trafgen: Added option to pass macro/define for C preprocessor
[netsniff-ng.git] / trafgen.8
blob6f5d318231e92bb913de4567c5f904f4ce3a1a8a
1 .\" netsniff-ng - the packet sniffing beast
2 .\" Copyright 2013 Daniel Borkmann.
3 .\" Subject to the GPL, version 2.
4 .TH TRAFGEN 8 "03 March 2013" "Linux" "netsniff-ng toolkit"
5 .SH NAME
6 trafgen \- a fast, multithreaded network packet generator
7 .PP
8 .SH SYNOPSIS
9 .PP
10 \fBtrafgen\fR [\fIoptions\fR] [\fIpacket\fR]
11 .PP
12 .SH DESCRIPTION
13 .PP
14 trafgen is a fast, zero-copy network traffic generator for debugging,
15 performance evaluation, and fuzz-testing. trafgen utilizes the packet(7)
16 socket interface of Linux which postpones complete control over packet data
17 and packet headers into the user space. It has a powerful packet configuration
18 language, which is rather low-level and not limited to particular protocols.
19 Thus, trafgen can be used for many purposes. Its only limitation is that it
20 cannot mimic full streams resp. sessions. However, it is very useful for
21 various kinds of load testing in order to analyze and subsequently improve
22 systems behaviour under DoS attack scenarios, for instance.
23 .PP
24 trafgen is Linux specific, meaning there is no support for other operating
25 systems, same as netsniff-ng(8), thus we can keep the code footprint quite
26 minimal and to the point. trafgen makes use of packet(7) socket's TX_RING
27 interface of the Linux kernel, which is a mmap(2)'ed ring buffer shared between
28 user and kernel space.
29 .PP
30 By default, trafgen starts as many processes as available CPUs, pins each
31 of them to their respective CPU and sets up the ring buffer each in their own
32 process space after having compiled a list of packets to transmit. Thus, this is
33 likely the fastest one can get out of the box in terms of transmission performance
34 from user space, without having to load unsupported or non-mainline third-party
35 kernel modules. On Gigabit Ethernet, trafgen has a comparable performance to
36 pktgen, the built-in Linux kernel traffic generator, except that trafgen is more
37 flexible in terms of packet configuration possibilities. On 10-Gigabit-per-second
38 Ethernet, trafgen might be slower than pktgen due to the user/kernel space
39 overhead but still has a fairly high performance for out of the box kernels.
40 .PP
41 trafgen has the potential to do fuzz testing, meaning a packet configuration can
42 be built with random numbers on all or certain packet offsets that are freshly
43 generated each time a packet is sent out. With a built-in IPv4 ping, trafgen can
44 send out an ICMP probe after each packet injection to the remote host in order
45 to test if it is still responsive/alive. Assuming there is no answer from the
46 remote host after a certain threshold of probes, the machine is considered dead
47 and the last sent packet is printed together with the random seed that was used
48 by trafgen. You might not really get lucky fuzz-testing the Linux kernel, but
49 presumably there are buggy closed-source embedded systems or network driver's
50 firmware files that are prone to bugs, where trafgen could help in finding them.
51 .PP
52 trafgen's configuration language is quite powerful, also due to the fact, that
53 it supports C preprocessor macros. A stddef.h is being shipped with trafgen for
54 this purpose, so that well known defines from Linux kernel or network programming
55 can be reused. After a configuration file has passed the C preprocessor stage,
56 it is processed by the trafgen packet compiler. The language itself supports a
57 couple of features that are useful when assembling packets, such as built-in
58 runtime checksum support for IP, UDP and TCP. Also it has an expression evaluator
59 where arithmetic (basic operations, bit operations, bit shifting, ...) on constant
60 expressions is being reduced to a single constant on compile time. Other features
61 are ''fill'' macros, where a packet can be filled with n bytes by a constant, a
62 compile-time random number or run-time random number (as mentioned with fuzz
63 testing). Also, netsniff-ng(8) is able to convert a pcap file into a trafgen
64 configuration file, thus such a configuration can then be further tweaked for a
65 given scenario.
