Что нам стоит пофиксить баг, которого «нет» - 16 Апреля 2014

Итак, у нас есть задача: пофиксить баг, производитель от которого открещивается, клиенты не замечают, а жить хочется. Есть камера, поток от неё на UDP просто адово ломается, поток на TCP работает, но постоянно рвутся коннекты (и при каждом обрыве пропадает 3-5 сек видео). Виновны в проблеме все (и камера и софт), но обе стороны утверждают что у них всё зашибись, то есть ситуация обычная: ты баг видишь? нет. А он есть.

Так как софт обновляется гораздо чаще, чем камера, имеет смысл править то место, которое потом не придётся трогать. Значит, будем фиксить со стороны камеры.

Исследование плацдарма

Перво-наперво берём свежайшую прошивку (в моём случае — firmware_TS38ABFG031-ONVIF-P2P-V2.5.0.6_20140126120110.bin), и выясняем что же она такое:

$ file firmware_TS38ABFG006-ONVIF-P2P-V2.5.0.6_20140126120110.bin
firmware_TS38ABFG006-ONVIF-P2P-V2.5.0.6_20140126120110.bin: data

$ du -b firmware_TS38ABFG006-ONVIF-P2P-V2.5.0.6_20140126120110.bin
15222724 firmware_TS38ABFG006-ONVIF-P2P-V2.5.0.6_20140126120110.bin

$ xxd firmware_TS38ABFG006-ONVIF-P2P-V2.5.0.6_20140126120110.bin | head
0000000: 4649 524d 5741 5245 6481 db15 c447 e800 FIRMWAREd....G..
0000010: 0300 0000 1406 0000 b0f1 1b00 4c21 815d ............L!.]
0000020: 5453 3338 4f45 4d41 4246 475f 4c49 4e55 TS38OEMABFG_LINU
0000030: 5800 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 X...............
0000040: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................
0000050: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................
0000060: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................
0000070: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................
0000080: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................
0000090: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ................

$ binwalk firmware_TS38ABFG006-ONVIF-P2P-V2.5.0.6_20140126120110.bin
DECIMAL HEX DESCRIPTION
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
1556 0x614 uImage header, header size: 64 bytes, header CRC: 0xB21E2C9F, created: Sun Sep 22 11:07:02 2013, image size: 1831280 bytes, Data Address: 0x80008000, Entry Point: 0x80008000, data CRC: 0x1F4EFBAB, OS: Linux, CPU: ARM, image type: OS Kernel Image, compression type: none, image name: "Linux-2.6.18_pro500-davinci_IPNC"
14468 0x3884 gzip compressed data, from Unix, last modified: Sun Sep 22 11:07:02 2013, max compression
1832900 0x1BF7C4 CramFS filesystem, little endian size 13389824 version #2 sorted_dirs CRC 0xc832a8c3, edition 0, 7334 blocks, 2607 files

Итак, формат его неизвестен, стартовая метка «FIRMWARE» навевает мысли о том, что это что-то своё, наличие внутри uImage ядра и cramfs файлухи подсказывает, что по факту это что-то простое. Наличие строки TS38OEMABFG_LINUX подскзывает что это что-то даже напоминает какой-то вариант архива.

Так как нам сейчас надо просто найти где искать — просто вытаскиваем оттуда файловую систему, и ищем виновный модуль:

$ dd if=firmware_TS38ABFG006-ONVIF-P2P-V2.5.0.6_20140126120110.bin bs=1832900 skip=1 of=cramfs
7+1 записей получено
7+1 записей отправлено
 скопировано 13389824 байта (13 MB), 0,161755 c, 82,8 MB/c
$ fakeroot cramfsck -x fs cramfs
$ grep LIVE555 -R fs/
Двоичный файл fs/opt/topsee/rtsp_streamer совпадает
$ strings fs/opt/topsee/rtsp_streamer | grep TCP
sendRTPOverTCP
12RTCPInstance
sendRTPOverTCP failed, sock: %d, chn: %d
 is not a RTCP instance
RTCPInstance::RTCPInstance error: totSessionBW parameter should not be zero!
RTP/AVP/TCP
%sTransport: RTP/AVP/TCP;unicast;destination=%s;source=%s;interleaved=%d-%d
/TCP;unicast
Failed to create RTCP socket (port %d)
MediaSession::initiate(): unable to create RTP and RTCP sockets
Failed to create RTCP instance
Received RTCP "BYE" on "
18RTCPMemberDatabase

Хохохо! «sendRTPOverTCP failed, sock: %d, chn: %d» говорит нам о том, что код оттранслирован с отладочными принтами, а значит, объём работы снижен на порядки!

