net/sched/sch_cbs.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-or-later
   2 /*
   3  * net/sched/sch_cbs.c  Credit Based Shaper
   4  *
   5  * Authors:     Vinicius Costa Gomes <vinicius.gomes@intel.com>
   6  */
   7
   8 /* Credit Based Shaper (CBS)
   9  * =========================
  10  *
  11  * This is a simple rate-limiting shaper aimed at TSN applications on
  12  * systems with known traffic workloads.
  13  *
  14  * Its algorithm is defined by the IEEE 802.1Q-2014 Specification,
  15  * Section 8.6.8.2, and explained in more detail in the Annex L of the
  16  * same specification.
  17  *
  18  * There are four tunables to be considered:
  19  *
  20  *      'idleslope': Idleslope is the rate of credits that is
  21  *      accumulated (in kilobits per second) when there is at least
  22  *      one packet waiting for transmission. Packets are transmitted
  23  *      when the current value of credits is equal or greater than
  24  *      zero. When there is no packet to be transmitted the amount of
  25  *      credits is set to zero. This is the main tunable of the CBS
  26  *      algorithm.
  27  *
  28  *      'sendslope':
  29  *      Sendslope is the rate of credits that is depleted (it should be a
  30  *      negative number of kilobits per second) when a transmission is
  31  *      ocurring. It can be calculated as follows, (IEEE 802.1Q-2014 Section
  32  *      8.6.8.2 item g):
  33  *
  34  *      sendslope = idleslope - port_transmit_rate
  35  *
  36  *      'hicredit': Hicredit defines the maximum amount of credits (in
  37  *      bytes) that can be accumulated. Hicredit depends on the
  38  *      characteristics of interfering traffic,
  39  *      'max_interference_size' is the maximum size of any burst of
  40  *      traffic that can delay the transmission of a frame that is
  41  *      available for transmission for this traffic class, (IEEE
  42  *      802.1Q-2014 Annex L, Equation L-3):
  43  *
  44  *      hicredit = max_interference_size * (idleslope / port_transmit_rate)
  45  *
  46  *      'locredit': Locredit is the minimum amount of credits that can
  47  *      be reached. It is a function of the traffic flowing through
  48  *      this qdisc (IEEE 802.1Q-2014 Annex L, Equation L-2):
  49  *
  50  *      locredit = max_frame_size * (sendslope / port_transmit_rate)
  51  */
  52
  53 #include <linux/module.h>
  54 #include <linux/types.h>
  55 #include <linux/kernel.h>
  56 #include <linux/string.h>
  57 #include <linux/errno.h>
  58 #include <linux/skbuff.h>
  59 #include <net/netevent.h>
  60 #include <net/netlink.h>
  61 #include <net/sch_generic.h>
  62 #include <net/pkt_sched.h>
  63
  64 static LIST_HEAD(cbs_list);
  65 static DEFINE_SPINLOCK(cbs_list_lock);
  66
  67 #define BYTES_PER_KBIT (1000LL / 8)
  68
  69 struct cbs_sched_data {
  70         bool offload;
  71         int queue;
  72         atomic64_t port_rate; /* in bytes/s */
  73         s64 last; /* timestamp in ns */
  74         s64 credits; /* in bytes */
  75         s32 locredit; /* in bytes */
  76         s32 hicredit; /* in bytes */
  77         s64 sendslope; /* in bytes/s */
  78         s64 idleslope; /* in bytes/s */
  79         struct qdisc_watchdog watchdog;
  80         int (*enqueue)(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
  81                        struct sk_buff **to_free);
  82         struct sk_buff *(*dequeue)(struct Qdisc *sch);
  83         struct Qdisc *qdisc;
  84         struct list_head cbs_list;
  85 };
  86
  87 static int cbs_child_enqueue(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
  88                              struct Qdisc *child,
  89                              struct sk_buff **to_free)
  90 {
  91         unsigned int len = qdisc_pkt_len(skb);
  92         int err;
  93
  94         err = child->ops->enqueue(skb, child, to_free);
  95         if (err != NET_XMIT_SUCCESS)
  96                 return err;
  97
  98         sch->qstats.backlog += len;
  99         sch->q.qlen++;
 100
 101         return NET_XMIT_SUCCESS;
 102 }
 103
 104 static int cbs_enqueue_offload(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
 105                                struct sk_buff **to_free)
 106 {
 107         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 108         struct Qdisc *qdisc = q->qdisc;
 109
 110         return cbs_child_enqueue(skb, sch, qdisc, to_free);
 111 }
 112
 113 static int cbs_enqueue_soft(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
 114                             struct sk_buff **to_free)
 115 {
 116         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 117         struct Qdisc *qdisc = q->qdisc;
 118
 119         if (sch->q.qlen == 0 && q->credits > 0) {
 120                 /* We need to stop accumulating credits when there's
 121                  * no enqueued packets and q->credits is positive.