66 .PP
67 .SH OPTIONS
68 .PP
69 .SS -i <cfg|->, -c <cfg|i>, --in <cfg|->, --conf <cfg|->
70 Defines the input configuration file that can either be passed as a normal plain
71 text file or via stdin (''-''). Note that currently, if a configuration is
72 passed through stdin, only 1 CPU will be used.
73 .PP
74 .SS -o <dev>, -d <dev>, --out <dev>, --dev <dev>
75 Defines the outgoing networking device such as eth0, wlan0 and others.
76 .PP
77 .SS -p, --cpp
78 Pass the packet configuration to the C preprocessor before reading it into
79 trafgen. This allows #define and #include directives (e.g. to include
80 definitions from system headers) to be used in the trafgen configuration file.
81 .PP
82 .SS -D <name>=<definition>, --define <name>=<definition>
83 Add macro definition for the C preprocessor to use it within trafgen file. This
84 option is used in combination with the -p,--cpp option.
85 .PP
86 .SS -J, --jumbo-support
87 By default trafgen's ring buffer frames are of a fixed size of 2048 bytes.
88 This means that if you're expecting jumbo frames or even super jumbo frames to
89 pass your line, then you will need to enable support for that with the help of
90 this option. However, this has the disadvantage of a performance regression and
91 a bigger memory footprint for the ring buffer.
92 .PP
93 .SS -R, --rfraw
94 In case the output networking device is a wireless device, it is possible with
95 trafgen to turn this into monitor mode and create a mon<X> device that trafgen
96 will be transmitting on instead of wlan<X>, for instance. This enables trafgen
97 to inject raw 802.11 frames.
98 .PP
99 .SS -s <ipv4>, --smoke-test <ipv4>
100 In case this option is enabled, trafgen will perform a smoke test. In other
101 words, it will probe the remote end, specified by an <ipv4> address, that is
102 being ''attacked'' with trafgen network traffic, if it is still alive and
103 responsive. That means, after each transmitted packet that has been configured,
104 trafgen sends out ICMP echo requests and waits for an answer before it continues.
105 In case the remote end stays unresponsive, trafgen assumes that the machine
106 has crashed and will print out the content of the last packet as a trafgen
107 packet configuration and the random seed that has been used in order to
108 reproduce a possible bug. This might be useful when testing proprietary embedded
109 devices. It is recommended to have a direct link between the host running
110 trafgen and the host being attacked by trafgen.
112 .SS -n <0|uint>, --num <0|uint>
113 Process a number of packets and then exit. If the number of packets is 0, then
114 this is equivalent to infinite packets resp. processing until interrupted.
115 Otherwise, a number given as an unsigned integer will limit processing.
117 .SS -r, --rand
118 Randomize the packet selection of the configuration file. By default, if more
119 than one packet is defined in a packet configuration, packets are scheduled for
120 transmission in a round robin fashion. With this option, they are selected
121 randomly instread.
123 .SS -P <uint>, --cpus <uint>
124 Specify the number of processes trafgen shall fork(2) off. By default trafgen
125 will start as many processes as CPUs that are online and pin them to each,
126 respectively. Allowed value must be within interval [1,CPUs].
128 .SS -t <time>, --gap <time>
129 Specify a static inter-packet timegap in seconds, milliseconds, microseconds,
130 or nanoseconds: ''<num>s/ms/us/ns''. If no postfix is given default to
131 microseconds. If this option is given, then instead of packet(7)'s TX_RING
132 interface, trafgen will use sendto(2) I/O for network packets, even if the
133 <time> argument is 0. This option is useful for a couple of reasons: i)
134 comparison between sendto(2) and TX_RING performance, ii) low-traffic packet
135 probing for a given interval, iii) ping-like debugging with specific payload
136 patterns. Furthermore, the TX_RING interface does not cope with interpacket
137 gaps.
