]> git.proxmox.com Git - mirror_ubuntu-kernels.git/commitdiff
inet: Add IP_LOCAL_PORT_RANGE socket option
authorJakub Sitnicki <jakub@cloudflare.com>
Tue, 24 Jan 2023 13:36:43 +0000 (14:36 +0100)
committerJakub Kicinski <kuba@kernel.org>
Thu, 26 Jan 2023 06:45:00 +0000 (22:45 -0800)
Users who want to share a single public IP address for outgoing connections
between several hosts traditionally reach for SNAT. However, SNAT requires
state keeping on the node(s) performing the NAT.

A stateless alternative exists, where a single IP address used for egress
can be shared between several hosts by partitioning the available ephemeral
port range. In such a setup:

1. Each host gets assigned a disjoint range of ephemeral ports.
2. Applications open connections from the host-assigned port range.
3. Return traffic gets routed to the host based on both, the destination IP
   and the destination port.

An application which wants to open an outgoing connection (connect) from a
given port range today can choose between two solutions:

1. Manually pick the source port by bind()'ing to it before connect()'ing
   the socket.

   This approach has a couple of downsides:

   a) Search for a free port has to be implemented in the user-space. If
      the chosen 4-tuple happens to be busy, the application needs to retry
      from a different local port number.

      Detecting if 4-tuple is busy can be either easy (TCP) or hard
      (UDP). In TCP case, the application simply has to check if connect()
      returned an error (EADDRNOTAVAIL). That is assuming that the local
      port sharing was enabled (REUSEADDR) by all the sockets.

        # Assume desired local port range is 60_000-60_511
        s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
        s.setsockopt(SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, 1)
        s.bind(("192.0.2.1", 60_000))
        s.connect(("1.1.1.1", 53))
        # Fails only if 192.0.2.1:60000 -> 1.1.1.1:53 is busy
        # Application must retry with another local port

      In case of UDP, the network stack allows binding more than one socket
      to the same 4-tuple, when local port sharing is enabled
      (REUSEADDR). Hence detecting the conflict is much harder and involves
      querying sock_diag and toggling the REUSEADDR flag [1].

   b) For TCP, bind()-ing to a port within the ephemeral port range means
      that no connecting sockets, that is those which leave it to the
      network stack to find a free local port at connect() time, can use
      the this port.

      IOW, the bind hash bucket tb->fastreuse will be 0 or 1, and the port
      will be skipped during the free port search at connect() time.

2. Isolate the app in a dedicated netns and use the use the per-netns
   ip_local_port_range sysctl to adjust the ephemeral port range bounds.

   The per-netns setting affects all sockets, so this approach can be used
   only if:

   - there is just one egress IP address, or
   - the desired egress port range is the same for all egress IP addresses
     used by the application.

   For TCP, this approach avoids the downsides of (1). Free port search and
   4-tuple conflict detection is done by the network stack:

     system("sysctl -w net.ipv4.ip_local_port_range='60000 60511'")

     s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
     s.setsockopt(SOL_IP, IP_BIND_ADDRESS_NO_PORT, 1)
     s.bind(("192.0.2.1", 0))
     s.connect(("1.1.1.1", 53))
     # Fails if all 4-tuples 192.0.2.1:60000-60511 -> 1.1.1.1:53 are busy

  For UDP this approach has limited applicability. Setting the
  IP_BIND_ADDRESS_NO_PORT socket option does not result in local source
  port being shared with other connected UDP sockets.

  Hence relying on the network stack to find a free source port, limits the
  number of outgoing UDP flows from a single IP address down to the number
  of available ephemeral ports.

To put it another way, partitioning the ephemeral port range between hosts
using the existing Linux networking API is cumbersome.

To address this use case, add a new socket option at the SOL_IP level,
named IP_LOCAL_PORT_RANGE. The new option can be used to clamp down the
ephemeral port range for each socket individually.

The option can be used only to narrow down the per-netns local port
range. If the per-socket range lies outside of the per-netns range, the
latter takes precedence.

UAPI-wise, the low and high range bounds are passed to the kernel as a pair
of u16 values in host byte order packed into a u32. This avoids pointer
passing.