Итак, у нас есть модуль, содержащий искомую ошибку, модуль с кучей отладочных строк внутри, а значит процесс раздербанивания значительно упрощается.

Локализация и фикс проблемы

Грузим модуль в дизассемблер, ищем по «OverTCP» строку отладочную, от неё ищем код вызывающий распечатку => мы нашли функцию sendRTPOverTCP.
Проглядывая её бегло видим два вызова функции send() — одна с 4 байтами, одна с буфером переданным на вход. Значит, нам досталась версия не самая старая, а когда уже объеденили буфер, но еще не сделали функции sendDataOverTCP (подробности о различиях реализации — в прошлом< посте.

Теперь возникает вопрос, как можно поправить баг в бинарном виде, когда практически нет запаса по месту (пустого пространства внутри файла нет).
Идём в функцию выше, которая вызывает sendDataOverTCP — sendPacket. Её код от версии к версии не менялся, он по сути один — foreach(streams) { sendDataOverTCP(packet, stream) }.

По счастью, код был щедро напичкан отладочными fprintf'ами, и это нас спасает! Вот как этот цикл выглядит в бинарном виде:

loop_next_5FAE4:
 LDR R4, [R4,#4]
 CMP R4, #0
 BEQ loc_5FB68

loop_body_5FAF0:
 MOV R3, R4
 MOV R1, R5
 MOV R2, R7
 MOV R0, R6
 BL sendRTPOverTCP
 CMP R0, #0
 BGE loop_next_5FAE4
 MOV R1, #0
 LDR R2, =aS_10 ; "%s(): "
 LDR R3, =aSendpacket ; "sendPacket"
 MOV R0, #STDERR_FILENO
 BL fprintf_0
 LDRB R12, [R4,#0xC]
 LDR R3, [R4,#8]
 MOV R1, #7
 LDR R2, =aSendrtpovert_0 ; "sendRTPOverTCP failed, sock: %d, chn: %"...
 MOV R0, #STDERR_FILENO
 STR R12, [SP,#0x350+var_350]
 BL fprintf_0
 ......

Это фактически спасение! Просто вырезка отладочного куска даёт нам место в размере 12 инструкций (у ARM все инструкции ровно по 4 байта, и это очень хорошо).

Итак, у нас есть место в 12 инструкций, чтобы что-то сделать для улучшения ситуации. Но что? Полноценно впихнуть сюда код sendDataOverTCP из последней версии будет сильно затруднительно…
Хотя стоп. А зачем? Я, вроде, подробно описал, что даже использование корректной формы sendDataOverTCP всё равно плохо… А если не видно разницы — почему бы просто не обернуть вызов в makeSocketBlocking()..makeSocketNonBlocking()?

Действительно, если место в системном буфере есть — send() выполнится моментально. Если места нет — то и их реализация sendDataOverTCP всё равно залипнет (почему залипнет а не вывалится сразу с нулём — смотри предыдущий пост).

Отлично! Путем быстрой отмотки назад от функции fcntl находим makeSocketBlocking и makeSocketNonBlocking, после чего рисуем какой должен получиться код:

loop_next_5FAE4:
 LDR R4, [R4,#4]
 CMP R4, #0
 BEQ loc_5FB68
loop_body_5FAF0:
 ; Сперва сделаем сокет блокирующим
 LDR R0, [R4,#8]
 BL makeSocketBlocking
 ; Затем остаётся прежний вызов отправки
 MOV R3, R4
 MOV R1, R5
 MOV R2, R7
 MOV R0, R6
 BL sendRTPOverTCP
 ; Сохраним результат вызова функции
 STMFD SP!, {R0}
 ; Сделаем сокет снова неблокирующим
 LDR R0, [R4,#8]
 BL makeSocketNonBlocking
 ; Восстановим результат вызова функции отправки
 LDMFD SP!, {R0}
 ; Зацикливание остаётся как и раньше
 CMP R0, #0
 BGE loc_5FAE4
 ; Ну и занопливаем остатки отладочной распечатки
 NOP
 NOP
 NOP
 NOP
 NOP
 NOP

Для того чтобы запатчить, либо открываем документацию на арм и транслируем в уме, либо пишем код в отдельном файле и транслируем его (не забываем ORG'ами выставлять точные адреса, чтобы все переходы (BL/BGE/ИТД) пересчитаны были корректно), а я всего лишь находил подходящие инстуркции в коде и на их основе вычислял нужные опкоды (первый раз редактирую ARM, уж извините).