 122                  */
 123                 q->credits = 0;
 124                 q->last = ktime_get_ns();
 125         }
 126
 127         return cbs_child_enqueue(skb, sch, qdisc, to_free);
 128 }
 129
 130 static int cbs_enqueue(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
 131                        struct sk_buff **to_free)
 132 {
 133         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 134
 135         return q->enqueue(skb, sch, to_free);
 136 }
 137
 138 /* timediff is in ns, slope is in bytes/s */
 139 static s64 timediff_to_credits(s64 timediff, s64 slope)
 140 {
 141         return div64_s64(timediff * slope, NSEC_PER_SEC);
 142 }
 143
 144 static s64 delay_from_credits(s64 credits, s64 slope)
 145 {
 146         if (unlikely(slope == 0))
 147                 return S64_MAX;
 148
 149         return div64_s64(-credits * NSEC_PER_SEC, slope);
 150 }
 151
 152 static s64 credits_from_len(unsigned int len, s64 slope, s64 port_rate)
 153 {
 154         if (unlikely(port_rate == 0))
 155                 return S64_MAX;
 156
 157         return div64_s64(len * slope, port_rate);
 158 }
 159
 160 static struct sk_buff *cbs_child_dequeue(struct Qdisc *sch, struct Qdisc *child)
 161 {
 162         struct sk_buff *skb;
 163
 164         skb = child->ops->dequeue(child);
 165         if (!skb)
 166                 return NULL;
 167
 168         qdisc_qstats_backlog_dec(sch, skb);
 169         qdisc_bstats_update(sch, skb);
 170         sch->q.qlen--;
 171
 172         return skb;
 173 }
 174
 175 static struct sk_buff *cbs_dequeue_soft(struct Qdisc *sch)
 176 {
 177         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 178         struct Qdisc *qdisc = q->qdisc;
 179         s64 now = ktime_get_ns();
 180         struct sk_buff *skb;
 181         s64 credits;
 182         int len;
 183
 184         if (atomic64_read(&q->port_rate) == -1) {
 185                 WARN_ONCE(1, "cbs: dequeue() called with unknown port rate.");
 186                 return NULL;
 187         }
 188
 189         if (q->credits < 0) {
 190                 credits = timediff_to_credits(now - q->last, q->idleslope);
 191
 192                 credits = q->credits + credits;
 193                 q->credits = min_t(s64, credits, q->hicredit);
 194
 195                 if (q->credits < 0) {
 196                         s64 delay;
 197
 198                         delay = delay_from_credits(q->credits, q->idleslope);
 199                         qdisc_watchdog_schedule_ns(&q->watchdog, now + delay);
 200
 201                         q->last = now;
 202
 203                         return NULL;
 204                 }
 205         }
 206         skb = cbs_child_dequeue(sch, qdisc);
 207         if (!skb)
 208                 return NULL;
 209
 210         len = qdisc_pkt_len(skb);
 211
 212         /* As sendslope is a negative number, this will decrease the
 213          * amount of q->credits.
