No 0
1048 Various programs use BPF to send (but not receive) raw packets
1049 (cdpd, lldpd, dhcpd, dhcp relays, etc. are good examples of such programs).
1050 They do not need incoming packets to be send to them.
1051 Turning this option on
1052 makes new BPF users to be attached to write-only interface list until program
1053 explicitly specifies read filter via
1054 .Fn pcap_set_filter .
1055 This removes any performance degradation for high-speed interfaces.
1056 .It Va net.bpf.stats :
1057 Binary interface for retrieving general statistics.
1058 .It Va net.bpf.zerocopy_enable : No 0
1059 Permits zero-copy to be used with net BPF readers.
1060 Use with caution.
1061 .It Va net.bpf.maxinsns : No 512
1062 Maximum number of instructions that BPF program can contain.
1063 Use
1064 .Xr tcpdump 1
1065 .Fl d
1066 option to determine approximate number of instruction for any filter.
1067 .It Va net.bpf.maxbufsize : No 524288
1068 Maximum buffer size to allocate for packets buffer.
1069 .It Va net.bpf.bufsize : No 4096
1070 Default buffer size to allocate for packets buffer.
1071 .El
1072 .Sh EXAMPLES
1073 The following filter is taken from the Reverse ARP Daemon.
1074 It accepts only Reverse ARP requests.
1075 .Bd -literal
1076 struct bpf_insn insns[] = {
1077         BPF_STMT(BPF_LD+BPF_H+BPF_ABS, 12),
1078         BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, ETHERTYPE_REVARP, 0, 3),
1079         BPF_STMT(BPF_LD+BPF_H+BPF_ABS, 20),
1080         BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, REVARP_REQUEST, 0, 1),
1081         BPF_STMT(BPF_RET+BPF_K, sizeof(struct ether_arp) +
1082                  sizeof(struct ether_header)),
1083         BPF_STMT(BPF_RET+BPF_K, 0),
1084 };
1085 .Ed
1086 .Pp
1087 This filter accepts only IP packets between host 128.3.112.15 and
1088 128.3.112.35.
1089 .Bd -literal
1090 struct bpf_insn insns[] = {
1091         BPF_STMT(BPF_LD+BPF_H+BPF_ABS, 12),
1092         BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, ETHERTYPE_IP, 0, 8),
1093         BPF_STMT(BPF_LD+BPF_W+BPF_ABS, 26),
1094         BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, 0x8003700f, 0, 2),
1095         BPF_STMT(BPF_LD+BPF_W+BPF_ABS, 30),
1096         BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, 0x80037023, 3, 4),
1097         BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, 0x80037023, 0, 3),
1098         BPF_STMT(BPF_LD+BPF_W+BPF_ABS, 30),
1099         BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, 0x8003700f, 0, 1),
1100         BPF_STMT(BPF_RET+BPF_K, (u_int)-1),
1101         BPF_STMT(BPF_RET+BPF_K, 0),
1102 };
1103 .Ed
1104 .Pp
1105 Finally, this filter returns only TCP finger packets.
1106 We must parse the IP header to reach the TCP header.
1107 The
1108 .Dv BPF_JSET
1109 instruction
1110 checks that the IP fragment offset is 0 so we are sure
1111 that we have a TCP header.
1112 .Bd -literal
1113 struct bpf_insn insns[] = {
1114         BPF_STMT(BPF_LD+BPF_H+BPF_ABS, 12),
1115         BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, ETHERTYPE_IP, 0, 10),
1116         BPF_STMT(BPF_LD+BPF_B+BPF_ABS, 23),
1117         BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, IPPROTO_TCP, 0, 8),
1118         BPF_STMT(BPF_LD+BPF_H+BPF_ABS, 20),
1119         BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JSET+BPF_K, 0x1fff, 6, 0),
1120         BPF_STMT(BPF_LDX+BPF_B+BPF_MSH, 14),
1121         BPF_STMT(BPF_LD+BPF_H+BPF_IND, 14),
1122         BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, 79, 2, 0),
1123         BPF_STMT(BPF_LD+BPF_H+BPF_IND, 16),
1124         BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, 79, 0, 1),
1125         BPF_STMT(BPF_RET+BPF_K, (u_int)-1),
1126         BPF_STMT(BPF_RET+BPF_K, 0),
1127 };
1128 .Ed
1129 .Sh SEE ALSO
1130 .Xr tcpdump 1 ,
1131 .Xr ioctl 2 ,
1132 .Xr kqueue 2 ,
1133 .Xr poll 2 ,
1134 .Xr select 2 ,
1135 .Xr ng_bpf 4 ,
1136 .Xr bpf 9
1137 .Rs
1138 .%A McCanne, S.
1139 .%A Jacobson V.
1140 .%T "An efficient, extensible, and portable network monitor"
1141 .Re
1142 .Sh HISTORY
1143 The Enet packet filter was created in 1980 by Mike Accetta and
1144 Rick Rashid at Carnegie-Mellon University.
1145 Jeffrey Mogul, at
1146 Stanford, ported the code to
1147 .Bx
1148 and continued its development from
1149 1983 on.
1150 Since then, it has evolved into the Ultrix Packet Filter at
1151 .Tn DEC ,
1152 a
1153 .Tn STREAMS
1154 .Tn NIT
1155 module under
1156 .Tn SunOS 4.1 ,
1157 and
1158 .Tn BPF .
1159 .Sh AUTHORS
1160 .An -nosplit
1161 .An Steven McCanne ,
1162 of Lawrence Berkeley Laboratory, implemented BPF in
1163 Summer 1990.
1164 Much of the design is due to
1165 .An Van Jacobson .
1166 .Pp
1167 Support for zero-copy buffers was added by
1168 .An Robert N. M. Watson
1169 under contract to Seccuris Inc.
1170 .Sh BUGS
1171 The read buffer must be of a fixed size (returned by the
1172 .Dv BIOCGBLEN
1173 ioctl).
1174 .Pp
1175 A file that does not request promiscuous mode may receive promiscuously
1176 received packets as a side effect of another file requesting this
1177 mode on the same hardware interface.
1178 This could be fixed in the kernel with additional processing overhead.
1179 However, we favor the model where
1180 all files must assume that the interface is promiscuous, and if
1181 so desired, must utilize a filter to reject foreign packets.
1182 .Pp
1183 The
1184 .Dv SEESENT ,
1185 .Dv DIRECTION ,
1186 and
1187 .Dv FEEDBACK
1188 settings have been observed to work incorrectly on some interface
1189 types, including those with hardware loopback rather than software loopback,
1190 and point-to-point interfaces.
1191 They appear to function correctly on a
1192 broad range of Ethernet-style interfaces.