Use patterns, not expressions, in the bitmatch operator.
[ocaml-bitstring.git] / bitmatch.mli
1 (** Bitmatch library. *)
2 (* Copyright (C) 2008 Red Hat Inc., Richard W.M. Jones
3  *
4  * This library is free software; you can redistribute it and/or
5  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
6  * License as published by the Free Software Foundation; either
7  * version 2 of the License, or (at your option) any later version.
8  *
9  * This library is distributed in the hope that it will be useful,
10  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
11  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
12  * Lesser General Public License for more details.
13  *
14  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
15  * License along with this library; if not, write to the Free Software
16  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
17  *
18  * $Id: bitmatch.mli,v 1.15 2008-04-25 12:08:51 rjones Exp $
19  *)
20
21 (**
22    {{:#reference}Jump straight to the reference section for
23    documentation on types and functions}.
24
25    {2 Introduction}
26
27    Bitmatch adds Erlang-style bitstrings and matching over bitstrings
28    as a syntax extension and library for OCaml.  You can use
29    this module to both parse and generate binary formats, for
30    example, communications protocols, disk formats and binary files.
31
32    {{:http://et.redhat.com/~rjones/bitmatch/}OCaml bitmatch website}
33
34    {2 Examples}
35
36    A function which can parse IPv4 packets:
37
38 {[
39 let display pkt =
40   bitmatch pkt with
41   (* IPv4 packet header
42     0                   1                   2                   3   
43     0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 
44    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
45    |   4   |  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
46    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
47    |         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
48    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
49    |  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
50    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
51    |                       Source Address                          |
52    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
53    |                    Destination Address                        |
54    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
55    |                    Options                    |    Padding    |
56    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
57   *)
58   | { 4 : 4; hdrlen : 4; tos : 8;   length : 16;
59       identification : 16;          flags : 3; fragoffset : 13;
60       ttl : 8; protocol : 8;        checksum : 16;
61       source : 32;
62       dest : 32;
63       options : (hdrlen-5)*32 : bitstring;
64       payload : -1 : bitstring } ->
65
66     printf "IPv4:\n";
67     printf "  header length: %d * 32 bit words\n" hdrlen;
68     printf "  type of service: %d\n" tos;
69     printf "  packet length: %d bytes\n" length;
70     printf "  identification: %d\n" identification;
71     printf "  flags: %d\n" flags;
72     printf "  fragment offset: %d\n" fragoffset;
73     printf "  ttl: %d\n" ttl;
74     printf "  protocol: %d\n" protocol;
75     printf "  checksum: %d\n" checksum;
76     printf "  source: %lx  dest: %lx\n" source dest;
77     printf "  header options + padding:\n";
78     Bitmatch.hexdump_bitstring stdout options;
79     printf "  packet payload:\n";
80     Bitmatch.hexdump_bitstring stdout payload
81
82   | { version : 4 } ->
83     eprintf "unknown IP version %d\n" version;
84     exit 1
85
86   | { _ } as pkt ->
87     eprintf "data is smaller than one nibble:\n";
88     Bitmatch.hexdump_bitstring stderr pkt;
89     exit 1
90 ]}
91
92    A program which can parse
93    {{:http://lxr.linux.no/linux/include/linux/ext3_fs.h}Linux EXT3 filesystem superblocks}:
94
95 {[
96 let bits = Bitmatch.bitstring_of_file "tests/ext3_sb"
97
98 let () =
99   bitmatch bits with
100   | { s_inodes_count : 32 : littleendian;       (* Inodes count *)
101       s_blocks_count : 32 : littleendian;       (* Blocks count *)
102       s_r_blocks_count : 32 : littleendian;     (* Reserved blocks count *)
103       s_free_blocks_count : 32 : littleendian;  (* Free blocks count *)
104       s_free_inodes_count : 32 : littleendian;  (* Free inodes count *)
105       s_first_data_block : 32 : littleendian;   (* First Data Block *)
106       s_log_block_size : 32 : littleendian;     (* Block size *)
107       s_log_frag_size : 32 : littleendian;      (* Fragment size *)
108       s_blocks_per_group : 32 : littleendian;   (* # Blocks per group *)
109       s_frags_per_group : 32 : littleendian;    (* # Fragments per group *)
110       s_inodes_per_group : 32 : littleendian;   (* # Inodes per group *)
111       s_mtime : 32 : littleendian;              (* Mount time *)
112       s_wtime : 32 : littleendian;              (* Write time *)
113       s_mnt_count : 16 : littleendian;          (* Mount count *)
114       s_max_mnt_count : 16 : littleendian;      (* Maximal mount count *)
115       0xef53 : 16 : littleendian } ->           (* Magic signature *)
116
117     printf "ext3 superblock:\n";
118     printf "  s_inodes_count = %ld\n" s_inodes_count;
119     printf "  s_blocks_count = %ld\n" s_blocks_count;
120     printf "  s_free_inodes_count = %ld\n" s_free_inodes_count;
121     printf "  s_free_blocks_count = %ld\n" s_free_blocks_count
122
123   | { _ } ->
124     eprintf "not an ext3 superblock!\n%!";
125     exit 2
126 ]}
127
128    Constructing packets for a simple binary message
129    protocol:
