Merge patch series "Prepare for upstreaming Pixel 6 and 7 UFS support"
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / networking / timestamping.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 ============
4 Timestamping
5 ============
6
7
8 1. Control Interfaces
9 =====================
10
11 The interfaces for receiving network packages timestamps are:
12
13 SO_TIMESTAMP
14   Generates a timestamp for each incoming packet in (not necessarily
15   monotonic) system time. Reports the timestamp via recvmsg() in a
16   control message in usec resolution.
17   SO_TIMESTAMP is defined as SO_TIMESTAMP_NEW or SO_TIMESTAMP_OLD
18   based on the architecture type and time_t representation of libc.
19   Control message format is in struct __kernel_old_timeval for
20   SO_TIMESTAMP_OLD and in struct __kernel_sock_timeval for
21   SO_TIMESTAMP_NEW options respectively.
22
23 SO_TIMESTAMPNS
24   Same timestamping mechanism as SO_TIMESTAMP, but reports the
25   timestamp as struct timespec in nsec resolution.
26   SO_TIMESTAMPNS is defined as SO_TIMESTAMPNS_NEW or SO_TIMESTAMPNS_OLD
27   based on the architecture type and time_t representation of libc.
28   Control message format is in struct timespec for SO_TIMESTAMPNS_OLD
29   and in struct __kernel_timespec for SO_TIMESTAMPNS_NEW options
30   respectively.
31
32 IP_MULTICAST_LOOP + SO_TIMESTAMP[NS]
33   Only for multicast:approximate transmit timestamp obtained by
34   reading the looped packet receive timestamp.
35
36 SO_TIMESTAMPING
37   Generates timestamps on reception, transmission or both. Supports
38   multiple timestamp sources, including hardware. Supports generating
39   timestamps for stream sockets.
40
41
42 1.1 SO_TIMESTAMP (also SO_TIMESTAMP_OLD and SO_TIMESTAMP_NEW)
43 -------------------------------------------------------------
44
45 This socket option enables timestamping of datagrams on the reception
46 path. Because the destination socket, if any, is not known early in
47 the network stack, the feature has to be enabled for all packets. The
48 same is true for all early receive timestamp options.
49
50 For interface details, see `man 7 socket`.
51
52 Always use SO_TIMESTAMP_NEW timestamp to always get timestamp in
53 struct __kernel_sock_timeval format.
54
55 SO_TIMESTAMP_OLD returns incorrect timestamps after the year 2038
56 on 32 bit machines.
57
58 1.2 SO_TIMESTAMPNS (also SO_TIMESTAMPNS_OLD and SO_TIMESTAMPNS_NEW)
59 -------------------------------------------------------------------
60
61 This option is identical to SO_TIMESTAMP except for the returned data type.
62 Its struct timespec allows for higher resolution (ns) timestamps than the
63 timeval of SO_TIMESTAMP (ms).
64
65 Always use SO_TIMESTAMPNS_NEW timestamp to always get timestamp in
66 struct __kernel_timespec format.
67
68 SO_TIMESTAMPNS_OLD returns incorrect timestamps after the year 2038
69 on 32 bit machines.
70
71 1.3 SO_TIMESTAMPING (also SO_TIMESTAMPING_OLD and SO_TIMESTAMPING_NEW)
72 ----------------------------------------------------------------------
73
74 Supports multiple types of timestamp requests. As a result, this
75 socket option takes a bitmap of flags, not a boolean. In::
76
77   err = setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_TIMESTAMPING, &val, sizeof(val));
78
79 val is an integer with any of the following bits set. Setting other
80 bit returns EINVAL and does not change the current state.
81
82 The socket option configures timestamp generation for individual
83 sk_buffs (1.3.1), timestamp reporting to the socket's error
84 queue (1.3.2) and options (1.3.3). Timestamp generation can also
85 be enabled for individual sendmsg calls using cmsg (1.3.4).
86
87
88 1.3.1 Timestamp Generation
89 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
90
91 Some bits are requests to the stack to try to generate timestamps. Any
92 combination of them is valid. Changes to these bits apply to newly
93 created packets, not to packets already in the stack. As a result, it
94 is possible to selectively request timestamps for a subset of packets
95 (e.g., for sampling) by embedding an send() call within two setsockopt
96 calls, one to enable timestamp generation and one to disable it.
97 Timestamps may also be generated for reasons other than being
98 requested by a particular socket, such as when receive timestamping is
99 enabled system wide, as explained earlier.
100
101 SOF_TIMESTAMPING_RX_HARDWARE:
102   Request rx timestamps generated by the network adapter.
103
104 SOF_TIMESTAMPING_RX_SOFTWARE:
105   Request rx timestamps when data enters the kernel. These timestamps
106   are generated just after a device driver hands a packet to the
107   kernel receive stack.