В результате получаем rtsp_streamer с наложенным на него патчем, защищающим TCP поток от порчи.

Пайка взрывом, сборка трезвым

Итак, у нас есть новый rtsp_streamer, и есть firmware...bin в который его надо встроить. Ну тут, вроде, всё просто: надо распаковать cramfs, заменить файл, запаковать обратно, заменить его внутри bin'а:

$ fakeroot -s .fakeroot cramfsck -x repack cramfs
$ cp rtsp_streamer repack/opt/topsee/
$ fakeroot -i .fakeroot mkcramfs repack newcramfs
$ dd if=firmware_TS38ABFG006-ONVIF-P2P-V2.5.0.6_20140126120110.bin of=firmware_new.bin bs=1832900 count=1
$ cat newcramfs >> firmware_new.bin

Заливаем полученный firmware_new.bin в камеру… 0 эффекта. Камера съедает прошивку, но ничего не происходит. Неприятно. Значит, надо разобраться в формате этого .bin'а.

Откроем его в hex редакторе, и начнём кумекать:
(0) «FIRMWARE» — 100% заголовок, 8 байт.
(8) 64 81 DB 15 — 4 байта, назначение непонятно. по запаху — контрольная сумма
(12) 0x00E847C4=15222724 — ага, 4 байта, размер прошивки. проверяем _new.bin — нет, размер не изменился, значит, он не при чем.
(16) 0x00000003 — 4 байта хз что. версия заголовка может?
(20) 0x00000614=1556 — так, а это смещение до ядра внутри
(24) 0x001BF1B0=1831344 — а это размер ядра (1831344+1556=1832900)
(28) 4C 21 81 5D — хм. опять что-то на контрольную сумму похожее.
(32) «TS38OEMABFG_LINUX» и куча нулей потом — 100h байт, явно место под название раздела
(288) 0x001BF7C4=1832900 — ага, смещение до следующей секции
(292) 0x00CC5000=13389824 — ага, размер секции
(296) «TS38OEMABFG_V2.5.0.6» и куча нулей — опачки. 100h байт, явно под название раздела.
Но контрольной суммы перед ней нет O_O
(552-1556) — нечто неизвестной наружности.

Итак, примерно суть ясна. Размер нашей cramfs не изменился, значит, это не размеры, а значит, контрольные суммы.
Извлекаем ядро, и считаем его контрольную сумму длиной 4 байта:

$ dd if=firmware_TS38ABFG006-ONVIF-P2P-V2.5.0.6_20140126120110.bin of=kernel bs=1 skip=1556 count=1831344
$ crc32 kernel 
5d81214c

Ну-ка ну-ка… по смещению 28 как раз 0x5D81214C. Повезло — это стандартная CRC32. Повезло потому, что по стандартная тулза умеет только его считать. Иначе пришлось бы запускать питон и считать уже «сложнее» :)

Итак, контрольные суммы у нас — crc32. А какая контрольная сумма у оригинальной cramfs?.. 37499eef. Так-так-так. По смещению 552 как раз и записано 0x37499eef. Значит, для файловой системы почему-то контрольная сумма ПОСЛЕ имени раздела записана. Ну ОК, чего нам, мы не гордые. Обновляем табличку:
(28) 0x5D81214C — crc32 раздела ядра
(552) 0x37499eef — crc32 раздела FS
(556-1556) — нечто неизвестной наружности

Пересчитываем crc32 newcramfs, hex редактором вписываем по смещению 552 его в бинарь, заливаем в камеру.
И… ничего O_O. Значит, чутьё не подвело — по смещению 8 действительно crc32, но от чего?
Тут действуем просто — начинаем брутфорсить.

$ python
>>> from zlib import crc32
>>> d=open("firmware_TS38ABFG006-ONVIF-P2P-V2.5.0.6_20140126120110.bin", "r").read()
>>> hex(crc32(d[12:]))
'-0x781aca29' # нет
>>> hex(crc32(d[12:1556]))
'-0x6f8f1744' # нет
>>> hex(crc32(d[0:8]+d[12:1556]))
'0x6d29f056' # нет
>>> hex(crc32(d[0:8]+d[12:]))
'-0x652ac4fd' # нет
>>> hex(crc32(d[0:8]+"\0\0\0\0"+d[12:1556]))
'0x15db8164' # Опа! Оно!

Отлично, быстро справились. Значит, обновляем табличку:
(8) 0x15DB8164 — CRC32 заголовка (первых 1556 байт), сперва занулив это поле

Итак, тут же в питоне быстро пересчитываем crc32 от заголовка firmware_new.bin и вписываем в hex редакторе его в начало.
Заливаем в камеру… Она уходит в ребут. И не отвечает… не отвечает… еще кирпич… О! Пинги пошли! Фууух.

