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 (q->credits < 0) {
 185                 credits = timediff_to_credits(now - q->last, q->idleslope);
 186
 187                 credits = q->credits + credits;
 188                 q->credits = min_t(s64, credits, q->hicredit);
 189
 190                 if (q->credits < 0) {
 191                         s64 delay;
 192
 193                         delay = delay_from_credits(q->credits, q->idleslope);
 194                         qdisc_watchdog_schedule_ns(&q->watchdog, now + delay);
 195
 196                         q->last = now;
 197
 198                         return NULL;
 199                 }
 200         }
 201         skb = cbs_child_dequeue(sch, qdisc);
 202         if (!skb)
 203                 return NULL;
 204
 205         len = qdisc_pkt_len(skb);
 206
 207         /* As sendslope is a negative number, this will decrease the
 208          * amount of q->credits.
 209          */
 210         credits = credits_from_len(len, q->sendslope,
 211                                    atomic64_read(&q->port_rate));
 212         credits += q->credits;
 213
 214         q->credits = max_t(s64, credits, q->locredit);
 215         q->last = now;
 216
 217         return skb;
 218 }
 219
 220 static struct sk_buff *cbs_dequeue_offload(struct Qdisc *sch)
 221 {
 222         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 223         struct Qdisc *qdisc = q->qdisc;
 224
 225         return cbs_child_dequeue(sch, qdisc);
 226 }
 227
 228 static struct sk_buff *cbs_dequeue(struct Qdisc *sch)
 229 {
 230         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 231
 232         return q->dequeue(sch);
 233 }
 234
 235 static const struct nla_policy cbs_policy[TCA_CBS_MAX + 1] = {
 236         [TCA_CBS_PARMS] = { .len = sizeof(struct tc_cbs_qopt) },
 237 };
 238
 239 static void cbs_disable_offload(struct net_device *dev,
 240                                 struct cbs_sched_data *q)
 241 {
 242         struct tc_cbs_qopt_offload cbs = { };
 243         const struct net_device_ops *ops;
 244         int err;
 245
 246         if (!q->offload)
 247                 return;
 248
 249         q->enqueue = cbs_enqueue_soft;
 250         q->dequeue = cbs_dequeue_soft;
 251
 252         ops = dev->netdev_ops;
 253         if (!ops->ndo_setup_tc)
 254                 return;
 255
 256         cbs.queue = q->queue;
 257         cbs.enable = 0;
 258
 259         err = ops->ndo_setup_tc(dev, TC_SETUP_QDISC_CBS, &cbs);
 260         if (err < 0)
 261                 pr_warn("Couldn't disable CBS offload for queue %d\n",
 262                         cbs.queue);
 263 }
 264
 265 static int cbs_enable_offload(struct net_device *dev, struct cbs_sched_data *q,
 266                               const struct tc_cbs_qopt *opt,
 267                               struct netlink_ext_ack *extack)
 268 {
 269         const struct net_device_ops *ops = dev->netdev_ops;
 270         struct tc_cbs_qopt_offload cbs = { };
 271         int err;
 272
 273         if (!ops->ndo_setup_tc) {
 274                 NL_SET_ERR_MSG(extack, "Specified device does not support cbs offload");
 275                 return -EOPNOTSUPP;
 276         }
 277
 278         cbs.queue = q->queue;
 279
 280         cbs.enable = 1;
 281         cbs.hicredit = opt->hicredit;
 282         cbs.locredit = opt->locredit;
 283         cbs.idleslope = opt->idleslope;
 284         cbs.sendslope = opt->sendslope;
 285
 286         err = ops->ndo_setup_tc(dev, TC_SETUP_QDISC_CBS, &cbs);
 287         if (err < 0) {
 288                 NL_SET_ERR_MSG(extack, "Specified device failed to setup cbs hardware offload");
 289                 return err;
 290         }
 291
 292         q->enqueue = cbs_enqueue_offload;
 293         q->dequeue = cbs_dequeue_offload;
 294
 295         return 0;
 296 }
 297
 298 static void cbs_set_port_rate(struct net_device *dev, struct cbs_sched_data *q)
 299 {
 300         struct ethtool_link_ksettings ecmd;
 301         int speed = SPEED_10;
 302         int port_rate;
 303         int err;
 304
 305         err = __ethtool_get_link_ksettings(dev, &ecmd);
 306         if (err < 0)
 307                 goto skip;
 308
 309         if (ecmd.base.speed && ecmd.base.speed != SPEED_UNKNOWN)
 310                 speed = ecmd.base.speed;
 311
 312 skip:
 313         port_rate = speed * 1000 * BYTES_PER_KBIT;
 314