108
109 SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE:
110   Request tx timestamps generated by the network adapter. This flag
111   can be enabled via both socket options and control messages.
112
113 SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE:
114   Request tx timestamps when data leaves the kernel. These timestamps
115   are generated in the device driver as close as possible, but always
116   prior to, passing the packet to the network interface. Hence, they
117   require driver support and may not be available for all devices.
118   This flag can be enabled via both socket options and control messages.
119
120 SOF_TIMESTAMPING_TX_SCHED:
121   Request tx timestamps prior to entering the packet scheduler. Kernel
122   transmit latency is, if long, often dominated by queuing delay. The
123   difference between this timestamp and one taken at
124   SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE will expose this latency independent
125   of protocol processing. The latency incurred in protocol
126   processing, if any, can be computed by subtracting a userspace
127   timestamp taken immediately before send() from this timestamp. On
128   machines with virtual devices where a transmitted packet travels
129   through multiple devices and, hence, multiple packet schedulers,
130   a timestamp is generated at each layer. This allows for fine
131   grained measurement of queuing delay. This flag can be enabled
132   via both socket options and control messages.
133
134 SOF_TIMESTAMPING_TX_ACK:
135   Request tx timestamps when all data in the send buffer has been
136   acknowledged. This only makes sense for reliable protocols. It is
137   currently only implemented for TCP. For that protocol, it may
138   over-report measurement, because the timestamp is generated when all
139   data up to and including the buffer at send() was acknowledged: the
140   cumulative acknowledgment. The mechanism ignores SACK and FACK.
141   This flag can be enabled via both socket options and control messages.
142
143
144 1.3.2 Timestamp Reporting
145 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
146
147 The other three bits control which timestamps will be reported in a
148 generated control message. Changes to the bits take immediate
149 effect at the timestamp reporting locations in the stack. Timestamps
150 are only reported for packets that also have the relevant timestamp
151 generation request set.
152
153 SOF_TIMESTAMPING_SOFTWARE:
154   Report any software timestamps when available.
155
156 SOF_TIMESTAMPING_SYS_HARDWARE:
157   This option is deprecated and ignored.
158
159 SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE:
160   Report hardware timestamps as generated by
161   SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE when available.
162
163
164 1.3.3 Timestamp Options
165 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
166
167 The interface supports the options
168
169 SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID:
170   Generate a unique identifier along with each packet. A process can
171   have multiple concurrent timestamping requests outstanding. Packets
172   can be reordered in the transmit path, for instance in the packet
173   scheduler. In that case timestamps will be queued onto the error
174   queue out of order from the original send() calls. It is not always
175   possible to uniquely match timestamps to the original send() calls
176   based on timestamp order or payload inspection alone, then.
177
178   This option associates each packet at send() with a unique
179   identifier and returns that along with the timestamp. The identifier
180   is derived from a per-socket u32 counter (that wraps). For datagram
181   sockets, the counter increments with each sent packet. For stream
182   sockets, it increments with every byte. For stream sockets, also set
183   SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID_TCP, see the section below.
184
185   The counter starts at zero. It is initialized the first time that
186   the socket option is enabled. It is reset each time the option is
187   enabled after having been disabled. Resetting the counter does not
188   change the identifiers of existing packets in the system.
189
190   This option is implemented only for transmit timestamps. There, the
191   timestamp is always looped along with a struct sock_extended_err.
192   The option modifies field ee_data to pass an id that is unique
193   among all possibly concurrently outstanding timestamp requests for
194   that socket.
195
196 SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID_TCP:
197   Pass this modifier along with SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID for new TCP
198   timestamping applications. SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID defines how the
199   counter increments for stream sockets, but its starting point is
200   not entirely trivial. This option fixes that.
201
202   For stream sockets, if SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID is set, this should
203   always be set too. On datagram sockets the option has no effect.
204
205   A reasonable expectation is that the counter is reset to zero with
206   the system call, so that a subsequent write() of N bytes generates
207   a timestamp with counter N-1. SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID_TCP
208   implements this behavior under all conditions.
209
210   SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID without modifier often reports the same,
211   especially when the socket option is set when no data is in
212   transmission. If data is being transmitted, it may be off by the
213   length of the output queue (SIOCOUTQ).
214
215   The difference is due to being based on snd_una versus write_seq.
216   snd_una is the offset in the stream acknowledged by the peer. This
217   depends on factors outside of process control, such as network RTT.
218   write_seq is the last byte written by the process. This offset is
219   not affected by external inputs.
220
221   The difference is subtle and unlikely to be noticed when configured
222   at initial socket creation, when no data is queued or sent. But
223   SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID_TCP behavior is more robust regardless of
224   when the socket option is set.