139 .SS -S <size>, --ring-size <size>
140 Manually define the TX_RING resp. TX_RING size in ''<num>KiB/MiB/GiB''. On
141 default the size is being determined based on the network connectivity rate.
143 .SS -E <uint>, --seed <uint>
144 Manually set the seed for pseudo random number generator (PRNG) in trafgen. By
145 default, a random seed from /dev/urandom is used to feed glibc's PRNG. If that
146 fails, it falls back to the unix timestamp. It can be useful to set the seed
147 manually in order to be able to reproduce a trafgen session, e.g. after fuzz
148 testing.
150 .SS -u <uid>, --user <uid> resp. -g <gid>, --group <gid>
151 After ring setup, drop privileges to a non-root user/group combination.
153 .SS -H, --prio-high
154 Set this process as a high priority process in order to achieve a higher
155 scheduling rate resp. CPU time. This is however not the default setting, since
156 it could lead to starvation of other processes, for example low priority kernel
157 threads.
159 .SS -A, --no-sock-mem
160 Do not change systems default socket memory setting during testrun.
161 Default is to boost socket buffer memory during the test to:
163    /proc/sys/net/core/rmem_default:4194304
164    /proc/sys/net/core/wmem_default:4194304
165    /proc/sys/net/core/rmem_max:104857600
166    /proc/sys/net/core/wmem_max:104857600
168 .SS -Q, --notouch-irq
169 Do not reassign the NIC's IRQ CPU affinity settings.
171 .SS -q, --qdisc-path
172 Since Linux 3.14, the kernel supports a socket option PACKET_QDISC_BYPASS,
173 which trafgen enables by default.  This options disables the qdisc bypass,
174 and uses the normal send path through the kernel's qdisc (traffic control)
175 layer, which can be usefully for testing the qdisc path.
177 .SS -V, --verbose
178 Let trafgen be more talkative and let it print the parsed configuration and
179 some ring buffer statistics.
181 .SS -e, --example
182 Show a built-in packet configuration example. This might be a good starting
183 point for an initial packet configuration scenario.
185 .SS -C, --no-cpu-stats
186 Do not print CPU time statistics on exit.
188 .SS -v, --version
189 Show version information and exit.
191 .SS -h, --help
192 Show user help and exit.
194 .SH SYNTAX
196 trafgen's packet configuration syntax is fairly simple. The very basic things
197 one needs to know is that a configuration file is a simple plain text file
198 where packets are defined. It can contain one or more packets. Packets are
199 enclosed by opening '{' and closing '}' braces, for example:
201    { /* packet 1 content goes here ... */ }
202    { /* packet 2 content goes here ... */ }
204 Alternatively, packets can also be specified directly on the command line, using
205 the same syntax as used in the configuration files.
207 When trafgen is started using multiple CPUs (default), then each of those packets
208 will be scheduled for transmission on all CPUs by default. However, it is possible
209 to tell trafgen to schedule a packet only on a particular CPU:
211    cpu(1): { /* packet 1 content goes here ... */ }
212    cpu(2-3): { /* packet 2 content goes here ... */ }
214 Thus, in case we have a 4 core machine with CPU0-CPU3, packet 1 will be scheduled
215 only on CPU1, packet 2 on CPU2 and CPU3. When using trafgen with \-\-num option,
216 then these constraints will still be valid and the packet is fairly distributed
217 among those CPUs.
