More complete handling of constant field length expressions.
[ocaml-bitstring.git] / bitmatch.mli
index 476e9a6..90f6acc 100644 (file)
  * License along with this library; if not, write to the Free Software
  * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  *
- * $Id: bitmatch.mli,v 1.9 2008-04-02 11:06:31 rjones Exp $
+ * $Id: bitmatch.mli,v 1.20 2008-05-08 21:28:28 rjones Exp $
  *)
 
 (**
+   {{:#reference}Jump straight to the reference section for
+   documentation on types and functions}.
+
    {2 Introduction}
 
    Bitmatch adds Erlang-style bitstrings and matching over bitstrings
    as a syntax extension and library for OCaml.  You can use
-   this module to both parse and generate binary formats.
+   this module to both parse and generate binary formats, for
+   example, communications protocols, disk formats and binary files.
+
+   {{:http://code.google.com/p/bitmatch/}OCaml bitmatch website}
 
    {2 Examples}
 
@@ -49,13 +55,13 @@ let display pkt =
    |                    Options                    |    Padding    |
    +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   *)
-  | 4 : 4; hdrlen : 4; tos : 8;   length : 16;
-    identification : 16;          flags : 3; fragoffset : 13;
-    ttl : 8; protocol : 8;        checksum : 16;
-    source : 32;
-    dest : 32;
-    options : (hdrlen-5)*32 : bitstring;
-    payload : -1 : bitstring ->
+  | 4 : 4; hdrlen : 4; tos : 8;   length : 16;
+      identification : 16;          flags : 3; fragoffset : 13;
+      ttl : 8; protocol : 8;        checksum : 16;
+      source : 32;
+      dest : 32;
+      options : (hdrlen-5)*32 : bitstring;
+      payload : -1 : bitstring } ->
 
     printf "IPv4:\n";
     printf "  header length: %d * 32 bit words\n" hdrlen;
@@ -73,11 +79,11 @@ let display pkt =
     printf "  packet payload:\n";
     Bitmatch.hexdump_bitstring stdout payload
 
-  | version : 4 ->
+  | { version : 4 } ->
     eprintf "unknown IP version %d\n" version;
     exit 1
 
-  | _ as pkt ->
+  | { _ } as pkt ->
     eprintf "data is smaller than one nibble:\n";
     Bitmatch.hexdump_bitstring stderr pkt;
     exit 1
@@ -91,22 +97,22 @@ let bits = Bitmatch.bitstring_of_file "tests/ext3_sb"
 
 let () =
   bitmatch bits with
-  | s_inodes_count : 32 : littleendian;       (* Inodes count *)
-    s_blocks_count : 32 : littleendian;       (* Blocks count *)
-    s_r_blocks_count : 32 : littleendian;     (* Reserved blocks count *)
-    s_free_blocks_count : 32 : littleendian;  (* Free blocks count *)
-    s_free_inodes_count : 32 : littleendian;  (* Free inodes count *)
-    s_first_data_block : 32 : littleendian;   (* First Data Block *)
-    s_log_block_size : 32 : littleendian;     (* Block size *)
-    s_log_frag_size : 32 : littleendian;      (* Fragment size *)
-    s_blocks_per_group : 32 : littleendian;   (* # Blocks per group *)
-    s_frags_per_group : 32 : littleendian;    (* # Fragments per group *)
-    s_inodes_per_group : 32 : littleendian;   (* # Inodes per group *)
-    s_mtime : 32 : littleendian;              (* Mount time *)
-    s_wtime : 32 : littleendian;              (* Write time *)
-    s_mnt_count : 16 : littleendian;          (* Mount count *)
-    s_max_mnt_count : 16 : littleendian;      (* Maximal mount count *)
-    0xef53 : 16 : littleendian ->             (* Magic signature *)
+  | s_inodes_count : 32 : littleendian;       (* Inodes count *)
+      s_blocks_count : 32 : littleendian;       (* Blocks count *)
+      s_r_blocks_count : 32 : littleendian;     (* Reserved blocks count *)
+      s_free_blocks_count : 32 : littleendian;  (* Free blocks count *)
+      s_free_inodes_count : 32 : littleendian;  (* Free inodes count *)
+      s_first_data_block : 32 : littleendian;   (* First Data Block *)
+      s_log_block_size : 32 : littleendian;     (* Block size *)
+      s_log_frag_size : 32 : littleendian;      (* Fragment size *)
+      s_blocks_per_group : 32 : littleendian;   (* # Blocks per group *)
+      s_frags_per_group : 32 : littleendian;    (* # Fragments per group *)
+      s_inodes_per_group : 32 : littleendian;   (* # Inodes per group *)
+      s_mtime : 32 : littleendian;              (* Mount time *)
+      s_wtime : 32 : littleendian;              (* Write time *)
+      s_mnt_count : 16 : littleendian;          (* Mount count *)
+      s_max_mnt_count : 16 : littleendian;      (* Maximal mount count *)
+      0xef53 : 16 : littleendian } ->           (* Magic signature *)
 