130
131 {[
132 (*
133   +---------------+---------------+--------------------------+
134   | type          | subtype       | parameter                |
135   +---------------+---------------+--------------------------+
136    <-- 16 bits --> <-- 16 bits --> <------- 32 bits -------->
137
138   All fields are in network byte order.
139 *)
140
141 let make_message typ subtype param =
142   (BITSTRING {
143      typ : 16;
144      subtype : 16;
145      param : 32
146    }) ;;
147 ]}
148
149    {2 Loading, creating bitstrings}
150
151    The basic data type is the {!bitstring}, a string of bits of
152    arbitrary length.  Bitstrings can be any length in bits and
153    operations do not need to be byte-aligned (although they will
154    generally be more efficient if they are byte-aligned).
155
156    Internally a bitstring is stored as a normal OCaml [string]
157    together with an offset and length, where the offset and length are
158    measured in bits.  Thus one can efficiently form substrings of
159    bitstrings, overlay a bitstring on existing data, and load and save
160    bitstrings from files or other external sources.
161
162    To load a bitstring from a file use {!bitstring_of_file} or
163    {!bitstring_of_chan}.
164
165    There are also functions to create bitstrings from arbitrary data.
166    See the {{:#reference}reference} below.
167
168    {2 Matching bitstrings with patterns}
169
170    Use the [bitmatch] operator (part of the syntax extension) to break
171    apart a bitstring into its fields.  [bitmatch] works a lot like the
172    OCaml [match] operator.
173
174    The general form of [bitmatch] is:
175
176    [bitmatch {] {i bitstring-expression} [} with]
177
178    [| {] {i pattern} [} ->] {i code}
179
180    [| {] {i pattern} [} ->] {i code}
181
182    [|] ...
183
184    As with normal match, the statement attempts to match the
185    bitstring against each pattern in turn.  If none of the patterns
186    match then the standard library [Match_failure] exception is
187    thrown.
188
189    Patterns look a bit different from normal match patterns.  The
190    consist of a list of bitfields separated by [;] where each bitfield
191    contains a bind variable, the width (in bits) of the field, and
192    other information.  Some example patterns:
193
194 {[
195 bitmatch bits with
196
197 | { version : 8; name : 8; param : 8 } -> ...
198
199    (* Bitstring of at least 3 bytes.  First byte is the version
200       number, second byte is a field called name, third byte is
201       a field called parameter. *)
202
203 | { flag : 1 } ->
204    printf "flag is %b\n" flag
205
206    (* A single flag bit (mapped into an OCaml boolean). *)
207
208 | { len : 4; data : 1+len } ->
209    printf "len = %d, data = 0x%Lx\n" len data
210
211    (* A 4-bit length, followed by 1-16 bits of data, where the
212       length of the data is computed from len. *)
213
214 | { ipv6_source : 128 : bitstring;
215     ipv6_dest : 128 : bitstring } -> ...
216
217    (* IPv6 source and destination addresses.  Each is 128 bits
218       and is mapped into a bitstring type which will be a substring
219       of the main bitstring expression. *)
220 ]}
221
222    You can also add conditional when-clauses:
223
224 {[
225 | { version : 4 }
226     when version = 4 || version = 6 -> ...
227
228    (* Only match and run the code when version is 4 or 6.  If
229       it isn't we will drop through to the next case. *)
230 ]}
231
232    Note that the pattern is only compared against the first part of
233    the bitstring (there may be more data in the bitstring following
234    the pattern, which is not matched).  In terms of regular
235    expressions you might say that the pattern matches [^pattern], not
236    [^pattern$].  To ensure that the bitstring contains only the
237    pattern, add a length -1 bitstring to the end and test that its
238    length is zero in the when-clause:
239
240 {[
241 | { n : 4;
242     rest : -1 : bitstring }
243     when Bitmatch.bitstring_length rest = 0 -> ...
244
245    (* Only matches exactly 4 bits. *)
246 ]}
247
248    Normally the first part of each field is a binding variable,
249    but you can also match a constant, as in:
250
251 {[
252 | { (4|6) : 4 } -> ...