225
226 SOF_TIMESTAMPING_OPT_CMSG:
227   Support recv() cmsg for all timestamped packets. Control messages
228   are already supported unconditionally on all packets with receive
229   timestamps and on IPv6 packets with transmit timestamp. This option
230   extends them to IPv4 packets with transmit timestamp. One use case
231   is to correlate packets with their egress device, by enabling socket
232   option IP_PKTINFO simultaneously.
233
234
235 SOF_TIMESTAMPING_OPT_TSONLY:
236   Applies to transmit timestamps only. Makes the kernel return the
237   timestamp as a cmsg alongside an empty packet, as opposed to
238   alongside the original packet. This reduces the amount of memory
239   charged to the socket's receive budget (SO_RCVBUF) and delivers
240   the timestamp even if sysctl net.core.tstamp_allow_data is 0.
241   This option disables SOF_TIMESTAMPING_OPT_CMSG.
242
243 SOF_TIMESTAMPING_OPT_STATS:
244   Optional stats that are obtained along with the transmit timestamps.
245   It must be used together with SOF_TIMESTAMPING_OPT_TSONLY. When the
246   transmit timestamp is available, the stats are available in a
247   separate control message of type SCM_TIMESTAMPING_OPT_STATS, as a
248   list of TLVs (struct nlattr) of types. These stats allow the
249   application to associate various transport layer stats with
250   the transmit timestamps, such as how long a certain block of
251   data was limited by peer's receiver window.
252
253 SOF_TIMESTAMPING_OPT_PKTINFO:
254   Enable the SCM_TIMESTAMPING_PKTINFO control message for incoming
255   packets with hardware timestamps. The message contains struct
256   scm_ts_pktinfo, which supplies the index of the real interface which
257   received the packet and its length at layer 2. A valid (non-zero)
258   interface index will be returned only if CONFIG_NET_RX_BUSY_POLL is
259   enabled and the driver is using NAPI. The struct contains also two
260   other fields, but they are reserved and undefined.
261
262 SOF_TIMESTAMPING_OPT_TX_SWHW:
263   Request both hardware and software timestamps for outgoing packets
264   when SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE and SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE
265   are enabled at the same time. If both timestamps are generated,
266   two separate messages will be looped to the socket's error queue,
267   each containing just one timestamp.
268
269 New applications are encouraged to pass SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID to
270 disambiguate timestamps and SOF_TIMESTAMPING_OPT_TSONLY to operate
271 regardless of the setting of sysctl net.core.tstamp_allow_data.
272
273 An exception is when a process needs additional cmsg data, for
274 instance SOL_IP/IP_PKTINFO to detect the egress network interface.
275 Then pass option SOF_TIMESTAMPING_OPT_CMSG. This option depends on
276 having access to the contents of the original packet, so cannot be
277 combined with SOF_TIMESTAMPING_OPT_TSONLY.
278
279
280 1.3.4. Enabling timestamps via control messages
281 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
282
283 In addition to socket options, timestamp generation can be requested
284 per write via cmsg, only for SOF_TIMESTAMPING_TX_* (see Section 1.3.1).
285 Using this feature, applications can sample timestamps per sendmsg()
286 without paying the overhead of enabling and disabling timestamps via
287 setsockopt::
288
289   struct msghdr *msg;
290   ...
291   cmsg                         = CMSG_FIRSTHDR(msg);
292   cmsg->cmsg_level             = SOL_SOCKET;
293   cmsg->cmsg_type              = SO_TIMESTAMPING;
294   cmsg->cmsg_len               = CMSG_LEN(sizeof(__u32));
295   *((__u32 *) CMSG_DATA(cmsg)) = SOF_TIMESTAMPING_TX_SCHED |
296                                  SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE |
297                                  SOF_TIMESTAMPING_TX_ACK;
298   err = sendmsg(fd, msg, 0);
299
300 The SOF_TIMESTAMPING_TX_* flags set via cmsg will override
301 the SOF_TIMESTAMPING_TX_* flags set via setsockopt.
302
303 Moreover, applications must still enable timestamp reporting via
304 setsockopt to receive timestamps::
305
306   __u32 val = SOF_TIMESTAMPING_SOFTWARE |
307               SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID /* or any other flag */;
308   err = setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_TIMESTAMPING, &val, sizeof(val));
309
310
311 1.4 Bytestream Timestamps
312 -------------------------
313
314 The SO_TIMESTAMPING interface supports timestamping of bytes in a
315 bytestream. Each request is interpreted as a request for when the
316 entire contents of the buffer has passed a timestamping point. That
317 is, for streams option SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE will record
318 when all bytes have reached the device driver, regardless of how
319 many packets the data has been converted into.