     printf "ext3 superblock:\n";
     printf "  s_inodes_count = %ld\n" s_inodes_count;
@@ -114,7 +120,7 @@ let () =
     printf "  s_free_inodes_count = %ld\n" s_free_inodes_count;
     printf "  s_free_blocks_count = %ld\n" s_free_blocks_count
 
-  | _ ->
+  | { _ } ->
     eprintf "not an ext3 superblock!\n%!";
     exit 2
 ]}
@@ -133,10 +139,11 @@ let () =
 *)
 
 let make_message typ subtype param =
-  (BITSTRING
+  (BITSTRING {
      typ : 16;
      subtype : 16;
-     param : 32) ;;
+     param : 32
+   }) ;;
 ]}
 
    {2 Loading, creating bitstrings}
@@ -156,7 +163,7 @@ let make_message typ subtype param =
    {!bitstring_of_chan}.
 
    There are also functions to create bitstrings from arbitrary data.
-   See the reference below.
+   See the {{:#reference}reference} below.
 
    {2 Matching bitstrings with patterns}
 
@@ -166,11 +173,11 @@ let make_message typ subtype param =
 
    The general form of [bitmatch] is:
 
-   [bitmatch] {i bitstring-expression} [with]
+   [bitmatch {] {i bitstring-expression} [} with]
 
-   [|] {i pattern} [->] {i code}
+   [| {] {i pattern} [} ->] {i code}
 
-   [|] {i pattern} [->] {i code}
+   [| {] {i pattern} [} ->] {i code}
 
    [|] ...
 
@@ -179,7 +186,7 @@ let make_message typ subtype param =
    match then the standard library [Match_failure] exception is
    thrown.
 
-   Patterns look a bit different from normal match patterns.  The
+   Patterns look a bit different from normal match patterns.  They
    consist of a list of bitfields separated by [;] where each bitfield
    contains a bind variable, the width (in bits) of the field, and
    other information.  Some example patterns:
@@ -187,25 +194,25 @@ let make_message typ subtype param =
 {[
 bitmatch bits with
 
-| version : 8; name : 8; param : 8 -> ...
+| { version : 8; name : 8; param : 8 } -> ...
 
    (* Bitstring of at least 3 bytes.  First byte is the version
       number, second byte is a field called name, third byte is
       a field called parameter. *)
 
-| flag : 1 ->
+| { flag : 1 } ->
    printf "flag is %b\n" flag
 
    (* A single flag bit (mapped into an OCaml boolean). *)
 
-| len : 4; data : 1+len ->
+| { len : 4; data : 1+len } ->
    printf "len = %d, data = 0x%Lx\n" len data
 
    (* A 4-bit length, followed by 1-16 bits of data, where the
       length of the data is computed from len. *)
 
-| ipv6_source : 128 : bitstring;
-  ipv6_dest : 128 : bitstring -> ...
+| ipv6_source : 128 : bitstring;
+    ipv6_dest : 128 : bitstring } -> ...
 
    (* IPv6 source and destination addresses.  Each is 128 bits
       and is mapped into a bitstring type which will be a substring
@@ -215,7 +222,7 @@ bitmatch bits with
    You can also add conditional when-clauses:
 
 {[
-| version : 4
+| { version : 4 }
     when version = 4 || version = 6 -> ...
 
    (* Only match and run the code when version is 4 or 6.  If
@@ -231,8 +238,8 @@ bitmatch bits with
    length is zero in the when-clause:
 
 {[
-| n : 4;
-  rest : -1 : bitstring
+| n : 4;
+    rest : -1 : bitstring }
     when Bitmatch.bitstring_length rest = 0 -> ...
 