219 Packet content is delimited either by a comma or whitespace, or both:
221    { 0xca, 0xfe, 0xba 0xbe }
223 Packet content can be of the following:
225    hex bytes:   0xca, xff
226    decimal:     42
227    binary:      0b11110000, b11110000
228    octal:       011
229    character:   'a'
230    string:      "hello world"
231    shellcode:   "\\x31\\xdb\\x8d\\x43\\x17\\x99\\xcd\\x80\\x31\\xc9"
233 Thus, a quite useless packet packet configuration might look like this (one can
234 verify this when running this with trafgen in combination with \-V):
236    { 0xca, 42, 0b11110000, 011, 'a', "hello world",
237      "\\x31\\xdb\\x8d\\x43\\x17\\x99\\xcd\\x80\\x31\\xc9" }
239 There are a couple of helper functions in trafgen's language to make life easier
240 to write configurations:
242 i) Fill with garbage functions:
244    byte fill function:      fill(<content>, <times>): fill(0xca, 128)
245    compile-time random:     rnd(<times>): rnd(128), rnd()
246    runtime random numbers:  drnd(<times>): drnd(128), drnd()
247    compile-time counter:    seqinc(<start-val>, <increment>, <times>)
248                             seqdec(<start-val>, <decrement>, <times>)
249    runtime counter (1byte): dinc(<min-val>, <max-val>, <increment>)
250                             ddec(<min-val>, <max-val>, <decrement>)
252 ii) Checksum helper functions (packet offsets start with 0):
254    IP/ICMP checksum:        csumip/csumicmp(<off-from>, <off-to>)
255    UDP checksum:            csumudp(<off-iphdr>, <off-udpdr>)
256    TCP checksum:            csumtcp(<off-iphdr>, <off-tcphdr>)
257    UDP checksum (IPv6):     csumudp6(<off-ip6hdr>, <off-udpdr>)
258    TCP checksum (IPv6):     csumtcp6(<off-ip6hdr>, <off-tcphdr>)
260 iii) Multibyte functions, compile-time expression evaluation:
262    const8(<content>), c8(<content>), const16(<content>), c16(<content>),
263    const32(<content>), c32(<content>), const64(<content>), c64(<content>)
265    These functions write their result in network byte order into the packet
266 configuration, e.g. const16(0xaa) will result in ''00 aa''. Within c*()
267 functions, it is possible to do some arithmetics: -,+,*,/,%,&,|,<<,>>,^
268 E.g. const16((((1<<8)+0x32)|0b110)*2) will be evaluated to ''02 6c''.
270 Furthermore, there are two types of comments in trafgen configuration files:
272   1. Multi-line C-style comments:        /* put comment here */
273   2. Single-line Shell-style comments:   #  put comment here
275 Next to all of this, a configuration can be passed through the C preprocessor
276 before the trafgen compiler gets to see it with option \-\-cpp. To give you a
277 taste of a more advanced example, run ''trafgen \-e'', fields are commented:
279    /* Note: dynamic elements make trafgen slower! */
280    #include <stddef.h>
282    {
283      /* MAC Destination */
284      fill(0xff, ETH_ALEN),
285      /* MAC Source */
286      0x00, 0x02, 0xb3, drnd(3),
287      /* IPv4 Protocol */
288      c16(ETH_P_IP),
289      /* IPv4 Version, IHL, TOS */
290      0b01000101, 0,
291      /* IPv4 Total Len */
292      c16(59),
293      /* IPv4 Ident */
294      drnd(2),
295      /* IPv4 Flags, Frag Off */
296      0b01000000, 0,
297      /* IPv4 TTL */
298      64,
299      /* Proto TCP */
300      0x06,
301      /* IPv4 Checksum (IP header from, to) */
302      csumip(14, 33),
303      /* Source IP */
304      drnd(4),
305      /* Dest IP */
306      drnd(4),
307      /* TCP Source Port */
308      drnd(2),
309      /* TCP Dest Port */
310      c16(80),
311      /* TCP Sequence Number */
312      drnd(4),
313      /* TCP Ackn. Number */
314      c32(0),
315      /* TCP Header length + TCP SYN/ECN Flag */
316      c16((8 << 12) | TCP_FLAG_SYN | TCP_FLAG_ECE)
317      /* Window Size */
318      c16(16),
319      /* TCP Checksum (offset IP, offset TCP) */
320      csumtcp(14, 34),