320
321 In general, bytestreams have no natural delimiters and therefore
322 correlating a timestamp with data is non-trivial. A range of bytes
323 may be split across segments, any segments may be merged (possibly
324 coalescing sections of previously segmented buffers associated with
325 independent send() calls). Segments can be reordered and the same
326 byte range can coexist in multiple segments for protocols that
327 implement retransmissions.
328
329 It is essential that all timestamps implement the same semantics,
330 regardless of these possible transformations, as otherwise they are
331 incomparable. Handling "rare" corner cases differently from the
332 simple case (a 1:1 mapping from buffer to skb) is insufficient
333 because performance debugging often needs to focus on such outliers.
334
335 In practice, timestamps can be correlated with segments of a
336 bytestream consistently, if both semantics of the timestamp and the
337 timing of measurement are chosen correctly. This challenge is no
338 different from deciding on a strategy for IP fragmentation. There, the
339 definition is that only the first fragment is timestamped. For
340 bytestreams, we chose that a timestamp is generated only when all
341 bytes have passed a point. SOF_TIMESTAMPING_TX_ACK as defined is easy to
342 implement and reason about. An implementation that has to take into
343 account SACK would be more complex due to possible transmission holes
344 and out of order arrival.
345
346 On the host, TCP can also break the simple 1:1 mapping from buffer to
347 skbuff as a result of Nagle, cork, autocork, segmentation and GSO. The
348 implementation ensures correctness in all cases by tracking the
349 individual last byte passed to send(), even if it is no longer the
350 last byte after an skbuff extend or merge operation. It stores the
351 relevant sequence number in skb_shinfo(skb)->tskey. Because an skbuff
352 has only one such field, only one timestamp can be generated.
353
354 In rare cases, a timestamp request can be missed if two requests are
355 collapsed onto the same skb. A process can detect this situation by
356 enabling SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID and comparing the byte offset at
357 send time with the value returned for each timestamp. It can prevent
358 the situation by always flushing the TCP stack in between requests,
359 for instance by enabling TCP_NODELAY and disabling TCP_CORK and
360 autocork.
361
362 These precautions ensure that the timestamp is generated only when all
363 bytes have passed a timestamp point, assuming that the network stack
364 itself does not reorder the segments. The stack indeed tries to avoid
365 reordering. The one exception is under administrator control: it is
366 possible to construct a packet scheduler configuration that delays
367 segments from the same stream differently. Such a setup would be
368 unusual.
369
370
371 2 Data Interfaces
372 ==================
373
374 Timestamps are read using the ancillary data feature of recvmsg().
375 See `man 3 cmsg` for details of this interface. The socket manual
376 page (`man 7 socket`) describes how timestamps generated with
377 SO_TIMESTAMP and SO_TIMESTAMPNS records can be retrieved.
378
379
380 2.1 SCM_TIMESTAMPING records
381 ----------------------------
382
383 These timestamps are returned in a control message with cmsg_level
384 SOL_SOCKET, cmsg_type SCM_TIMESTAMPING, and payload of type
385
386 For SO_TIMESTAMPING_OLD::
387
388         struct scm_timestamping {
389                 struct timespec ts[3];
390         };
391
392 For SO_TIMESTAMPING_NEW::
393
394         struct scm_timestamping64 {
395                 struct __kernel_timespec ts[3];
396
397 Always use SO_TIMESTAMPING_NEW timestamp to always get timestamp in
398 struct scm_timestamping64 format.
399
400 SO_TIMESTAMPING_OLD returns incorrect timestamps after the year 2038
401 on 32 bit machines.
402
403 The structure can return up to three timestamps. This is a legacy
404 feature. At least one field is non-zero at any time. Most timestamps
405 are passed in ts[0]. Hardware timestamps are passed in ts[2].
406
407 ts[1] used to hold hardware timestamps converted to system time.
408 Instead, expose the hardware clock device on the NIC directly as
409 a HW PTP clock source, to allow time conversion in userspace and
410 optionally synchronize system time with a userspace PTP stack such
411 as linuxptp. For the PTP clock API, see Documentation/driver-api/ptp.rst.
412
413 Note that if the SO_TIMESTAMP or SO_TIMESTAMPNS option is enabled
414 together with SO_TIMESTAMPING using SOF_TIMESTAMPING_SOFTWARE, a false
415 software timestamp will be generated in the recvmsg() call and passed
416 in ts[0] when a real software timestamp is missing. This happens also
417 on hardware transmit timestamps.