  PORT_LO = 40_000
  PORT_HI = 40_511

  s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
  v = struct.pack("I", PORT_HI << 16 | PORT_LO)
  s.setsockopt(SOL_IP, IP_LOCAL_PORT_RANGE, v)
  s.bind(("127.0.0.1", 0))
  s.getsockname()
  # Local address between ("127.0.0.1", 40_000) and ("127.0.0.1", 40_511),
  # if there is a free port. EADDRINUSE otherwise.

[1] https://github.com/cloudflare/cloudflare-blog/blob/232b432c1d57/2022-02-connectx/connectx.py#L116

Reviewed-by: Marek Majkowski <marek@cloudflare.com>
Reviewed-by: Kuniyuki Iwashima <kuniyu@amazon.com>
Signed-off-by: Jakub Sitnicki <jakub@cloudflare.com>
Reviewed-by: Eric Dumazet <edumazet@google.com>
Signed-off-by: Jakub Kicinski <kuba@kernel.org>
include/net/inet_sock.h
include/net/ip.h
include/uapi/linux/in.h
net/ipv4/inet_connection_sock.c
net/ipv4/inet_hashtables.c
net/ipv4/ip_sockglue.c
net/ipv4/udp.c
net/sctp/socket.c

index bf5654ce711ef0f43e7f98ad6bda2d50b173dbae..51857117ac0995cee20c1e62752c470d2a473fa8 100644 (file)
@@ -249,6 +249,10 @@ struct inet_sock {
        __be32                  mc_addr;
        struct ip_mc_socklist __rcu     *mc_list;
        struct inet_cork_full   cork;
+       struct {
+               __u16 lo;
+               __u16 hi;
+       }                       local_port_range;
 };
 
 #define IPCORK_OPT     1       /* ip-options has been held in ipcork.opt */
index 144bdfbb25afe0869edf1cfc436d957428685319..c3fffaa92d6e034be07c7b2624e06e42207ea44b 100644 (file)
@@ -340,7 +340,8 @@ static inline u64 snmp_fold_field64(void __percpu *mib, int offt, size_t syncp_o
        } \
 }
 
-void inet_get_local_port_range(struct net *net, int *low, int *high);
+void inet_get_local_port_range(const struct net *net, int *low, int *high);
+void inet_sk_get_local_port_range(const struct sock *sk, int *low, int *high);
 
 #ifdef CONFIG_SYSCTL
 static inline bool inet_is_local_reserved_port(struct net *net, unsigned short port)
index 07a4cb149305be99b1b661887abf5e37c2affc9a..4b7f2df66b995ba82203b468d73b7bbc2a7dbc47 100644 (file)
@@ -162,6 +162,7 @@ struct in_addr {
 #define MCAST_MSFILTER                 48
 #define IP_MULTICAST_ALL               49
 #define IP_UNICAST_IF                  50
+#define IP_LOCAL_PORT_RANGE            51
 
 #define MCAST_EXCLUDE  0
 #define MCAST_INCLUDE  1
index d1f837579398302f2b3729163c36b12b34e523e0..6ed7e65de49461332c80eb4ab589cae7b52f9a55 100644 (file)
@@ -117,7 +117,7 @@ bool inet_rcv_saddr_any(const struct sock *sk)
        return !sk->sk_rcv_saddr;
 }
 
-void inet_get_local_port_range(struct net *net, int *low, int *high)
+void inet_get_local_port_range(const struct net *net, int *low, int *high)
 {
        unsigned int seq;
 
@@ -130,6 +130,27 @@ void inet_get_local_port_range(struct net *net, int *low, int *high)
 }
 EXPORT_SYMBOL(inet_get_local_port_range);
 