Берём cam-resync.py, и опять тыкаем палочкой нашу камеру. И… и поток не ломается! Вот прямо вот так, с первой попытки! Уииии :)

На хлеб мажется, и есть уже можно, но что-то не то

Ранее упомянутый Андрей Сёмочкин тем временем собрал свою прошивку с исправленным мною rtsp_streamer'ом и залил её на одну из проблемных камер, с которых шло много разрывов. В результате тестирование показало, что поток не ломается, однако начались артефакты видео, такие же, как при потере пакетов на UDP. Так как я ничего не встраивал такого, стало любопытно, что же это было — пришлось еще раз заглянуть в код. Для начала, заглядываем в strings, у нас же куча отладочных строк. «checkBufferTimeout for %d seconds!!!», «buffered data more than %d ms, drop all the buffered data!!!».

Ага! Оказывается, производители сделали защиту от переполнения! И если по какой-то причине пока синхронный send() завис на больше чем надо (по дефолту — 1 сек), он излишки дропает. Это защищает от OOM и от отставания видео, если оно не влезает в тонкий канал. Но код раньше явно не работал из-за использования неблокирующих сокетов и send()'а.

После оборачивания в Blocking...NonBlocking — код начал работать :)
Однако есть небольшая проблемка: 1 сек это мало. Если канал начинает сбоить, однако достаточно толстый, то вероятность дропа становится всё сильнее. После любого такого дропа видео восстанавливается только после кейфрейма. Обычно кейфрейм достаточно редко (раз в 5-10 сек)… И получается неприятная ситуация — если был сбой, то 5-10 сек надо ждать до следующего кейфрейма чтоб видео починилось. Если сократить частоту кейфрейма — это автоматически увеличивает объём передаваемых данных, так как кейфреймы довольно толстые, а значит увеличивает частоту помирания канала. Замкнутый круг.

В общем, я дополнительно увеличил таймаут буферизации до 10сек — этого должно быть недостаточно чтобы словить OOM, но достаточно чтобы спокойно переживать ретрансмиты и лаги на не суперстабильных каналах.

Кстати, «хитрый» алгоритм лечения

Я в прошлой статье пообещал рассказать, как же легко починить ситуацию. Решение просто как валенок — так как мы отправляем RTP пакеты, у нас в каждом есть timestamp. Достаточно в sendRTPorRTCPPacketOverTCP проверять ДО отправки срок жизни пакета, и если он меньше настроенного (я всё-таки считаю что 1 сек это мало на TCP, надо именно 6-10 сек) то отправлять, иначе просто молча не отправлять его.

Автоматизируем сборку-разборку

Осталось дело за малым: автоматизировать сборку-разборку прошивки.

unpack.sh

Скрытый текст

Так как нам неизвестно занчение куска заголовка, собирать произвольные мы не можем, чтоб не убивать камеру, поэтому все куски сохраняем как есть.
Так как у нас внутри прошивки лежат блочные и прочие устройства, работать с ней от простого пользователя не получается. Но тут на помощь приходит fakeroot, который умеет сохранять состояние во внешний файл. Поэтому распаковываем используя fakeroot.
Однако с ним есть микропроблема — файл в итоге должен быть доступен на чтение текущему пользователю. Если вы «настоящий» рут, то вы спокойно можете читать файл, даже если он «chmod -r». А вот fakeroot ломается на таком файле. Поэтому сразу после распаковки, я меняю права чтения для всех файлов. НО правильные права доступа сохранены в дампе состояния fakeroot'а, поэтому обратная сборка проходит на ура.

В остальном распаковка не имеет никаких интересных моментов.

pack.sh

Скрытый текст

А вот упаковка уже чуток сложнее. Нам надо запаковать обратно cramfs, обновить в заголовке длины отдельных файлов и общую длину; пересчитать и контрольные суммы, включая заголовок и только после этого слить всё вместе.
Вообще, камера проверяет граничные значения сама, однако для удобства я добавил проверку на границы размеров файловой системы и ядра, чтобы если при сборке её размеры выползают за пределы, получить предупреждение и поудалять лишние хвосты из прошивки.

Результат трудов

Итак, я собрал следующие исправленные прошивки последней версии 2.5.0.6:

Если вдруг вам потребуется фикс на какой-либо другой модуль этого же производителя — пишите в комментах, буду посмотреть по возможности.