418
419 2.1.1 Transmit timestamps with MSG_ERRQUEUE
420 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
421
422 For transmit timestamps the outgoing packet is looped back to the
423 socket's error queue with the send timestamp(s) attached. A process
424 receives the timestamps by calling recvmsg() with flag MSG_ERRQUEUE
425 set and with a msg_control buffer sufficiently large to receive the
426 relevant metadata structures. The recvmsg call returns the original
427 outgoing data packet with two ancillary messages attached.
428
429 A message of cm_level SOL_IP(V6) and cm_type IP(V6)_RECVERR
430 embeds a struct sock_extended_err. This defines the error type. For
431 timestamps, the ee_errno field is ENOMSG. The other ancillary message
432 will have cm_level SOL_SOCKET and cm_type SCM_TIMESTAMPING. This
433 embeds the struct scm_timestamping.
434
435
436 2.1.1.2 Timestamp types
437 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
438
439 The semantics of the three struct timespec are defined by field
440 ee_info in the extended error structure. It contains a value of
441 type SCM_TSTAMP_* to define the actual timestamp passed in
442 scm_timestamping.
443
444 The SCM_TSTAMP_* types are 1:1 matches to the SOF_TIMESTAMPING_*
445 control fields discussed previously, with one exception. For legacy
446 reasons, SCM_TSTAMP_SND is equal to zero and can be set for both
447 SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE and SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE. It
448 is the first if ts[2] is non-zero, the second otherwise, in which
449 case the timestamp is stored in ts[0].
450
451
452 2.1.1.3 Fragmentation
453 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
454
455 Fragmentation of outgoing datagrams is rare, but is possible, e.g., by
456 explicitly disabling PMTU discovery. If an outgoing packet is fragmented,
457 then only the first fragment is timestamped and returned to the sending
458 socket.
459
460
461 2.1.1.4 Packet Payload
462 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
463
464 The calling application is often not interested in receiving the whole
465 packet payload that it passed to the stack originally: the socket
466 error queue mechanism is just a method to piggyback the timestamp on.
467 In this case, the application can choose to read datagrams with a
468 smaller buffer, possibly even of length 0. The payload is truncated
469 accordingly. Until the process calls recvmsg() on the error queue,
470 however, the full packet is queued, taking up budget from SO_RCVBUF.
471
472
473 2.1.1.5 Blocking Read
474 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
475
476 Reading from the error queue is always a non-blocking operation. To
477 block waiting on a timestamp, use poll or select. poll() will return
478 POLLERR in pollfd.revents if any data is ready on the error queue.
479 There is no need to pass this flag in pollfd.events. This flag is
480 ignored on request. See also `man 2 poll`.
481
482
483 2.1.2 Receive timestamps
484 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
485
486 On reception, there is no reason to read from the socket error queue.
487 The SCM_TIMESTAMPING ancillary data is sent along with the packet data
488 on a normal recvmsg(). Since this is not a socket error, it is not
489 accompanied by a message SOL_IP(V6)/IP(V6)_RECVERROR. In this case,
490 the meaning of the three fields in struct scm_timestamping is
491 implicitly defined. ts[0] holds a software timestamp if set, ts[1]
492 is again deprecated and ts[2] holds a hardware timestamp if set.
493
494
495 3. Hardware Timestamping configuration: SIOCSHWTSTAMP and SIOCGHWTSTAMP
496 =======================================================================
497
498 Hardware time stamping must also be initialized for each device driver
499 that is expected to do hardware time stamping. The parameter is defined in
500 include/uapi/linux/net_tstamp.h as::
501
502         struct hwtstamp_config {
503                 int flags;      /* no flags defined right now, must be zero */
504                 int tx_type;    /* HWTSTAMP_TX_* */
505                 int rx_filter;  /* HWTSTAMP_FILTER_* */
506         };
507
508 Desired behavior is passed into the kernel and to a specific device by
509 calling ioctl(SIOCSHWTSTAMP) with a pointer to a struct ifreq whose
510 ifr_data points to a struct hwtstamp_config. The tx_type and
511 rx_filter are hints to the driver what it is expected to do. If
512 the requested fine-grained filtering for incoming packets is not
513 supported, the driver may time stamp more than just the requested types
514 of packets.
515
516 Drivers are free to use a more permissive configuration than the requested
517 configuration. It is expected that drivers should only implement directly the
518 most generic mode that can be supported. For example if the hardware can
519 support HWTSTAMP_FILTER_PTP_V2_EVENT, then it should generally always upscale
520 HWTSTAMP_FILTER_PTP_V2_L2_SYNC, and so forth, as HWTSTAMP_FILTER_PTP_V2_EVENT
521 is more generic (and more useful to applications).
522
523 A driver which supports hardware time stamping shall update the struct
524 with the actual, possibly more permissive configuration. If the
525 requested packets cannot be time stamped, then nothing should be
526 changed and ERANGE shall be returned (in contrast to EINVAL, which
527 indicates that SIOCSHWTSTAMP is not supported at all).