 214          */
 215         credits = credits_from_len(len, q->sendslope,
 216                                    atomic64_read(&q->port_rate));
 217         credits += q->credits;
 218
 219         q->credits = max_t(s64, credits, q->locredit);
 220         q->last = now;
 221
 222         return skb;
 223 }
 224
 225 static struct sk_buff *cbs_dequeue_offload(struct Qdisc *sch)
 226 {
 227         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 228         struct Qdisc *qdisc = q->qdisc;
 229
 230         return cbs_child_dequeue(sch, qdisc);
 231 }
 232
 233 static struct sk_buff *cbs_dequeue(struct Qdisc *sch)
 234 {
 235         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 236
 237         return q->dequeue(sch);
 238 }
 239
 240 static const struct nla_policy cbs_policy[TCA_CBS_MAX + 1] = {
 241         [TCA_CBS_PARMS] = { .len = sizeof(struct tc_cbs_qopt) },
 242 };
 243
 244 static void cbs_disable_offload(struct net_device *dev,
 245                                 struct cbs_sched_data *q)
 246 {
 247         struct tc_cbs_qopt_offload cbs = { };
 248         const struct net_device_ops *ops;
 249         int err;
 250
 251         if (!q->offload)
 252                 return;
 253
 254         q->enqueue = cbs_enqueue_soft;
 255         q->dequeue = cbs_dequeue_soft;
 256
 257         ops = dev->netdev_ops;
 258         if (!ops->ndo_setup_tc)
 259                 return;
 260
 261         cbs.queue = q->queue;
 262         cbs.enable = 0;
 263
 264         err = ops->ndo_setup_tc(dev, TC_SETUP_QDISC_CBS, &cbs);
 265         if (err < 0)
 266                 pr_warn("Couldn't disable CBS offload for queue %d\n",
 267                         cbs.queue);
 268 }
 269
 270 static int cbs_enable_offload(struct net_device *dev, struct cbs_sched_data *q,
 271                               const struct tc_cbs_qopt *opt,
 272                               struct netlink_ext_ack *extack)
 273 {
 274         const struct net_device_ops *ops = dev->netdev_ops;
 275         struct tc_cbs_qopt_offload cbs = { };
 276         int err;
 277
 278         if (!ops->ndo_setup_tc) {
 279                 NL_SET_ERR_MSG(extack, "Specified device does not support cbs offload");
 280                 return -EOPNOTSUPP;
 281         }
 282
 283         cbs.queue = q->queue;
 284
 285         cbs.enable = 1;
 286         cbs.hicredit = opt->hicredit;
 287         cbs.locredit = opt->locredit;
 288         cbs.idleslope = opt->idleslope;
 289         cbs.sendslope = opt->sendslope;
 290
 291         err = ops->ndo_setup_tc(dev, TC_SETUP_QDISC_CBS, &cbs);
 292         if (err < 0) {
 293                 NL_SET_ERR_MSG(extack, "Specified device failed to setup cbs hardware offload");
 294                 return err;
 295         }
 296
 297         q->enqueue = cbs_enqueue_offload;
 298         q->dequeue = cbs_dequeue_offload;
 299
 300         return 0;
 301 }
 302
 303 static void cbs_set_port_rate(struct net_device *dev, struct cbs_sched_data *q)
 304 {
 305         struct ethtool_link_ksettings ecmd;
 306         int port_rate = -1;
 307
 308         if (!__ethtool_get_link_ksettings(dev, &ecmd) &&
 309             ecmd.base.speed != SPEED_UNKNOWN)
 310                 port_rate = ecmd.base.speed * 1000 * BYTES_PER_KBIT;
 311
 312         atomic64_set(&q->port_rate, port_rate);
 313         netdev_dbg(dev, "cbs: set %s's port_rate to: %lld, linkspeed: %d\n",
 314                    dev->name, (long long)atomic64_read(&q->port_rate),
 315                    ecmd.base.speed);
 316 }
 317
 318 static int cbs_dev_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long event,
 319                             void *ptr)
 320 {
 321         struct net_device *dev = netdev_notifier_info_to_dev(ptr);
 322         struct cbs_sched_data *q;
 323         struct net_device *qdev;
 324         bool found = false;
 325
 326         ASSERT_RTNL();
 327
 328         if (event != NETDEV_UP && event != NETDEV_CHANGE)
 329                 return NOTIFY_DONE;
 330
 331         spin_lock(&cbs_list_lock);