 315         atomic64_set(&q->port_rate, port_rate);
 316         netdev_dbg(dev, "cbs: set %s's port_rate to: %lld, linkspeed: %d\n",
 317                    dev->name, (long long)atomic64_read(&q->port_rate),
 318                    ecmd.base.speed);
 319 }
 320
 321 static int cbs_dev_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long event,
 322                             void *ptr)
 323 {
 324         struct net_device *dev = netdev_notifier_info_to_dev(ptr);
 325         struct cbs_sched_data *q;
 326         struct net_device *qdev;
 327         bool found = false;
 328
 329         ASSERT_RTNL();
 330
 331         if (event != NETDEV_UP && event != NETDEV_CHANGE)
 332                 return NOTIFY_DONE;
 333
 334         spin_lock(&cbs_list_lock);
 335         list_for_each_entry(q, &cbs_list, cbs_list) {
 336                 qdev = qdisc_dev(q->qdisc);
 337                 if (qdev == dev) {
 338                         found = true;
 339                         break;
 340                 }
 341         }
 342         spin_unlock(&cbs_list_lock);
 343
 344         if (found)
 345                 cbs_set_port_rate(dev, q);
 346
 347         return NOTIFY_DONE;
 348 }
 349
 350 static int cbs_change(struct Qdisc *sch, struct nlattr *opt,
 351                       struct netlink_ext_ack *extack)
 352 {
 353         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 354         struct net_device *dev = qdisc_dev(sch);
 355         struct nlattr *tb[TCA_CBS_MAX + 1];
 356         struct tc_cbs_qopt *qopt;
 357         int err;
 358
 359         err = nla_parse_nested_deprecated(tb, TCA_CBS_MAX, opt, cbs_policy,
 360                                           extack);
 361         if (err < 0)
 362                 return err;
 363
 364         if (!tb[TCA_CBS_PARMS]) {
 365                 NL_SET_ERR_MSG(extack, "Missing CBS parameter which are mandatory");
 366                 return -EINVAL;
 367         }
 368
 369         qopt = nla_data(tb[TCA_CBS_PARMS]);
 370
 371         if (!qopt->offload) {
 372                 cbs_set_port_rate(dev, q);
 373                 cbs_disable_offload(dev, q);
 374         } else {
 375                 err = cbs_enable_offload(dev, q, qopt, extack);
 376                 if (err < 0)
 377                         return err;
 378         }
 379
 380         /* Everything went OK, save the parameters used. */
 381         q->hicredit = qopt->hicredit;
 382         q->locredit = qopt->locredit;
 383         q->idleslope = qopt->idleslope * BYTES_PER_KBIT;
 384         q->sendslope = qopt->sendslope * BYTES_PER_KBIT;
 385         q->offload = qopt->offload;
 386
 387         return 0;
 388 }
 389
 390 static int cbs_init(struct Qdisc *sch, struct nlattr *opt,
 391                     struct netlink_ext_ack *extack)
 392 {
 393         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 394         struct net_device *dev = qdisc_dev(sch);
 395
 396         if (!opt) {
 397                 NL_SET_ERR_MSG(extack, "Missing CBS qdisc options  which are mandatory");
 398                 return -EINVAL;
 399         }
 400
 401         q->qdisc = qdisc_create_dflt(sch->dev_queue, &pfifo_qdisc_ops,
 402                                      sch->handle, extack);
 403         if (!q->qdisc)
 404                 return -ENOMEM;
 405
 406         spin_lock(&cbs_list_lock);
 407         list_add(&q->cbs_list, &cbs_list);
 408         spin_unlock(&cbs_list_lock);
 409
 410         qdisc_hash_add(q->qdisc, false);
 411
 412         q->queue = sch->dev_queue - netdev_get_tx_queue(dev, 0);
 413
 414         q->enqueue = cbs_enqueue_soft;
 415         q->dequeue = cbs_dequeue_soft;
 416
 417         qdisc_watchdog_init(&q->watchdog, sch);
 418
 419         return cbs_change(sch, opt, extack);
 420 }
 421
 422 static void cbs_destroy(struct Qdisc *sch)
 423 {
 424         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 425         struct net_device *dev = qdisc_dev(sch);
 426
 427         /* Nothing to do if we couldn't create the underlying qdisc */
 428         if (!q->qdisc)
 429                 return;
 430
 431         qdisc_watchdog_cancel(&q->watchdog);
 432         cbs_disable_offload(dev, q);
 433
 434         spin_lock(&cbs_list_lock);
 435         list_del(&q->cbs_list);
 436         spin_unlock(&cbs_list_lock);
 437
 438         qdisc_put(q->qdisc);
 439 }
 440
 441 static int cbs_dump(struct Qdisc *sch, struct sk_buff *skb)