528
529 Only a processes with admin rights may change the configuration. User
530 space is responsible to ensure that multiple processes don't interfere
531 with each other and that the settings are reset.
532
533 Any process can read the actual configuration by passing this
534 structure to ioctl(SIOCGHWTSTAMP) in the same way.  However, this has
535 not been implemented in all drivers.
536
537 ::
538
539     /* possible values for hwtstamp_config->tx_type */
540     enum {
541             /*
542             * no outgoing packet will need hardware time stamping;
543             * should a packet arrive which asks for it, no hardware
544             * time stamping will be done
545             */
546             HWTSTAMP_TX_OFF,
547
548             /*
549             * enables hardware time stamping for outgoing packets;
550             * the sender of the packet decides which are to be
551             * time stamped by setting SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE
552             * before sending the packet
553             */
554             HWTSTAMP_TX_ON,
555     };
556
557     /* possible values for hwtstamp_config->rx_filter */
558     enum {
559             /* time stamp no incoming packet at all */
560             HWTSTAMP_FILTER_NONE,
561
562             /* time stamp any incoming packet */
563             HWTSTAMP_FILTER_ALL,
564
565             /* return value: time stamp all packets requested plus some others */
566             HWTSTAMP_FILTER_SOME,
567
568             /* PTP v1, UDP, any kind of event packet */
569             HWTSTAMP_FILTER_PTP_V1_L4_EVENT,
570
571             /* for the complete list of values, please check
572             * the include file include/uapi/linux/net_tstamp.h
573             */
574     };
575
576 3.1 Hardware Timestamping Implementation: Device Drivers
577 --------------------------------------------------------
578
579 A driver which supports hardware time stamping must support the
580 SIOCSHWTSTAMP ioctl and update the supplied struct hwtstamp_config with
581 the actual values as described in the section on SIOCSHWTSTAMP.  It
582 should also support SIOCGHWTSTAMP.
583
584 Time stamps for received packets must be stored in the skb. To get a pointer
585 to the shared time stamp structure of the skb call skb_hwtstamps(). Then
586 set the time stamps in the structure::
587
588     struct skb_shared_hwtstamps {
589             /* hardware time stamp transformed into duration
590             * since arbitrary point in time
591             */
592             ktime_t     hwtstamp;
593     };
594
595 Time stamps for outgoing packets are to be generated as follows:
596
597 - In hard_start_xmit(), check if (skb_shinfo(skb)->tx_flags & SKBTX_HW_TSTAMP)
598   is set no-zero. If yes, then the driver is expected to do hardware time
599   stamping.
600 - If this is possible for the skb and requested, then declare
601   that the driver is doing the time stamping by setting the flag
602   SKBTX_IN_PROGRESS in skb_shinfo(skb)->tx_flags , e.g. with::
603
604       skb_shinfo(skb)->tx_flags |= SKBTX_IN_PROGRESS;
605
606   You might want to keep a pointer to the associated skb for the next step
607   and not free the skb. A driver not supporting hardware time stamping doesn't
608   do that. A driver must never touch sk_buff::tstamp! It is used to store
609   software generated time stamps by the network subsystem.
610 - Driver should call skb_tx_timestamp() as close to passing sk_buff to hardware
611   as possible. skb_tx_timestamp() provides a software time stamp if requested
612   and hardware timestamping is not possible (SKBTX_IN_PROGRESS not set).
613 - As soon as the driver has sent the packet and/or obtained a
614   hardware time stamp for it, it passes the time stamp back by
615   calling skb_tstamp_tx() with the original skb, the raw
616   hardware time stamp. skb_tstamp_tx() clones the original skb and
617   adds the timestamps, therefore the original skb has to be freed now.
618   If obtaining the hardware time stamp somehow fails, then the driver
619   should not fall back to software time stamping. The rationale is that
620   this would occur at a later time in the processing pipeline than other
621   software time stamping and therefore could lead to unexpected deltas
622   between time stamps.
623
624 3.2 Special considerations for stacked PTP Hardware Clocks
625 ----------------------------------------------------------
626
627 There are situations when there may be more than one PHC (PTP Hardware Clock)
628 in the data path of a packet. The kernel has no explicit mechanism to allow the
629 user to select which PHC to use for timestamping Ethernet frames. Instead, the
630 assumption is that the outermost PHC is always the most preferable, and that
631 kernel drivers collaborate towards achieving that goal. Currently there are 3
632 cases of stacked PHCs, detailed below:
633
634 3.2.1 DSA (Distributed Switch Architecture) switches
635 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
636
637 These are Ethernet switches which have one of their ports connected to an
638 (otherwise completely unaware) host Ethernet interface, and perform the role of
639 a port multiplier with optional forwarding acceleration features.  Each DSA
640 switch port is visible to the user as a standalone (virtual) network interface,
641 and its network I/O is performed, under the hood, indirectly through the host
642 interface (redirecting to the host port on TX, and intercepting frames on RX).
