net/sched/sch_tbf.c

   1 /*
   2  * net/sched/sch_tbf.c  Token Bucket Filter queue.
   3  *
   4  *              This program is free software; you can redistribute it and/or
   5  *              modify it under the terms of the GNU General Public License
   6  *              as published by the Free Software Foundation; either version
   7  *              2 of the License, or (at your option) any later version.
   8  *
   9  * Authors:     Alexey Kuznetsov, <kuznet@ms2.inr.ac.ru>
  10  *              Dmitry Torokhov <dtor@mail.ru> - allow attaching inner qdiscs -
  11  *                                               original idea by Martin Devera
  12  *
  13  */
  14
  15 #include <linux/module.h>
  16 #include <linux/types.h>
  17 #include <linux/kernel.h>
  18 #include <linux/string.h>
  19 #include <linux/errno.h>
  20 #include <linux/skbuff.h>
  21 #include <net/netlink.h>
  22 #include <net/sch_generic.h>
  23 #include <net/pkt_sched.h>
  24
  25
  26 /*      Simple Token Bucket Filter.
  27         =======================================
  28
  29         SOURCE.
  30         -------
  31
  32         None.
  33
  34         Description.
  35         ------------
  36
  37         A data flow obeys TBF with rate R and depth B, if for any
  38         time interval t_i...t_f the number of transmitted bits
  39         does not exceed B + R*(t_f-t_i).
  40
  41         Packetized version of this definition:
  42         The sequence of packets of sizes s_i served at moments t_i
  43         obeys TBF, if for any i<=k:
  44
  45         s_i+....+s_k <= B + R*(t_k - t_i)
  46
  47         Algorithm.
  48         ----------
  49
  50         Let N(t_i) be B/R initially and N(t) grow continuously with time as:
  51
  52         N(t+delta) = min{B/R, N(t) + delta}
  53
  54         If the first packet in queue has length S, it may be
  55         transmitted only at the time t_* when S/R <= N(t_*),
  56         and in this case N(t) jumps:
  57
  58         N(t_* + 0) = N(t_* - 0) - S/R.
  59
  60
  61
  62         Actually, QoS requires two TBF to be applied to a data stream.
  63         One of them controls steady state burst size, another
  64         one with rate P (peak rate) and depth M (equal to link MTU)
  65         limits bursts at a smaller time scale.
  66
  67         It is easy to see that P>R, and B>M. If P is infinity, this double
  68         TBF is equivalent to a single one.
  69
  70         When TBF works in reshaping mode, latency is estimated as:
  71
  72         lat = max ((L-B)/R, (L-M)/P)
  73
  74
  75         NOTES.
  76         ------
  77
  78         If TBF throttles, it starts a watchdog timer, which will wake it up
  79         when it is ready to transmit.
  80         Note that the minimal timer resolution is 1/HZ.
  81         If no new packets arrive during this period,
  82         or if the device is not awaken by EOI for some previous packet,
  83         TBF can stop its activity for 1/HZ.
  84
  85
  86         This means, that with depth B, the maximal rate is
  87
  88         R_crit = B*HZ
  89
  90         F.e. for 10Mbit ethernet and HZ=100 the minimal allowed B is ~10Kbytes.
  91
  92         Note that the peak rate TBF is much more tough: with MTU 1500
  93         P_crit = 150Kbytes/sec. So, if you need greater peak
  94         rates, use alpha with HZ=1000 :-)
  95
  96         With classful TBF, limit is just kept for backwards compatibility.
  97         It is passed to the default bfifo qdisc - if the inner qdisc is
  98         changed the limit is not effective anymore.
  99 */
 100
 101 struct tbf_sched_data {
 102 /* Parameters */
 103         u32             limit;          /* Maximal length of backlog: bytes */
 104         u32             max_size;
 105         s64             buffer;         /* Token bucket depth/rate: MUST BE >= MTU/B */
 106         s64             mtu;
 107         struct psched_ratecfg rate;
 108         struct psched_ratecfg peak;
 109
 110 /* Variables */
 111         s64     tokens;                 /* Current number of B tokens */
 112         s64     ptokens;                /* Current number of P tokens */
 113         s64     t_c;                    /* Time check-point */
 114         struct Qdisc    *qdisc;         /* Inner qdisc, default - bfifo queue */
 115         struct qdisc_watchdog watchdog; /* Watchdog timer */
 116 };
 117
 118
 119 /* Time to Length, convert time in ns to length in bytes
 120  * to determinate how many bytes can be sent in given time.