    (* Only matches exactly 4 bits. *)
@@ -242,12 +249,22 @@ bitmatch bits with
    but you can also match a constant, as in:
 
 {[
-| 6 : 4 -> ...
+| { (4|6) : 4 } -> ...
+
+   (* Only matches if the first 4 bits contain either
+      the integer 4 or the integer 6. *)
+]}
+
+   One may also match on strings:
+
+{[
+| { "MAGIC" : 5*8 : string } -> ...
 
-   (* Only matches if the first 4 bits contain the integer 6. *)
+   (* Only matches if the string "MAGIC" appears at the start
+      of the input. *)
 ]}
 
-   {3 Pattern field reference}
+   {3:patternfieldreference Pattern field reference}
 
    The exact format of each pattern field is:
 
@@ -259,7 +276,7 @@ bitmatch bits with
    expression and can use any values defined in the program, and refer
    back to earlier fields (but not to later fields).
 
-   Integers can only have lengths in the range [1..64] bits.  See the
+   Integers can only have lengths in the range \[1..64\] bits.  See the
    {{:#integertypes}integer types} section below for how these are
    mapped to the OCaml int/int32/int64 types.  This is checked
    at compile time if the length expression is constant, otherwise it is
@@ -277,6 +294,7 @@ bitmatch bits with
    signedness and endianness of the field.  Permissible qualifiers are:
 
    - [int] (field has an integer type)
+   - [string] (field is a string type)
    - [bitstring] (field is a bitstring type)
    - [signed] (field is signed)
    - [unsigned] (field is unsigned)
@@ -296,11 +314,11 @@ bitmatch bits with
    bitstring and/or have a default match case:
 
 {[
-| _ -> ...
+| { _ } -> ...
 
    (* Default match case. *)
 
-| _ as pkt -> ...
+| { _ } as pkt -> ...
 
    (* Default match case, with 'pkt' bound to the whole bitstring. *)
 ]}
@@ -315,9 +333,10 @@ bitmatch bits with
 let version = 1 ;;
 let data = 10 ;;
 let bits =
-  BITSTRING
+  BITSTRING {
     version : 4;
-    data : 12 ;;
+    data : 12
+  } ;;
 
    (* Constructs a 16-bit bitstring with the first four bits containing
       the integer 1, and the following 12 bits containing the integer 10,
@@ -331,34 +350,179 @@ Bitmatch.hexdump_bitstring stdout bits ;;
     *)
 ]}
 
-   
+   The format of each field is the same as for pattern fields (see
+   {{:#patternfieldreference}Pattern field reference section}), and
+   things like computed length fields, fixed value fields, insertion
+   of bitstrings within bitstrings, etc. are all supported.
+
+   {3 Construction exception}
 
+   The [BITSTRING] operator may throw a {!Construct_failure}
+   exception at runtime.
+
+   Runtime errors include:
+
+   - int field length not in the range \[1..64\]
+   - a bitstring with a length declared which doesn't have the
+     same length at runtime
+   - trying to insert an out of range value into an int field
+     (eg. an unsigned int field which is 2 bits wide can only
+     take values in the range \[0..3\]).
 
    {2:integertypes Integer types}
 
+   Integer types are mapped to OCaml types [bool], [int], [int32] or
+   [int64] using a system which tries to ensure that (a) the types are
+   reasonably predictable and (b) the most efficient type is
+   preferred.
+
+   The rules are slightly different depending on whether the bit
+   length expression in the field is a compile-time constant or a
+   computed expression.
+
+   Detection of compile-time constants is quite simplistic so only an
+   simple integer literals and simple expressions (eg. [5*8]) are
+   recognized as constants.
 
+   In any case the bit size of an integer is limited to the range
+   \[1..64\].  This is detected as a compile-time error if that is
+   possible, otherwise a runtime check is added which can throw an
+   [Invalid_argument] exception.
 
+   The mapping is thus:
 
+   {v
+   Bit size        ---- OCaml type ----
+                Constant       Computed expression
 
+   1           bool            int64
+   2..31       int             int64
+   32          int32           int64
+   33..64      int64           int64
+   v}
+
+   A possible future extension may allow people with 64 bit computers
+   to specify a more optimal [int] type for bit sizes in the range
+   [32..63].  If this was implemented then such code {i could not even
+   be compiled} on 32 bit platforms, so it would limit portability.
+
+   Another future extension may be to allow computed
+   expressions to assert min/max range for the bit size,
+   allowing a more efficient data type than int64 to be
+   used.  (Of course under such circumstances there would
+   still need to be a runtime check to enforce the
+   size).
 