 332         list_for_each_entry(q, &cbs_list, cbs_list) {
 333                 qdev = qdisc_dev(q->qdisc);
 334                 if (qdev == dev) {
 335                         found = true;
 336                         break;
 337                 }
 338         }
 339         spin_unlock(&cbs_list_lock);
 340
 341         if (found)
 342                 cbs_set_port_rate(dev, q);
 343
 344         return NOTIFY_DONE;
 345 }
 346
 347 static int cbs_change(struct Qdisc *sch, struct nlattr *opt,
 348                       struct netlink_ext_ack *extack)
 349 {
 350         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 351         struct net_device *dev = qdisc_dev(sch);
 352         struct nlattr *tb[TCA_CBS_MAX + 1];
 353         struct tc_cbs_qopt *qopt;
 354         int err;
 355
 356         err = nla_parse_nested_deprecated(tb, TCA_CBS_MAX, opt, cbs_policy,
 357                                           extack);
 358         if (err < 0)
 359                 return err;
 360
 361         if (!tb[TCA_CBS_PARMS]) {
 362                 NL_SET_ERR_MSG(extack, "Missing CBS parameter which are mandatory");
 363                 return -EINVAL;
 364         }
 365
 366         qopt = nla_data(tb[TCA_CBS_PARMS]);
 367
 368         if (!qopt->offload) {
 369                 cbs_set_port_rate(dev, q);
 370                 cbs_disable_offload(dev, q);
 371         } else {
 372                 err = cbs_enable_offload(dev, q, qopt, extack);
 373                 if (err < 0)
 374                         return err;
 375         }
 376
 377         /* Everything went OK, save the parameters used. */
 378         q->hicredit = qopt->hicredit;
 379         q->locredit = qopt->locredit;
 380         q->idleslope = qopt->idleslope * BYTES_PER_KBIT;
 381         q->sendslope = qopt->sendslope * BYTES_PER_KBIT;
 382         q->offload = qopt->offload;
 383
 384         return 0;
 385 }
 386
 387 static int cbs_init(struct Qdisc *sch, struct nlattr *opt,
 388                     struct netlink_ext_ack *extack)
 389 {
 390         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 391         struct net_device *dev = qdisc_dev(sch);
 392         int err;
 393
 394         if (!opt) {
 395                 NL_SET_ERR_MSG(extack, "Missing CBS qdisc options  which are mandatory");
 396                 return -EINVAL;
 397         }
 398
 399         q->qdisc = qdisc_create_dflt(sch->dev_queue, &pfifo_qdisc_ops,
 400                                      sch->handle, extack);
 401         if (!q->qdisc)
 402                 return -ENOMEM;
 403
 404         qdisc_hash_add(q->qdisc, false);
 405
 406         q->queue = sch->dev_queue - netdev_get_tx_queue(dev, 0);
 407
 408         q->enqueue = cbs_enqueue_soft;
 409         q->dequeue = cbs_dequeue_soft;
 410
 411         qdisc_watchdog_init(&q->watchdog, sch);
 412
 413         err = cbs_change(sch, opt, extack);
 414         if (err)
 415                 return err;
 416
 417         if (!q->offload) {
 418                 spin_lock(&cbs_list_lock);
 419                 list_add(&q->cbs_list, &cbs_list);
 420                 spin_unlock(&cbs_list_lock);
 421         }
 422
 423         return 0;
 424 }
 425
 426 static void cbs_destroy(struct Qdisc *sch)
 427 {
 428         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 429         struct net_device *dev = qdisc_dev(sch);
 430
 431         spin_lock(&cbs_list_lock);
 432         list_del(&q->cbs_list);
 433         spin_unlock(&cbs_list_lock);
 434
 435         qdisc_watchdog_cancel(&q->watchdog);
 436         cbs_disable_offload(dev, q);
 437
 438         if (q->qdisc)
 439                 qdisc_put(q->qdisc);
 440 }
 441
 442 static int cbs_dump(struct Qdisc *sch, struct sk_buff *skb)
 443 {
 444         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 445         struct tc_cbs_qopt opt = { };
 446         struct nlattr *nest;
 447
 448         nest = nla_nest_start_noflag(skb, TCA_OPTIONS);
 449         if (!nest)
 450                 goto nla_put_failure;
 451
 452         opt.hicredit = q->hicredit;