 121  */
 122 static u64 psched_ns_t2l(const struct psched_ratecfg *r,
 123                          u64 time_in_ns)
 124 {
 125         /* The formula is :
 126          * len = (time_in_ns * r->rate_bytes_ps) / NSEC_PER_SEC
 127          */
 128         u64 len = time_in_ns * r->rate_bytes_ps;
 129
 130         do_div(len, NSEC_PER_SEC);
 131
 132         if (unlikely(r->linklayer == TC_LINKLAYER_ATM)) {
 133                 do_div(len, 53);
 134                 len = len * 48;
 135         }
 136
 137         if (len > r->overhead)
 138                 len -= r->overhead;
 139         else
 140                 len = 0;
 141
 142         return len;
 143 }
 144
 145 /* GSO packet is too big, segment it so that tbf can transmit
 146  * each segment in time
 147  */
 148 static int tbf_segment(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
 149                        struct sk_buff **to_free)
 150 {
 151         struct tbf_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 152         struct sk_buff *segs, *nskb;
 153         netdev_features_t features = netif_skb_features(skb);
 154         unsigned int len = 0, prev_len = qdisc_pkt_len(skb);
 155         int ret, nb;
 156
 157         segs = skb_gso_segment(skb, features & ~NETIF_F_GSO_MASK);
 158
 159         if (IS_ERR_OR_NULL(segs))
 160                 return qdisc_drop(skb, sch, to_free);
 161
 162         nb = 0;
 163         while (segs) {
 164                 nskb = segs->next;
 165                 segs->next = NULL;
 166                 qdisc_skb_cb(segs)->pkt_len = segs->len;
 167                 len += segs->len;
 168                 ret = qdisc_enqueue(segs, q->qdisc, to_free);
 169                 if (ret != NET_XMIT_SUCCESS) {
 170                         if (net_xmit_drop_count(ret))
 171                                 qdisc_qstats_drop(sch);
 172                 } else {
 173                         nb++;
 174                 }
 175                 segs = nskb;
 176         }
 177         sch->q.qlen += nb;
 178         if (nb > 1)
 179                 qdisc_tree_reduce_backlog(sch, 1 - nb, prev_len - len);
 180         consume_skb(skb);
 181         return nb > 0 ? NET_XMIT_SUCCESS : NET_XMIT_DROP;
 182 }
 183
 184 static int tbf_enqueue(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
 185                        struct sk_buff **to_free)
 186 {
 187         struct tbf_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 188         int ret;
 189
 190         if (qdisc_pkt_len(skb) > q->max_size) {
 191                 if (skb_is_gso(skb) &&
 192                     skb_gso_validate_mac_len(skb, q->max_size))
 193                         return tbf_segment(skb, sch, to_free);
 194                 return qdisc_drop(skb, sch, to_free);
 195         }
 196         ret = qdisc_enqueue(skb, q->qdisc, to_free);
 197         if (ret != NET_XMIT_SUCCESS) {
 198                 if (net_xmit_drop_count(ret))
 199                         qdisc_qstats_drop(sch);
 200                 return ret;
 201         }
 202
 203         qdisc_qstats_backlog_inc(sch, skb);
 204         sch->q.qlen++;
 205         return NET_XMIT_SUCCESS;
 206 }
 207
 208 static bool tbf_peak_present(const struct tbf_sched_data *q)
 209 {
 210         return q->peak.rate_bytes_ps;
 211 }
 212
 213 static struct sk_buff *tbf_dequeue(struct Qdisc *sch)
 214 {
 215         struct tbf_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 216         struct sk_buff *skb;
 217
 218         skb = q->qdisc->ops->peek(q->qdisc);
 219
 220         if (skb) {
 221                 s64 now;
 222                 s64 toks;
 223                 s64 ptoks = 0;
 224                 unsigned int len = qdisc_pkt_len(skb);
 225
 226                 now = ktime_get_ns();
 227                 toks = min_t(s64, now - q->t_c, q->buffer);
 228
 229                 if (tbf_peak_present(q)) {
 230                         ptoks = toks + q->ptokens;
 231                         if (ptoks > q->mtu)
 232                                 ptoks = q->mtu;
 233                         ptoks -= (s64) psched_l2t_ns(&q->peak, len);
 234                 }
 235                 toks += q->tokens;
 236                 if (toks > q->buffer)
 237                         toks = q->buffer;
 238                 toks -= (s64) psched_l2t_ns(&q->rate, len);
 239
 240                 if ((toks|ptoks) >= 0) {
 241                         skb = qdisc_dequeue_peeked(q->qdisc);
 242                         if (unlikely(!skb))
 243                                 return NULL;
 244
 245                         q->t_c = now;
 246                         q->tokens = toks;
 247                         q->ptokens = ptoks;
 248                         qdisc_qstats_backlog_dec(sch, skb);
 249                         sch->q.qlen--;
 250                         qdisc_bstats_update(sch, skb);
 251                         return skb;
 252                 }
 253
 254                 qdisc_watchdog_schedule_ns(&q->watchdog,
 255                                            now + max_t(long, -toks, -ptoks));
 256
 257                 /* Maybe we have a shorter packet in the queue,
 258                    which can be sent now. It sounds cool,
 259                    but, however, this is wrong in principle.