643
644 When a DSA switch is attached to a host port, PTP synchronization has to
645 suffer, since the switch's variable queuing delay introduces a path delay
646 jitter between the host port and its PTP partner. For this reason, some DSA
647 switches include a timestamping clock of their own, and have the ability to
648 perform network timestamping on their own MAC, such that path delays only
649 measure wire and PHY propagation latencies. Timestamping DSA switches are
650 supported in Linux and expose the same ABI as any other network interface (save
651 for the fact that the DSA interfaces are in fact virtual in terms of network
652 I/O, they do have their own PHC).  It is typical, but not mandatory, for all
653 interfaces of a DSA switch to share the same PHC.
654
655 By design, PTP timestamping with a DSA switch does not need any special
656 handling in the driver for the host port it is attached to.  However, when the
657 host port also supports PTP timestamping, DSA will take care of intercepting
658 the ``.ndo_eth_ioctl`` calls towards the host port, and block attempts to enable
659 hardware timestamping on it. This is because the SO_TIMESTAMPING API does not
660 allow the delivery of multiple hardware timestamps for the same packet, so
661 anybody else except for the DSA switch port must be prevented from doing so.
662
663 In the generic layer, DSA provides the following infrastructure for PTP
664 timestamping:
665
666 - ``.port_txtstamp()``: a hook called prior to the transmission of
667   packets with a hardware TX timestamping request from user space.
668   This is required for two-step timestamping, since the hardware
669   timestamp becomes available after the actual MAC transmission, so the
670   driver must be prepared to correlate the timestamp with the original
671   packet so that it can re-enqueue the packet back into the socket's
672   error queue. To save the packet for when the timestamp becomes
673   available, the driver can call ``skb_clone_sk`` , save the clone pointer
674   in skb->cb and enqueue a tx skb queue. Typically, a switch will have a
675   PTP TX timestamp register (or sometimes a FIFO) where the timestamp
676   becomes available. In case of a FIFO, the hardware might store
677   key-value pairs of PTP sequence ID/message type/domain number and the
678   actual timestamp. To perform the correlation correctly between the
679   packets in a queue waiting for timestamping and the actual timestamps,
680   drivers can use a BPF classifier (``ptp_classify_raw``) to identify
681   the PTP transport type, and ``ptp_parse_header`` to interpret the PTP
682   header fields. There may be an IRQ that is raised upon this
683   timestamp's availability, or the driver might have to poll after
684   invoking ``dev_queue_xmit()`` towards the host interface.
685   One-step TX timestamping do not require packet cloning, since there is
686   no follow-up message required by the PTP protocol (because the
687   TX timestamp is embedded into the packet by the MAC), and therefore
688   user space does not expect the packet annotated with the TX timestamp
689   to be re-enqueued into its socket's error queue.
690
691 - ``.port_rxtstamp()``: On RX, the BPF classifier is run by DSA to
692   identify PTP event messages (any other packets, including PTP general
693   messages, are not timestamped). The original (and only) timestampable
694   skb is provided to the driver, for it to annotate it with a timestamp,
695   if that is immediately available, or defer to later. On reception,
696   timestamps might either be available in-band (through metadata in the
697   DSA header, or attached in other ways to the packet), or out-of-band
698   (through another RX timestamping FIFO). Deferral on RX is typically
699   necessary when retrieving the timestamp needs a sleepable context. In
700   that case, it is the responsibility of the DSA driver to call
701   ``netif_rx()`` on the freshly timestamped skb.
702
703 3.2.2 Ethernet PHYs
704 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
705
706 These are devices that typically fulfill a Layer 1 role in the network stack,
707 hence they do not have a representation in terms of a network interface as DSA
708 switches do. However, PHYs may be able to detect and timestamp PTP packets, for
709 performance reasons: timestamps taken as close as possible to the wire have the
710 potential to yield a more stable and precise synchronization.
711
712 A PHY driver that supports PTP timestamping must create a ``struct
713 mii_timestamper`` and add a pointer to it in ``phydev->mii_ts``. The presence
714 of this pointer will be checked by the networking stack.
715
716 Since PHYs do not have network interface representations, the timestamping and
717 ethtool ioctl operations for them need to be mediated by their respective MAC
718 driver.  Therefore, as opposed to DSA switches, modifications need to be done
719 to each individual MAC driver for PHY timestamping support. This entails:
720
721 - Checking, in ``.ndo_eth_ioctl``, whether ``phy_has_hwtstamp(netdev->phydev)``
722   is true or not. If it is, then the MAC driver should not process this request
723   but instead pass it on to the PHY using ``phy_mii_ioctl()``.