321      /* TCP Options */
322      0x00, 0x00, 0x01, 0x01, 0x08, 0x0a, 0x06,
323      0x91, 0x68, 0x7d, 0x06, 0x91, 0x68, 0x6f,
324      /* Data blob */
325      "gotcha!",
326    }
328 Another real-world example by Jesper Dangaard Brouer [1]:
330    {
331      # --- ethernet header ---
332      0x00, 0x1b, 0x21, 0x3c, 0x9d, 0xf8,  # mac destination
333      0x90, 0xe2, 0xba, 0x0a, 0x56, 0xb4,  # mac source
334      const16(0x0800), # protocol
335      # --- ip header ---
336      # ipv4 version (4-bit) + ihl (4-bit), tos
337      0b01000101, 0,
338      # ipv4 total len
339      const16(40),
340      # id (note: runtime dynamic random)
341      drnd(2),
342      # ipv4 3-bit flags + 13-bit fragment offset
343      # 001 = more fragments
344      0b00100000, 0,
345      64, # ttl
346      17, # proto udp
347      # dynamic ip checksum (note: offsets are zero indexed)
348      csumip(14, 33),
349      192, 168, 51, 1, # source ip
350      192, 168, 51, 2, # dest ip
351      # --- udp header ---
352      # as this is a fragment the below stuff does not matter too much
353      const16(48054), # src port
354      const16(43514), # dst port
355      const16(20),    # udp length
356      # udp checksum can be dyn calc via csumudp(offset ip, offset tcp)
357      # which is csumudp(14, 34), but for udp its allowed to be zero
358      const16(0),
359      # payload
360      'A',  fill(0x41, 11),
361    }
363    [1] http://thread.gmane.org/gmane.linux.network/257155
365 .SH USAGE EXAMPLE
367 .SS trafgen --dev eth0 --conf trafgen.cfg
368 This is the most simple and, probably, the most common use of trafgen. It
369 will generate traffic defined in the configuration file ''trafgen.cfg'' and
370 transmit this via the ''eth0'' networking device. All online CPUs are used.
372 .SS trafgen -e | trafgen -i - -o lo --cpp -n 1
373 This is an example where we send one packet of the built-in example through
374 the loopback device. The example configuration is passed via stdin and also
375 through the C preprocessor before trafgen's packet compiler will see it.
377 .SS trafgen --dev eth0 --conf fuzzing.cfg --smoke-test 10.0.0.1
378 Read the ''fuzzing.cfg'' packet configuration file (which contains drnd()
379 calls) and send out the generated packets to the ''eth0'' device. After each
380 sent packet, ping probe the attacked host with address 10.0.0.1 to check if
381 it's still alive. This also means, that we utilize 1 CPU only, and do not
382 use the TX_RING, but sendto(2) packet I/O due to ''slow mode''.
384 .SS trafgen --dev wlan0 --rfraw --conf beacon-test.txf -V --cpus 2
385 As an output device ''wlan0'' is used and put into monitoring mode, thus we
386 are going to transmit raw 802.11 frames through the air. Use the
387  ''beacon-test.txf'' configuration file, set trafgen into verbose mode and
388 use only 2 CPUs.
390 .SS trafgen --dev em1 --conf frag_dos.cfg --rand --gap 1000us
391 Use trafgen in sendto(2) mode instead of TX_RING mode and sleep after each
392 sent packet a static timegap for 1000us. Generate packets from ''frag_dos.cfg''
393 and select next packets to send randomly instead of a round-robin fashion.
394 The output device for packets is ''em1''.
396 .SS trafgen --dev eth0 --conf icmp.cfg --rand --num 1400000 -k1000
397 Send only 1400000 packets using the ''icmp.cfg'' configuration file and then
398 exit trafgen. Select packets randomly from that file for transmission and
399 send them out via ''eth0''. Also, trigger the kernel every 1000us for batching
400 the ring frames from user space (default is 10us).
402 .SS trafgen --dev eth0 --conf tcp_syn.cfg -u `id -u bob` -g `id -g bob`
403 Send out packets generated from the configuration file ''tcp_syn.cfg'' via
404 the ''eth0'' networking device. After setting up the ring for transmission,
405 drop credentials to the non-root user/group bob/bob.