 260                    We MUST NOT reorder packets under these circumstances.
 261
 262                    Really, if we split the flow into independent
 263                    subflows, it would be a very good solution.
 264                    This is the main idea of all FQ algorithms
 265                    (cf. CSZ, HPFQ, HFSC)
 266                  */
 267
 268                 qdisc_qstats_overlimit(sch);
 269         }
 270         return NULL;
 271 }
 272
 273 static void tbf_reset(struct Qdisc *sch)
 274 {
 275         struct tbf_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 276
 277         qdisc_reset(q->qdisc);
 278         sch->qstats.backlog = 0;
 279         sch->q.qlen = 0;
 280         q->t_c = ktime_get_ns();
 281         q->tokens = q->buffer;
 282         q->ptokens = q->mtu;
 283         qdisc_watchdog_cancel(&q->watchdog);
 284 }
 285
 286 static const struct nla_policy tbf_policy[TCA_TBF_MAX + 1] = {
 287         [TCA_TBF_PARMS] = { .len = sizeof(struct tc_tbf_qopt) },
 288         [TCA_TBF_RTAB]  = { .type = NLA_BINARY, .len = TC_RTAB_SIZE },
 289         [TCA_TBF_PTAB]  = { .type = NLA_BINARY, .len = TC_RTAB_SIZE },
 290         [TCA_TBF_RATE64]        = { .type = NLA_U64 },
 291         [TCA_TBF_PRATE64]       = { .type = NLA_U64 },
 292         [TCA_TBF_BURST] = { .type = NLA_U32 },
 293         [TCA_TBF_PBURST] = { .type = NLA_U32 },
 294 };
 295
 296 static int tbf_change(struct Qdisc *sch, struct nlattr *opt,
 297                       struct netlink_ext_ack *extack)
 298 {
 299         int err;
 300         struct tbf_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 301         struct nlattr *tb[TCA_TBF_MAX + 1];
 302         struct tc_tbf_qopt *qopt;
 303         struct Qdisc *child = NULL;
 304         struct psched_ratecfg rate;
 305         struct psched_ratecfg peak;
 306         u64 max_size;
 307         s64 buffer, mtu;
 308         u64 rate64 = 0, prate64 = 0;
 309
 310         err = nla_parse_nested(tb, TCA_TBF_MAX, opt, tbf_policy, NULL);
 311         if (err < 0)
 312                 return err;
 313
 314         err = -EINVAL;
 315         if (tb[TCA_TBF_PARMS] == NULL)
 316                 goto done;
 317
 318         qopt = nla_data(tb[TCA_TBF_PARMS]);
 319         if (qopt->rate.linklayer == TC_LINKLAYER_UNAWARE)
 320                 qdisc_put_rtab(qdisc_get_rtab(&qopt->rate,
 321                                               tb[TCA_TBF_RTAB],
 322                                               NULL));
 323
 324         if (qopt->peakrate.linklayer == TC_LINKLAYER_UNAWARE)
 325                         qdisc_put_rtab(qdisc_get_rtab(&qopt->peakrate,
 326                                                       tb[TCA_TBF_PTAB],
 327                                                       NULL));
 328
 329         buffer = min_t(u64, PSCHED_TICKS2NS(qopt->buffer), ~0U);
 330         mtu = min_t(u64, PSCHED_TICKS2NS(qopt->mtu), ~0U);
 331
 332         if (tb[TCA_TBF_RATE64])
 333                 rate64 = nla_get_u64(tb[TCA_TBF_RATE64]);
 334         psched_ratecfg_precompute(&rate, &qopt->rate, rate64);
 335
 336         if (tb[TCA_TBF_BURST]) {
 337                 max_size = nla_get_u32(tb[TCA_TBF_BURST]);
 338                 buffer = psched_l2t_ns(&rate, max_size);
 339         } else {
 340                 max_size = min_t(u64, psched_ns_t2l(&rate, buffer), ~0U);
 341         }
 342
 343         if (qopt->peakrate.rate) {
 344                 if (tb[TCA_TBF_PRATE64])
 345                         prate64 = nla_get_u64(tb[TCA_TBF_PRATE64]);
 346                 psched_ratecfg_precompute(&peak, &qopt->peakrate, prate64);
 347                 if (peak.rate_bytes_ps <= rate.rate_bytes_ps) {
 348                         pr_warn_ratelimited("sch_tbf: peakrate %llu is lower than or equals to rate %llu !\n",
 349                                         peak.rate_bytes_ps, rate.rate_bytes_ps);