    {2 Compiling}
 
+   Using the compiler directly you can do:
+
+   {v
+   ocamlc -I +bitmatch \
+     -pp "camlp4o `ocamlc -where`/bitmatch/pa_bitmatch.cmo" \
+     bitmatch.cma test.ml -o test
+   v}
 
+   Simpler method using findlib:
 
+   {v
+   ocamlfind ocamlc \
+     -package bitmatch.syntax -syntax bitmatch.syntax \
+     -linkpkg test.ml -o test
+   v}
 
+   {2 Security and type safety}
 
-   {2 Safety and security considerations}
+   {3 Security on input}
 
+   The main concerns for input are buffer overflows and denial
+   of service.
 
+   It is believed that this library is robust against attempted buffer
+   overflows.  In addition to OCaml's normal bounds checks, we check
+   that field lengths are >= 0, and many additional checks.
 
+   Denial of service attacks are more problematic.  We only work
+   forwards through the bitstring, thus computation will eventually
+   terminate.  As for computed lengths, code such as this is thought
+   to be secure:
+
+   {[
+   bitmatch bits with
+   | { len : 64;
+       buffer : Int64.to_int len : bitstring } ->
+   ]}
+
+   The [len] field can be set arbitrarily large by an attacker, but
+   when pattern-matching against the [buffer] field this merely causes
+   a test such as [if len <= remaining_size] to fail.  Even if the
+   length is chosen so that [buffer] bitstring is allocated, the
+   allocation of sub-bitstrings is efficient and doesn't involve an
+   arbitary-sized allocation or any copying.
+
+   However the above does not necessarily apply to strings used in
+   matching, since they may cause the library to use the
+   {!Bitmatch.string_of_bitstring} function, which allocates a string.
+   So you should take care if you use the [string] type particularly
+   with a computed length that is derived from external input.
+
+   The main protection against attackers should be to ensure that the
+   main program will only read input bitstrings up to a certain
+   length, which is outside the scope of this library.
+
+   {3 Security on output}
+
+   As with the input side, computed lengths are believed to be
+   safe.  For example:
+
+   {[
+   let len = read_untrusted_source () in
+   let buffer = allocate_bitstring () in
+   BITSTRING {
+   buffer : len : bitstring
+   }
+   ]}
+
+   This code merely causes a check that buffer's length is the same as
+   [len].  However the program function [allocate_bitstring] must
+   refuse to allocate an oversized buffer (but that is outside the
+   scope of this library).
+
+   {3 Order of evaluation}
+
+   In [bitmatch] statements, fields are evaluated left to right.
+
+   Note that the when-clause is evaluated {i last}, so if you are
+   relying on the when-clause to filter cases then your code may do a
+   lot of extra and unncessary pattern-matching work on fields which
+   may never be needed just to evaluate the when-clause.  You can
+   usually rearrange the code to do only the first part of the match,
+   followed by the when-clause, followed by a second inner bitmatch.
+
+   {3 Safety}
+
+   The current implementation is believed to be fully type-safe,
+   and makes compile and run-time checks where appropriate.  If
+   you find a case where a check is missing please submit a
+   bug report or a patch.
 
    {2 Limits}
 
+   These are thought to be the current limits:
+
+   Integers: \[1..64\] bits.
 
+   Bitstrings (32 bit platforms): maximum length is limited
+   by the string size, ie. 16 MBytes.
 
+   Bitstrings (64 bit platforms): maximum length is thought to be
+   limited by the string size, ie. effectively unlimited.
 
+   Bitstrings must be loaded into memory before we can match against
+   them.  Thus available memory may be considered a limit for some
+   applications.
 
-   {2 Reference}
+   {2:reference Reference}
    {3 Types}
 *)
 
@@ -368,13 +532,15 @@ type bitstring = string * int * int
     The type contains the underlying data (a string),
     the current bit offset within the string and the
     current bit length of the string (counting from the
-    bit offset).  Note that the offsets are bits, not bytes.
+    bit offset).  Note that the offset and length are
+    in {b bits}, not bytes.
 