253
254    (* Only matches if the first 4 bits contain either
255       the integer 4 or the integer 6. *)
256 ]}
257
258    {3:patternfieldreference Pattern field reference}
259
260    The exact format of each pattern field is:
261
262    [pattern : length [: qualifier [,qualifier ...]]]
263
264    [pattern] is the pattern, binding variable name, or constant to
265    match.  [length] is the length in bits which may be either a
266    constant or an expression.  The length expression is just an OCaml
267    expression and can use any values defined in the program, and refer
268    back to earlier fields (but not to later fields).
269
270    Integers can only have lengths in the range \[1..64\] bits.  See the
271    {{:#integertypes}integer types} section below for how these are
272    mapped to the OCaml int/int32/int64 types.  This is checked
273    at compile time if the length expression is constant, otherwise it is
274    checked at runtime and you will get a runtime exception eg. in
275    the case of a computed length expression.
276
277    A bitstring field of length -1 matches all the rest of the
278    bitstring (thus this is only useful as the last field in a
279    pattern).
280
281    A bitstring field of length 0 matches an empty bitstring
282    (occasionally useful when matching optional subfields).
283
284    Qualifiers are a list of identifiers which control the type,
285    signedness and endianness of the field.  Permissible qualifiers are:
286
287    - [int] (field has an integer type)
288    - [bitstring] (field is a bitstring type)
289    - [signed] (field is signed)
290    - [unsigned] (field is unsigned)
291    - [bigendian] (field is big endian - a.k.a network byte order)
292    - [littleendian] (field is little endian - a.k.a Intel byte order)
293    - [nativeendian] (field is same endianness as the machine)
294
295    The default settings are [int], [unsigned], [bigendian].
296
297    Note that many of these qualifiers cannot be used together,
298    eg. bitstrings do not have endianness.  The syntax extension should
299    give you a compile-time error if you use incompatible qualifiers.
300
301    {3 Other cases in bitmatch}
302
303    As well as a list of fields, it is possible to name the
304    bitstring and/or have a default match case:
305
306 {[
307 | { _ } -> ...
308
309    (* Default match case. *)
310
311 | { _ } as pkt -> ...
312
313    (* Default match case, with 'pkt' bound to the whole bitstring. *)
314 ]}
315
316    {2 Constructing bitstrings}
317
318    Bitstrings may be constructed using the [BITSTRING] operator (as an
319    expression).  The [BITSTRING] operator takes a list of fields,
320    similar to the list of fields for matching:
321
322 {[
323 let version = 1 ;;
324 let data = 10 ;;
325 let bits =
326   BITSTRING {
327     version : 4;
328     data : 12
329   } ;;
330
331    (* Constructs a 16-bit bitstring with the first four bits containing
332       the integer 1, and the following 12 bits containing the integer 10,
333       arranged in network byte order. *)
334
335 Bitmatch.hexdump_bitstring stdout bits ;;
336
337    (* Prints:
338
339       00000000  10 0a         |..              |
340     *)
341 ]}
342
343    The format of each field is the same as for pattern fields (see
344    {{:#patternfieldreference}Pattern field reference section}), and
345    things like computed length fields, fixed value fields, insertion
346    of bitstrings within bitstrings, etc. are all supported.
347
348    {3 Construction exception}
349
350    The [BITSTRING] operator may throw a {!Construct_failure}
351    exception at runtime.
352
353    Runtime errors include:
354
355    - int field length not in the range \[1..64\]
356    - a bitstring with a length declared which doesn't have the
357      same length at runtime
358    - trying to insert an out of range value into an int field
359      (eg. an unsigned int field which is 2 bits wide can only
360      take values in the range \[0..3\]).
361
362    {2:integertypes Integer types}
363
364    Integer types are mapped to OCaml types [bool], [int], [int32] or
365    [int64] using a system which tries to ensure that (a) the types are
366    reasonably predictable and (b) the most efficient type is
367    preferred.
368
369    The rules are slightly different depending on whether the bit
370    length expression in the field is a compile-time constant or a
371    computed expression.
372
373    Detection of compile-time constants is quite simplistic so only an
374    immediate, simple integer is recognised as a constant and anything
375    else is considered a computed expression, even expressions such as
376    [5-2] which are obviously (to our eyes) constant.
377
378    In any case the bit size of an integer is limited to the range
379    \[1..64\].  This is detected as a compile-time error if that is
380    possible, otherwise a runtime check is added which can throw an
381    [Invalid_argument] exception.