 350                         err = -EINVAL;
 351                         goto done;
 352                 }
 353
 354                 if (tb[TCA_TBF_PBURST]) {
 355                         u32 pburst = nla_get_u32(tb[TCA_TBF_PBURST]);
 356                         max_size = min_t(u32, max_size, pburst);
 357                         mtu = psched_l2t_ns(&peak, pburst);
 358                 } else {
 359                         max_size = min_t(u64, max_size, psched_ns_t2l(&peak, mtu));
 360                 }
 361         } else {
 362                 memset(&peak, 0, sizeof(peak));
 363         }
 364
 365         if (max_size < psched_mtu(qdisc_dev(sch)))
 366                 pr_warn_ratelimited("sch_tbf: burst %llu is lower than device %s mtu (%u) !\n",
 367                                     max_size, qdisc_dev(sch)->name,
 368                                     psched_mtu(qdisc_dev(sch)));
 369
 370         if (!max_size) {
 371                 err = -EINVAL;
 372                 goto done;
 373         }
 374
 375         if (q->qdisc != &noop_qdisc) {
 376                 err = fifo_set_limit(q->qdisc, qopt->limit);
 377                 if (err)
 378                         goto done;
 379         } else if (qopt->limit > 0) {
 380                 child = fifo_create_dflt(sch, &bfifo_qdisc_ops, qopt->limit,
 381                                          extack);
 382                 if (IS_ERR(child)) {
 383                         err = PTR_ERR(child);
 384                         goto done;
 385                 }
 386
 387                 /* child is fifo, no need to check for noop_qdisc */
 388                 qdisc_hash_add(child, true);
 389         }
 390
 391         sch_tree_lock(sch);
 392         if (child) {
 393                 qdisc_tree_reduce_backlog(q->qdisc, q->qdisc->q.qlen,
 394                                           q->qdisc->qstats.backlog);
 395                 qdisc_destroy(q->qdisc);
 396                 q->qdisc = child;
 397         }
 398         q->limit = qopt->limit;
 399         if (tb[TCA_TBF_PBURST])
 400                 q->mtu = mtu;
 401         else
 402                 q->mtu = PSCHED_TICKS2NS(qopt->mtu);
 403         q->max_size = max_size;
 404         if (tb[TCA_TBF_BURST])
 405                 q->buffer = buffer;
 406         else
 407                 q->buffer = PSCHED_TICKS2NS(qopt->buffer);
 408         q->tokens = q->buffer;
 409         q->ptokens = q->mtu;
 410
 411         memcpy(&q->rate, &rate, sizeof(struct psched_ratecfg));
 412         memcpy(&q->peak, &peak, sizeof(struct psched_ratecfg));
 413
 414         sch_tree_unlock(sch);
 415         err = 0;
 416 done:
 417         return err;
 418 }
 419
 420 static int tbf_init(struct Qdisc *sch, struct nlattr *opt,
 421                     struct netlink_ext_ack *extack)
 422 {
 423         struct tbf_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 424
 425         qdisc_watchdog_init(&q->watchdog, sch);
 426         q->qdisc = &noop_qdisc;
 427
 428         if (!opt)
 429                 return -EINVAL;
 430
 431         q->t_c = ktime_get_ns();
 432
 433         return tbf_change(sch, opt, extack);
 434 }
 435
 436 static void tbf_destroy(struct Qdisc *sch)
 437 {
 438         struct tbf_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 439
 440         qdisc_watchdog_cancel(&q->watchdog);
 441         qdisc_destroy(q->qdisc);
 442 }
 443
 444 static int tbf_dump(struct Qdisc *sch, struct sk_buff *skb)
 445 {
 446         struct tbf_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 447         struct nlattr *nest;
 448         struct tc_tbf_qopt opt;
 449
 450         sch->qstats.backlog = q->qdisc->qstats.backlog;
 451         nest = nla_nest_start(skb, TCA_OPTIONS);
 452         if (nest == NULL)
 453                 goto nla_put_failure;
 454
 455         opt.limit = q->limit;
 456         psched_ratecfg_getrate(&opt.rate, &q->rate);