 442 {
 443         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 444         struct tc_cbs_qopt opt = { };
 445         struct nlattr *nest;
 446
 447         nest = nla_nest_start_noflag(skb, TCA_OPTIONS);
 448         if (!nest)
 449                 goto nla_put_failure;
 450
 451         opt.hicredit = q->hicredit;
 452         opt.locredit = q->locredit;
 453         opt.sendslope = div64_s64(q->sendslope, BYTES_PER_KBIT);
 454         opt.idleslope = div64_s64(q->idleslope, BYTES_PER_KBIT);
 455         opt.offload = q->offload;
 456
 457         if (nla_put(skb, TCA_CBS_PARMS, sizeof(opt), &opt))
 458                 goto nla_put_failure;
 459
 460         return nla_nest_end(skb, nest);
 461
 462 nla_put_failure:
 463         nla_nest_cancel(skb, nest);
 464         return -1;
 465 }
 466
 467 static int cbs_dump_class(struct Qdisc *sch, unsigned long cl,
 468                           struct sk_buff *skb, struct tcmsg *tcm)
 469 {
 470         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 471
 472         if (cl != 1 || !q->qdisc)       /* only one class */
 473                 return -ENOENT;
 474
 475         tcm->tcm_handle |= TC_H_MIN(1);
 476         tcm->tcm_info = q->qdisc->handle;
 477
 478         return 0;
 479 }
 480
 481 static int cbs_graft(struct Qdisc *sch, unsigned long arg, struct Qdisc *new,
 482                      struct Qdisc **old, struct netlink_ext_ack *extack)
 483 {
 484         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 485
 486         if (!new) {
 487                 new = qdisc_create_dflt(sch->dev_queue, &pfifo_qdisc_ops,
 488                                         sch->handle, NULL);
 489                 if (!new)
 490                         new = &noop_qdisc;
 491         }
 492
 493         *old = qdisc_replace(sch, new, &q->qdisc);
 494         return 0;
 495 }
 496
 497 static struct Qdisc *cbs_leaf(struct Qdisc *sch, unsigned long arg)
 498 {
 499         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 500
 501         return q->qdisc;
 502 }
 503
 504 static unsigned long cbs_find(struct Qdisc *sch, u32 classid)
 505 {
 506         return 1;
 507 }
 508
 509 static void cbs_walk(struct Qdisc *sch, struct qdisc_walker *walker)
 510 {
 511         if (!walker->stop) {
 512                 if (walker->count >= walker->skip) {
 513                         if (walker->fn(sch, 1, walker) < 0) {
 514                                 walker->stop = 1;
 515                                 return;
 516                         }
 517                 }
 518                 walker->count++;
 519         }
 520 }
 521
 522 static const struct Qdisc_class_ops cbs_class_ops = {
 523         .graft          =       cbs_graft,
 524         .leaf           =       cbs_leaf,
 525         .find           =       cbs_find,
 526         .walk           =       cbs_walk,
 527         .dump           =       cbs_dump_class,
 528 };
 529
 530 static struct Qdisc_ops cbs_qdisc_ops __read_mostly = {
 531         .id             =       "cbs",
 532         .cl_ops         =       &cbs_class_ops,
 533         .priv_size      =       sizeof(struct cbs_sched_data),
 534         .enqueue        =       cbs_enqueue,
 535         .dequeue        =       cbs_dequeue,
 536         .peek           =       qdisc_peek_dequeued,
 537         .init           =       cbs_init,
 538         .reset          =       qdisc_reset_queue,
 539         .destroy        =       cbs_destroy,
 540         .change         =       cbs_change,
 541         .dump           =       cbs_dump,
 542         .owner          =       THIS_MODULE,
 543 };
 544
 545 static struct notifier_block cbs_device_notifier = {
 546         .notifier_call = cbs_dev_notifier,
 547 };
 548
 549 static int __init cbs_module_init(void)
 550 {
 551         int err;
 552
 553         err = register_netdevice_notifier(&cbs_device_notifier);
 554         if (err)
 555                 return err;
 556
 557         err = register_qdisc(&cbs_qdisc_ops);
 558         if (err)
 559                 unregister_netdevice_notifier(&cbs_device_notifier);
 560
 561         return err;
 562 }
 563
 564 static void __exit cbs_module_exit(void)
 565 {
 566         unregister_qdisc(&cbs_qdisc_ops);
 567         unregister_netdevice_notifier(&cbs_device_notifier);
 568 }
 569 module_init(cbs_module_init)
 570 module_exit(cbs_module_exit)
 571 MODULE_LICENSE("GPL");