382
383    The mapping is thus:
384
385    {v
386    Bit size         ---- OCaml type ----
387                 Constant        Computed expression
388
389    1            bool            int64
390    2..31        int             int64
391    32           int32           int64
392    33..64       int64           int64
393    v}
394
395    A possible future extension may allow people with 64 bit computers
396    to specify a more optimal [int] type for bit sizes in the range
397    [32..63].  If this was implemented then such code {i could not even
398    be compiled} on 32 bit platforms, so it would limit portability.
399
400    Another future extension may be to allow computed
401    expressions to assert min/max range for the bit size,
402    allowing a more efficient data type than int64 to be
403    used.  (Of course under such circumstances there would
404    still need to be a runtime check to enforce the
405    size).
406
407    {2 Compiling}
408
409    Using the compiler directly you can do:
410
411    {v
412    ocamlc -I +bitmatch \
413      -pp "camlp4o `ocamlc -where`/bitmatch/pa_bitmatch.cmo" \
414      bitmatch.cma test.ml -o test
415    v}
416
417    Simpler method using findlib:
418
419    {v
420    ocamlfind ocamlc \
421      -package bitmatch.syntax -syntax bitmatch.syntax \
422      -linkpkg test.ml -o test
423    v}
424
425    {2 Security and type safety}
426
427    {3 Security on input}
428
429    The main concerns for input are buffer overflows and denial
430    of service.
431
432    It is believed that this library is robust against attempted buffer
433    overflows.  In addition to OCaml's normal bounds checks, we check
434    that field lengths are >= 0, and many additional checks.
435
436    Denial of service attacks are more problematic although we still
437    believe that the library is robust.  We only work forwards through
438    the bitstring, thus computation will eventually terminate.  As for
439    computed lengths, code such as this is thought to be secure:
440
441 {[
442 bitmatch bits with
443 | { len : 64;
444     buffer : Int64.to_int len : bitstring } ->
445 ]}
446
447    The [len] field can be set arbitrarily large by an attacker, but
448    when pattern-matching against the [buffer] field this merely causes
449    a test such as [if len <= remaining_size] to fail.  Even if the
450    length is chosen so that [buffer] bitstring is allocated, the
451    allocation of sub-bitstrings is efficient and doesn't involve an
452    arbitary-sized allocation or any copying.
453
454    The main protection against attackers should therefore be to ensure
455    that the main program will only read input bitstrings up to a
456    certain length, which is outside the scope of this library.
457
458    {3 Security on output}
459
460    As with the input side, computed lengths are believed to be
461    safe.  For example:
462
463 {[
464 let len = read_untrusted_source () in
465 let buffer = allocate_bitstring () in
466 BITSTRING {
467   buffer : len : bitstring
468 }
469 ]}
470
471    This code merely causes a check that buffer's length is the same as
472    [len].  However the program function [allocate_bitstring] must
473    refuse to allocate an oversized buffer (but that is outside the
474    scope of this library).
475
476    {3 Order of evaluation}
477
478    In [bitmatch] statements, fields are evaluated left to right.
479
480    Note that the when-clause is evaluated {i last}, so if you are
481    relying on the when-clause to filter cases then your code may do a
482    lot of extra and unncessary pattern-matching work on fields which
483    may never be needed just to evaluate the when-clause.  You can
484    usually rearrange the code to do only the first part of the match,
485    followed by the when-clause, followed by a second inner bitmatch.
486
487    {3 Safety}
488
489    The current implementation is believed to be fully type-safe,
490    and makes compile and run-time checks where appropriate.  If
491    you find a case where a check is missing please submit a
492    bug report or a patch.
493
494    {2 Limits}
495
496    These are thought to be the current limits:
497
498    Integers: \[1..64\] bits.
499
500    Bitstrings (32 bit platforms): maximum length is limited
501    by the string size, ie. 16 MBytes.
502
503    Bitstrings (64 bit platforms): maximum length is thought to be
504    limited by the string size, ie. effectively unlimited.
505
506    Bitstrings must be loaded into memory before we can match against
507    them.  Thus available memory may be considered a limit for some
508    applications.
509
510    {2:reference Reference}
511    {3 Types}
512 *)
513
514 type bitstring = string * int * int
515 (** [bitstring] is the basic type used to store bitstrings.
516
517     The type contains the underlying data (a string),
518     the current bit offset within the string and the
519     current bit length of the string (counting from the
520     bit offset).  Note that the offsets are bits, not bytes.
521
522     Normally you don't need to use the bitstring type
523     directly, since there are functions and syntax
524     extensions which hide the details.