724
725 - On RX, special intervention may or may not be needed, depending on the
726   function used to deliver skb's up the network stack. In the case of plain
727   ``netif_rx()`` and similar, MAC drivers must check whether
728   ``skb_defer_rx_timestamp(skb)`` is necessary or not - and if it is, don't
729   call ``netif_rx()`` at all.  If ``CONFIG_NETWORK_PHY_TIMESTAMPING`` is
730   enabled, and ``skb->dev->phydev->mii_ts`` exists, its ``.rxtstamp()`` hook
731   will be called now, to determine, using logic very similar to DSA, whether
732   deferral for RX timestamping is necessary.  Again like DSA, it becomes the
733   responsibility of the PHY driver to send the packet up the stack when the
734   timestamp is available.
735
736   For other skb receive functions, such as ``napi_gro_receive`` and
737   ``netif_receive_skb``, the stack automatically checks whether
738   ``skb_defer_rx_timestamp()`` is necessary, so this check is not needed inside
739   the driver.
740
741 - On TX, again, special intervention might or might not be needed.  The
742   function that calls the ``mii_ts->txtstamp()`` hook is named
743   ``skb_clone_tx_timestamp()``. This function can either be called directly
744   (case in which explicit MAC driver support is indeed needed), but the
745   function also piggybacks from the ``skb_tx_timestamp()`` call, which many MAC
746   drivers already perform for software timestamping purposes. Therefore, if a
747   MAC supports software timestamping, it does not need to do anything further
748   at this stage.
749
750 3.2.3 MII bus snooping devices
751 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
752
753 These perform the same role as timestamping Ethernet PHYs, save for the fact
754 that they are discrete devices and can therefore be used in conjunction with
755 any PHY even if it doesn't support timestamping. In Linux, they are
756 discoverable and attachable to a ``struct phy_device`` through Device Tree, and
757 for the rest, they use the same mii_ts infrastructure as those. See
758 Documentation/devicetree/bindings/ptp/timestamper.txt for more details.
759
760 3.2.4 Other caveats for MAC drivers
761 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
762
763 Stacked PHCs, especially DSA (but not only) - since that doesn't require any
764 modification to MAC drivers, so it is more difficult to ensure correctness of
765 all possible code paths - is that they uncover bugs which were impossible to
766 trigger before the existence of stacked PTP clocks.  One example has to do with
767 this line of code, already presented earlier::
768
769       skb_shinfo(skb)->tx_flags |= SKBTX_IN_PROGRESS;
770
771 Any TX timestamping logic, be it a plain MAC driver, a DSA switch driver, a PHY
772 driver or a MII bus snooping device driver, should set this flag.
773 But a MAC driver that is unaware of PHC stacking might get tripped up by
774 somebody other than itself setting this flag, and deliver a duplicate
775 timestamp.
776 For example, a typical driver design for TX timestamping might be to split the
777 transmission part into 2 portions:
778
779 1. "TX": checks whether PTP timestamping has been previously enabled through
780    the ``.ndo_eth_ioctl`` ("``priv->hwtstamp_tx_enabled == true``") and the
781    current skb requires a TX timestamp ("``skb_shinfo(skb)->tx_flags &
782    SKBTX_HW_TSTAMP``"). If this is true, it sets the
783    "``skb_shinfo(skb)->tx_flags |= SKBTX_IN_PROGRESS``" flag. Note: as
784    described above, in the case of a stacked PHC system, this condition should
785    never trigger, as this MAC is certainly not the outermost PHC. But this is
786    not where the typical issue is.  Transmission proceeds with this packet.
787
788 2. "TX confirmation": Transmission has finished. The driver checks whether it
789    is necessary to collect any TX timestamp for it. Here is where the typical
790    issues are: the MAC driver takes a shortcut and only checks whether
791    "``skb_shinfo(skb)->tx_flags & SKBTX_IN_PROGRESS``" was set. With a stacked
792    PHC system, this is incorrect because this MAC driver is not the only entity
793    in the TX data path who could have enabled SKBTX_IN_PROGRESS in the first
794    place.
795
796 The correct solution for this problem is for MAC drivers to have a compound
797 check in their "TX confirmation" portion, not only for
798 "``skb_shinfo(skb)->tx_flags & SKBTX_IN_PROGRESS``", but also for
799 "``priv->hwtstamp_tx_enabled == true``". Because the rest of the system ensures
800 that PTP timestamping is not enabled for anything other than the outermost PHC,
801 this enhanced check will avoid delivering a duplicated TX timestamp to user
802 space.