Linux 从网卡到TCP IP协议栈数据流跟踪与审计
前沿
在学代码审计,然后最近做Linux协议栈的审计,发现Linux不愧是一个久经考验的系统,本来以为可以找到个DoS的,结果发现其在TCP/IP协议栈的链路层实现,利用了各种技术,用来提高性能与安全性。
工具
在跟踪数据从网卡到TCP/IP协议栈的过程中,使用4.10.0内核,利用understand查看代码,以及flawfinder来配合进行安全性的检查。以intel e1000 驱动为列。
分析
NAPI
首先,为了效率,Linux使用了NAPI机制。所谓NAPI机制,其就是当数据到来时,采用中断加轮询的方式,接受数据包。
如果Linux使用中断的方式,接受数据包的话,每次数据包的到来,就会产生中断,这样,当有大量数据包到来的话,其中断开销就比较大,如果CPU是单核,且频率较低的话,就有可能够造成DoS攻击。
如果只是使用轮询的话,那么当没有数据包到来时,会造成CPU浪费在无用功上。
所有Linux内核黑客发明了NAPI机制,中断与轮询相互结合的方式。
当数据到来时,会产生中断,设备首先会关闭自身中断,然后将该网卡设备,加入到轮询表中,然后进而触发软中断,使用轮询接受数据包,然后当该设备上没有数据时,打开该设备的中断。
其内核实现路径为:
数据到来,触发中断,调用网卡中断函数e1000_intr(/drivers/net/ethernet/intel/e1000/e1000_main.c),其会将该设备加入到轮询表中(struct softnet_data中的poll_list,其中softnet_data是每个CPU所独有的),然后触发软中断NET_RX_SOFTIRQ。软中断会进一步回调设备注册的轮询函数,e1000设备驱动是e1000_clean。然后调用e1000_clean_rx_irq轮询接受数据包。
GRO
GRO,其实就是Generic receive offload。通过在进入到Linux 内核TCP IP协议栈处理之前,将多个数据流合并成一个,减少内核协议栈处理,提高系统性能。
感觉这玩意涉及到数据包的合并,必然涉及到很多内存上面的操作,容易发生一些漏洞什么的,,但是通过结合flawfinder,加人工审计,并没有发现。也可能由于我对skb_buff结构不是很了解,它已经看到了我,我没有看到它。这块到跟进协议栈后,熟悉skb_buff结构体之后,回过来再次看一看。
其实现函数为:napi_gro_receive.就是从底层跟踪到高层协议,查看是否能合并,比如mac 地址相同,就看ip地址是否相同,。。。。
分析发现,其会将不能合并的加入到一个链表中,然后我就想,我是否可以够造恶意数据,让耗尽其内存,然后分析发现too young,too simple。其实现中,会限制链表大小,当超过限制,会强制发送到协议栈中。
RPS RFS
如果没有NAPI机制的话,就有可能耗尽多核中的一个CPU的运算量,但是RPS的出现,让其变得不可能。
RPS RFS 其全称分别是:Receive Packet Steering 与 Receive Flow Steering。顾名思义,其就是让数据处理均衡到每个CPU上。
RPS:用户通过 /sys/class/net/eth0/queues/rx-0/rps_cpus 设置参加负载均衡的CPU。当数据包到来时,会根据相关字段,如ip建立一个hash,然后用来选择一个CPU。
RFS:RFS其实是,RPS的补丁,想象一下,当用户进程等待在另一个CPU上,准备接受数据包时,但是RPS给其分配到了一个不相同的CPU上,这时,当数据包处理完后,该数据包到用户进程所在CPU进一步处理,这样会造成缓存失效,从而降低系统性能。RFS的出现就是为了解决该问题的。
内核函数:get_rps_cpu 选择一个CPU,然后enqueue_to_backlog加入到一个CPU的等待队列
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