525     See {!bitstring_of_file}, {!hexdump_bitstring},
526     {!bitstring_length}.
527 *)
528
529 (** {3 Exceptions} *)
530
531 exception Construct_failure of string * string * int * int
532 (** [Construct_failure (message, file, line, char)] may be
533     raised by the [BITSTRING] constructor.
534
535     Common reasons are that values are out of range of
536     the fields that contain them, or that computed lengths
537     are impossible (eg. negative length bitfields).
538
539     [message] is the error message.
540
541     [file], [line] and [char] point to the original source
542     location of the [BITSTRING] constructor that failed.
543 *)
544
545 (** {3 Bitstrings} *)
546
547 val empty_bitstring : bitstring
548 (** [empty_bitstring] is the empty, zero-length bitstring. *)
549
550 val create_bitstring : int -> bitstring
551 (** [create_bitstring n] creates an [n] bit bitstring
552     containing all zeroes. *)
553
554 val make_bitstring : int -> char -> bitstring
555 (** [make_bitstring n c] creates an [n] bit bitstring
556     containing the repeated 8 bit pattern in [c].
557
558     For example, [make_bitstring 16 '\x5a'] will create
559     the bitstring [0x5a5a] or in binary [0101 1010 0101 1010].
560
561     Note that the length is in bits, not bytes. *)
562
563 val bitstring_of_chan : in_channel -> bitstring
564 (** [bitstring_of_chan chan] loads the contents of
565     the input channel [chan] as a bitstring.
566
567     The length of the final bitstring is determined
568     by the remaining input in [chan], but will always
569     be a multiple of 8 bits. *)
570
571 val bitstring_of_file : string -> bitstring
572 (** [bitstring_of_file filename] loads the named file
573     into a bitstring. *)
574
575 val hexdump_bitstring : out_channel -> bitstring -> unit
576 (** [hexdump_bitstring chan bitstring] prints the bitstring
577     to the output channel in a format similar to the
578     Unix command [hexdump -C]. *)
579
580 val bitstring_length : bitstring -> int
581 (** [bitstring_length bitstring] returns the length of
582     the bitstring in bits. *)
583
584 val string_of_bitstring : bitstring -> string
585 (** [string_of_bitstring bitstring] converts a bitstring to a string
586     (eg. to allow comparison).
587
588     This function is inefficient.  In the best case when the bitstring
589     is nicely byte-aligned we do a [String.sub] operation.  If the
590     bitstring isn't aligned then this involves a lot of bit twiddling
591     and is particularly inefficient.
592
593     XXX This function wouldn't be needed so much if the [bitmatch]
594     operator allowed us to pattern-match on strings. *)
595
596 (** {3 Bitstring buffer} *)
597
598 module Buffer : sig
599   type t
600   val create : unit -> t
601   val contents : t -> bitstring
602   val add_bits : t -> string -> int -> unit
603   val add_bit : t -> bool -> unit
604   val add_byte : t -> int -> unit
605 end
606 (** Buffers are mainly used by the [BITSTRING] constructor, but
607     may also be useful for end users.  They work much like the
608     standard library [Buffer] module. *)
609
610 (** {3 Miscellaneous} *)
611
612 val debug : bool ref
613 (** Set this variable to true to enable extended debugging.
614     This only works if debugging was also enabled in the
615     [pa_bitmatch.ml] file at compile time, otherwise it
616     does nothing. *)
617
618 (**/**)
619
620 (* Private functions, called from generated code.  Do not use
621  * these directly - they are not safe.
622  *)
623
624 val extract_bitstring : string -> int -> int -> int -> bitstring * int * int
625
626 val extract_remainder : string -> int -> int -> bitstring * int * int
627
628 val extract_bit : string -> int -> int -> int -> bool * int * int
629
630 val extract_char_unsigned : string -> int -> int -> int -> int * int * int
631
632 val extract_int_be_unsigned : string -> int -> int -> int -> int * int * int
633
634 val extract_int_le_unsigned : string -> int -> int -> int -> int * int * int
635
636 val extract_int32_be_unsigned : string -> int -> int -> int -> int32 * int * int
637
638 val extract_int32_le_unsigned : string -> int -> int -> int -> int32 * int * int
639
640 val extract_int64_be_unsigned : string -> int -> int -> int -> int64 * int * int
641
642 val construct_bit : Buffer.t -> bool -> int -> unit
643
644 val construct_char_unsigned : Buffer.t -> int -> int -> exn -> unit
645
646 val construct_int_be_unsigned : Buffer.t -> int -> int -> exn -> unit
647
648 val construct_int64_be_unsigned : Buffer.t -> int64 -> int -> exn -> unit