 457         if (tbf_peak_present(q))
 458                 psched_ratecfg_getrate(&opt.peakrate, &q->peak);
 459         else
 460                 memset(&opt.peakrate, 0, sizeof(opt.peakrate));
 461         opt.mtu = PSCHED_NS2TICKS(q->mtu);
 462         opt.buffer = PSCHED_NS2TICKS(q->buffer);
 463         if (nla_put(skb, TCA_TBF_PARMS, sizeof(opt), &opt))
 464                 goto nla_put_failure;
 465         if (q->rate.rate_bytes_ps >= (1ULL << 32) &&
 466             nla_put_u64_64bit(skb, TCA_TBF_RATE64, q->rate.rate_bytes_ps,
 467                               TCA_TBF_PAD))
 468                 goto nla_put_failure;
 469         if (tbf_peak_present(q) &&
 470             q->peak.rate_bytes_ps >= (1ULL << 32) &&
 471             nla_put_u64_64bit(skb, TCA_TBF_PRATE64, q->peak.rate_bytes_ps,
 472                               TCA_TBF_PAD))
 473                 goto nla_put_failure;
 474
 475         return nla_nest_end(skb, nest);
 476
 477 nla_put_failure:
 478         nla_nest_cancel(skb, nest);
 479         return -1;
 480 }
 481
 482 static int tbf_dump_class(struct Qdisc *sch, unsigned long cl,
 483                           struct sk_buff *skb, struct tcmsg *tcm)
 484 {
 485         struct tbf_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 486
 487         tcm->tcm_handle |= TC_H_MIN(1);
 488         tcm->tcm_info = q->qdisc->handle;
 489
 490         return 0;
 491 }
 492
 493 static int tbf_graft(struct Qdisc *sch, unsigned long arg, struct Qdisc *new,
 494                      struct Qdisc **old, struct netlink_ext_ack *extack)
 495 {
 496         struct tbf_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 497
 498         if (new == NULL)
 499                 new = &noop_qdisc;
 500
 501         *old = qdisc_replace(sch, new, &q->qdisc);
 502         return 0;
 503 }
 504
 505 static struct Qdisc *tbf_leaf(struct Qdisc *sch, unsigned long arg)
 506 {
 507         struct tbf_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 508         return q->qdisc;
 509 }
 510
 511 static unsigned long tbf_find(struct Qdisc *sch, u32 classid)
 512 {
 513         return 1;
 514 }
 515
 516 static void tbf_walk(struct Qdisc *sch, struct qdisc_walker *walker)
 517 {
 518         if (!walker->stop) {
 519                 if (walker->count >= walker->skip)
 520                         if (walker->fn(sch, 1, walker) < 0) {
 521                                 walker->stop = 1;
 522                                 return;
 523                         }
 524                 walker->count++;
 525         }
 526 }
 527
 528 static const struct Qdisc_class_ops tbf_class_ops = {
 529         .graft          =       tbf_graft,
 530         .leaf           =       tbf_leaf,
 531         .find           =       tbf_find,
 532         .walk           =       tbf_walk,
 533         .dump           =       tbf_dump_class,
 534 };
 535
 536 static struct Qdisc_ops tbf_qdisc_ops __read_mostly = {
 537         .next           =       NULL,
 538         .cl_ops         =       &tbf_class_ops,
 539         .id             =       "tbf",
 540         .priv_size      =       sizeof(struct tbf_sched_data),
 541         .enqueue        =       tbf_enqueue,
 542         .dequeue        =       tbf_dequeue,
 543         .peek           =       qdisc_peek_dequeued,
 544         .init           =       tbf_init,
 545         .reset          =       tbf_reset,
 546         .destroy        =       tbf_destroy,
 547         .change         =       tbf_change,
 548         .dump           =       tbf_dump,
 549         .owner          =       THIS_MODULE,
 550 };
 551
 552 static int __init tbf_module_init(void)
 553 {
 554         return register_qdisc(&tbf_qdisc_ops);
 555 }
 556
 557 static void __exit tbf_module_exit(void)
 558 {
 559         unregister_qdisc(&tbf_qdisc_ops);
 560 }
 561 module_init(tbf_module_init)
 562 module_exit(tbf_module_exit)
 563 MODULE_LICENSE("GPL");