407 .SS trafgen --dev eth0 '{ fill(0xff, 6), 0x00, 0x02, 0xb3, rnd(3), c16(0x0800), fill(0xca, 64) }' -n 1
408 Send out 1 invaid IPv4 packet built from command line to all hosts.
410 .SH NOTE
412 trafgen can saturate a Gigabit Ethernet link without problems. As always,
413 of course, this depends on your hardware as well. Not everywhere where it
414 says Gigabit Ethernet on the box, will you reach almost physical line rate!
415 Please also read the netsniff-ng(8) man page, section NOTE for further
416 details about tuning your system e.g. with tuned(8).
418 If you intend to use trafgen on a 10-Gbit/s Ethernet NIC, make sure you
419 are using a multiqueue tc(8) discipline, and make sure that the packets
420 you generate with trafgen will have a good distribution among tx_hashes
421 so that you'll actually make use of multiqueues.
423 For introducing bit errors, delays with random variation and more, there
424 is no built-in option in trafgen. Rather, one should reuse existing methods
425 for that which integrate nicely with trafgen, such as tc(8) with its
426 different disciplines, i.e. netem.
428 For more complex packet configurations, it is recommended to use high-level
429 scripting for generating trafgen packet configurations in a more automated
430 way, i.e. also to create different traffic distributions that are common for
431 industrial benchmarking:
433     Traffic model              Distribution
435     IMIX                       64:7,  570:4,  1518:1
436     Tolly                      64:55,  78:5,   576:17, 1518:23
437     Cisco                      64:7,  594:4,  1518:1
438     RPR Trimodal               64:60, 512:20, 1518:20
439     RPR Quadrimodal            64:50, 512:15, 1518:15, 9218:20
441 The low-level nature of trafgen makes trafgen rather protocol independent
442 and therefore useful in many scenarios when stress testing is needed, for
443 instance. However, if a traffic generator with higher level packet
444 descriptions is desired, netsniff-ng's mausezahn(8) can be of good use as
445 well.
447 For smoke/fuzz testing with trafgen, it is recommended to have a direct
448 link between the host you want to analyze (''victim'' machine) and the host
449 you run trafgen on (''attacker'' machine). If the ICMP reply from the victim
450 fails, we assume that probably its kernel crashed, thus we print the last
451 sent packet together with the seed and quit probing. It might be very unlikely
452 to find such a ping-of-death on modern Linux systems. However, there might
453 be a good chance to find it on some proprietary (e.g. embedded) systems or
454 buggy driver firmwares that are in the wild. Also, fuzz testing can be done
455 on raw 802.11 frames, of course. In case you find a ping-of-death, please
456 mention that you were using trafgen in your commit message of the fix!
458 .SH BUGS
459 For old trafgen versions only, there could occur kernel crashes: we have fixed
460 this bug in the mainline and stable kernels under commit 7f5c3e3a8 (''af_packet:
461 remove BUG statement in tpacket_destruct_skb'') and also in trafgen.
463 Probably the best is if you upgrade trafgen to the latest version.
465 .SH LEGAL
466 trafgen is licensed under the GNU GPL version 2.0.
468 .SH HISTORY
469 .B trafgen
470 was originally written for the netsniff-ng toolkit by Daniel Borkmann. It
471 is currently maintained by Tobias Klauser <tklauser@distanz.ch> and Daniel
472 Borkmann <dborkma@tik.ee.ethz.ch>.
474 .SH SEE ALSO
475 .BR netsniff-ng (8),
476 .BR mausezahn (8),
477 .BR ifpps (8),
478 .BR bpfc (8),
479 .BR flowtop (8),
480 .BR astraceroute (8),
481 .BR curvetun (8)
483 .SH AUTHOR
484 Manpage was written by Daniel Borkmann.
486 .SH COLOPHON
487 This page is part of the Linux netsniff-ng toolkit project. A description of the project,
488 and information about reporting bugs, can be found at http://netsniff-ng.org/.