     Normally you don't need to use the bitstring type
     directly, since there are functions and syntax
     extensions which hide the details.
-    See {!bitstring_of_file}, {!hexdump_bitstring},
-    {!bitstring_length}.
+
+    See also {!bitstring_of_string}, {!bitstring_of_file},
+    {!hexdump_bitstring}, {!bitstring_length}.
 *)
 
 (** {3 Exceptions} *)
@@ -411,27 +577,67 @@ val make_bitstring : int -> char -> bitstring
 
     Note that the length is in bits, not bytes. *)
 
+val bitstring_of_string : string -> bitstring
+(** [bitstring_of_string str] creates a bitstring
+    of length [String.length str * 8] (bits) containing the
+    bits in [str].
+
+    Note that the bitstring uses [str] as the underlying
+    string (see the representation of {!bitstring}) so you
+    should not change [str] after calling this. *)
+
+val bitstring_of_file : string -> bitstring
+(** [bitstring_of_file filename] loads the named file
+    into a bitstring. *)
+
 val bitstring_of_chan : in_channel -> bitstring
 (** [bitstring_of_chan chan] loads the contents of
     the input channel [chan] as a bitstring.
 
     The length of the final bitstring is determined
     by the remaining input in [chan], but will always
-    be a multiple of 8 bits. *)
+    be a multiple of 8 bits.
 
-val bitstring_of_file : string -> bitstring
-(** [bitstring_of_file filename] loads the named file
-    into a bitstring. *)
+    See also {!bitstring_of_chan_max}. *)
 
-val hexdump_bitstring : out_channel -> bitstring -> unit
-(** [hexdump_bitstring chan bitstring] prints the bitstring
-    to the output channel in a format similar to the
-    Unix command [hexdump -C]. *)
+val bitstring_of_chan_max : in_channel -> int -> bitstring
+(** [bitstring_of_chan_max chan max] works like
+    {!bitstring_of_chan} but will only read up to
+    [max] bytes from the channel (or fewer if the end of input
+    occurs before that). *)
+
+val bitstring_of_file_descr : Unix.file_descr -> bitstring
+(** [bitstring_of_file_descr fd] loads the contents of
+    the file descriptor [fd] as a bitstring.
+
+    See also {!bitstring_of_chan}, {!bitstring_of_file_descr_max}. *)
+
+val bitstring_of_file_descr_max : Unix.file_descr -> int -> bitstring
+(** [bitstring_of_file_descr_max fd max] works like
+    {!bitstring_of_file_descr} but will only read up to
+    [max] bytes from the channel (or fewer if the end of input
+    occurs before that). *)
 
 val bitstring_length : bitstring -> int
 (** [bitstring_length bitstring] returns the length of
     the bitstring in bits. *)
 
+val string_of_bitstring : bitstring -> string
+(** [string_of_bitstring bitstring] converts a bitstring to a string
+    (eg. to allow comparison).
+
+    This function is inefficient.  In the best case when the bitstring
+    is nicely byte-aligned we do a [String.sub] operation.  If the
+    bitstring isn't aligned then this involves a lot of bit twiddling
+    and is particularly inefficient. *)
+
+(** {3 Printing bitstrings} *)
+
+val hexdump_bitstring : out_channel -> bitstring -> unit
+(** [hexdump_bitstring chan bitstring] prints the bitstring
+    to the output channel in a format similar to the
+    Unix command [hexdump -C]. *)
+
 (** {3 Bitstring buffer} *)
 
 module Buffer : sig
@@ -478,10 +684,16 @@ val extract_int32_le_unsigned : string -> int -> int -> int -> int32 * int * int
 
 val extract_int64_be_unsigned : string -> int -> int -> int -> int64 * int * int
 
-val construct_bit : Buffer.t -> bool -> int -> unit
+val extract_int64_le_unsigned : string -> int -> int -> int -> int64 * int * int
+
+val construct_bit : Buffer.t -> bool -> int -> exn -> unit
 
 val construct_char_unsigned : Buffer.t -> int -> int -> exn -> unit
 
 val construct_int_be_unsigned : Buffer.t -> int -> int -> exn -> unit
 
+val construct_int32_be_unsigned : Buffer.t -> int32 -> int -> exn -> unit
+
 val construct_int64_be_unsigned : Buffer.t -> int64 -> int -> exn -> unit
+
+val construct_string : Buffer.t -> string -> unit