+void inet_sk_get_local_port_range(const struct sock *sk, int *low, int *high)
+{
+       const struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
+       const struct net *net = sock_net(sk);
+       int lo, hi, sk_lo, sk_hi;
+
+       inet_get_local_port_range(net, &lo, &hi);
+
+       sk_lo = inet->local_port_range.lo;
+       sk_hi = inet->local_port_range.hi;
+
+       if (unlikely(lo <= sk_lo && sk_lo <= hi))
+               lo = sk_lo;
+       if (unlikely(lo <= sk_hi && sk_hi <= hi))
+               hi = sk_hi;
+
+       *low = lo;
+       *high = hi;
+}
+EXPORT_SYMBOL(inet_sk_get_local_port_range);
+
 static bool inet_use_bhash2_on_bind(const struct sock *sk)
 {
 #if IS_ENABLED(CONFIG_IPV6)
@@ -316,7 +337,7 @@ inet_csk_find_open_port(const struct sock *sk, struct inet_bind_bucket **tb_ret,
 ports_exhausted:
        attempt_half = (sk->sk_reuse == SK_CAN_REUSE) ? 1 : 0;
 other_half_scan:
-       inet_get_local_port_range(net, &low, &high);
+       inet_sk_get_local_port_range(sk, &low, &high);
        high++; /* [32768, 60999] -> [32768, 61000[ */
        if (high - low < 4)
                attempt_half = 0;
index 7a13dd7f546b6512de600dc57a9bc31fce6a295c..e41fdc38ce196fa3ba7c8ed5e6a0aa20c7e30362 100644 (file)
@@ -1016,7 +1016,7 @@ int __inet_hash_connect(struct inet_timewait_death_row *death_row,
 
        l3mdev = inet_sk_bound_l3mdev(sk);
 
-       inet_get_local_port_range(net, &low, &high);
+       inet_sk_get_local_port_range(sk, &low, &high);
        high++; /* [32768, 60999] -> [32768, 61000[ */
        remaining = high - low;
        if (likely(remaining > 1))
index 9f92ae35bb01eab59b7e3fbcf274306c966f4c3f..b511ff0adc0aa2f3eb6eac105f050fc1d46acb5c 100644 (file)
@@ -923,6 +923,7 @@ int do_ip_setsockopt(struct sock *sk, int level, int optname,
        case IP_CHECKSUM:
        case IP_RECVFRAGSIZE:
        case IP_RECVERR_RFC4884:
+       case IP_LOCAL_PORT_RANGE:
                if (optlen >= sizeof(int)) {
                        if (copy_from_sockptr(&val, optval, sizeof(val)))
                                return -EFAULT;
@@ -1365,6 +1366,20 @@ int do_ip_setsockopt(struct sock *sk, int level, int optname,
                WRITE_ONCE(inet->min_ttl, val);
                break;
 
+       case IP_LOCAL_PORT_RANGE:
+       {
+               const __u16 lo = val;
+               const __u16 hi = val >> 16;
+
+               if (optlen != sizeof(__u32))
+                       goto e_inval;
+               if (lo != 0 && hi != 0 && lo > hi)
+                       goto e_inval;
+
+               inet->local_port_range.lo = lo;
+               inet->local_port_range.hi = hi;
+               break;
+       }
        default:
                err = -ENOPROTOOPT;
                break;
@@ -1743,6 +1758,9 @@ int do_ip_getsockopt(struct sock *sk, int level, int optname,
        case IP_MINTTL:
                val = inet->min_ttl;
                break;
+       case IP_LOCAL_PORT_RANGE:
+               val = inet->local_port_range.hi << 16 | inet->local_port_range.lo;
+               break;
        default:
                sockopt_release_sock(sk);
                return -ENOPROTOOPT;
index 9592fe3e444a94dc862aae08ee5e59fc78b5ad2b..c605d171eb2d9878060cf24b651211765d4764a8 100644 (file)
@@ -248,7 +248,7 @@ int udp_lib_get_port(struct sock *sk, unsigned short snum,
                int low, high, remaining;
                unsigned int rand;
 
-               inet_get_local_port_range(net, &low, &high);
+               inet_sk_get_local_port_range(sk, &low, &high);
                remaining = (high - low) + 1;
 
                rand = get_random_u32();
index a98511b676cd56d7f72431b06b3670c343e1b21e..b91616f819def9e7e067c3e82d26d36a2d34c17e 100644 (file)
@@ -8322,7 +8322,7 @@ static int sctp_get_port_local(struct sock *sk, union sctp_addr *addr)
                int low, high, remaining, index;
                unsigned int rover;
 
-               inet_get_local_port_range(net, &low, &high);
+               inet_sk_get_local_port_range(sk, &low, &high);
                remaining = (high - low) + 1;
                rover = get_random_u32_below(remaining) + low;