 453         opt.locredit = q->locredit;
 454         opt.sendslope = div64_s64(q->sendslope, BYTES_PER_KBIT);
 455         opt.idleslope = div64_s64(q->idleslope, BYTES_PER_KBIT);
 456         opt.offload = q->offload;
 457
 458         if (nla_put(skb, TCA_CBS_PARMS, sizeof(opt), &opt))
 459                 goto nla_put_failure;
 460
 461         return nla_nest_end(skb, nest);
 462
 463 nla_put_failure:
 464         nla_nest_cancel(skb, nest);
 465         return -1;
 466 }
 467
 468 static int cbs_dump_class(struct Qdisc *sch, unsigned long cl,
 469                           struct sk_buff *skb, struct tcmsg *tcm)
 470 {
 471         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 472
 473         if (cl != 1 || !q->qdisc)       /* only one class */
 474                 return -ENOENT;
 475
 476         tcm->tcm_handle |= TC_H_MIN(1);
 477         tcm->tcm_info = q->qdisc->handle;
 478
 479         return 0;
 480 }
 481
 482 static int cbs_graft(struct Qdisc *sch, unsigned long arg, struct Qdisc *new,
 483                      struct Qdisc **old, struct netlink_ext_ack *extack)
 484 {
 485         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 486
 487         if (!new) {
 488                 new = qdisc_create_dflt(sch->dev_queue, &pfifo_qdisc_ops,
 489                                         sch->handle, NULL);
 490                 if (!new)
 491                         new = &noop_qdisc;
 492         }
 493
 494         *old = qdisc_replace(sch, new, &q->qdisc);
 495         return 0;
 496 }
 497
 498 static struct Qdisc *cbs_leaf(struct Qdisc *sch, unsigned long arg)
 499 {
 500         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 501
 502         return q->qdisc;
 503 }
 504
 505 static unsigned long cbs_find(struct Qdisc *sch, u32 classid)
 506 {
 507         return 1;
 508 }
 509
 510 static void cbs_walk(struct Qdisc *sch, struct qdisc_walker *walker)
 511 {
 512         if (!walker->stop) {
 513                 if (walker->count >= walker->skip) {
 514                         if (walker->fn(sch, 1, walker) < 0) {
 515                                 walker->stop = 1;
 516                                 return;
 517                         }
 518                 }
 519                 walker->count++;
 520         }
 521 }
 522
 523 static const struct Qdisc_class_ops cbs_class_ops = {
 524         .graft          =       cbs_graft,
 525         .leaf           =       cbs_leaf,
 526         .find           =       cbs_find,
 527         .walk           =       cbs_walk,
 528         .dump           =       cbs_dump_class,
 529 };
 530
 531 static struct Qdisc_ops cbs_qdisc_ops __read_mostly = {
 532         .id             =       "cbs",
 533         .cl_ops         =       &cbs_class_ops,
 534         .priv_size      =       sizeof(struct cbs_sched_data),
 535         .enqueue        =       cbs_enqueue,
 536         .dequeue        =       cbs_dequeue,
 537         .peek           =       qdisc_peek_dequeued,
 538         .init           =       cbs_init,
 539         .reset          =       qdisc_reset_queue,
 540         .destroy        =       cbs_destroy,
 541         .change         =       cbs_change,
 542         .dump           =       cbs_dump,
 543         .owner          =       THIS_MODULE,
 544 };
 545
 546 static struct notifier_block cbs_device_notifier = {
 547         .notifier_call = cbs_dev_notifier,
 548 };
 549
 550 static int __init cbs_module_init(void)
 551 {
 552         int err;
 553
 554         err = register_netdevice_notifier(&cbs_device_notifier);
 555         if (err)
 556                 return err;
 557
 558         err = register_qdisc(&cbs_qdisc_ops);
 559         if (err)
 560                 unregister_netdevice_notifier(&cbs_device_notifier);
 561
 562         return err;
 563 }
 564
 565 static void __exit cbs_module_exit(void)
 566 {
 567         unregister_qdisc(&cbs_qdisc_ops);
 568         unregister_netdevice_notifier(&cbs_device_notifier);
 569 }
 570 module_init(cbs_module_init)
 571 module_exit(cbs_module_exit)
 572 MODULE_LICENSE("GPL");