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/ethtool.h>
  54 #include <linux/module.h>
  55 #include <linux/types.h>
  56 #include <linux/kernel.h>
  57 #include <linux/string.h>
  58 #include <linux/errno.h>
  59 #include <linux/skbuff.h>
  60 #include <net/netevent.h>
  61 #include <net/netlink.h>
  62 #include <net/sch_generic.h>
  63 #include <net/pkt_sched.h>
  64
  65 static LIST_HEAD(cbs_list);
  66 static DEFINE_SPINLOCK(cbs_list_lock);
  67
  68 #define BYTES_PER_KBIT (1000LL / 8)
  69
  70 struct cbs_sched_data {
  71         bool offload;
  72         int queue;
  73         atomic64_t port_rate; /* in bytes/s */
  74         s64 last; /* timestamp in ns */
  75         s64 credits; /* in bytes */
  76         s32 locredit; /* in bytes */
  77         s32 hicredit; /* in bytes */
  78         s64 sendslope; /* in bytes/s */
  79         s64 idleslope; /* in bytes/s */
  80         struct qdisc_watchdog watchdog;
  81         int (*enqueue)(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
  82                        struct sk_buff **to_free);
  83         struct sk_buff *(*dequeue)(struct Qdisc *sch);
  84         struct Qdisc *qdisc;
  85         struct list_head cbs_list;
  86 };
  87
  88 static int cbs_child_enqueue(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
  89                              struct Qdisc *child,
  90                              struct sk_buff **to_free)
  91 {
  92         unsigned int len = qdisc_pkt_len(skb);
  93         int err;
  94
  95         err = child->ops->enqueue(skb, child, to_free);
  96         if (err != NET_XMIT_SUCCESS)
  97                 return err;
  98
  99         sch->qstats.backlog += len;
 100         sch->q.qlen++;
 101
 102         return NET_XMIT_SUCCESS;
 103 }
 104
 105 static int cbs_enqueue_offload(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
 106                                struct sk_buff **to_free)
 107 {
 108         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 109         struct Qdisc *qdisc = q->qdisc;
 110
 111         return cbs_child_enqueue(skb, sch, qdisc, to_free);
 112 }
 113
 114 static int cbs_enqueue_soft(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
 115                             struct sk_buff **to_free)
 116 {
 117         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 118         struct Qdisc *qdisc = q->qdisc;
 119
 120         if (sch->q.qlen == 0 && q->credits > 0) {
 121                 /* We need to stop accumulating credits when there's
 122                  * no enqueued packets and q->credits is positive.
 123                  */
 124                 q->credits = 0;
 125                 q->last = ktime_get_ns();
 126         }
 127
 128         return cbs_child_enqueue(skb, sch, qdisc, to_free);
 129 }
 130
 131 static int cbs_enqueue(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
 132                        struct sk_buff **to_free)
 133 {
 134         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 135
 136         return q->enqueue(skb, sch, to_free);
 137 }
 138
 139 /* timediff is in ns, slope is in bytes/s */
 140 static s64 timediff_to_credits(s64 timediff, s64 slope)
 141 {
 142         return div64_s64(timediff * slope, NSEC_PER_SEC);
 143 }
 144
 145 static s64 delay_from_credits(s64 credits, s64 slope)
 146 {
 147         if (unlikely(slope == 0))
 148                 return S64_MAX;
 149
 150         return div64_s64(-credits * NSEC_PER_SEC, slope);
 151 }
 152
 153 static s64 credits_from_len(unsigned int len, s64 slope, s64 port_rate)
 154 {
 155         if (unlikely(port_rate == 0))
 156                 return S64_MAX;
 157
 158         return div64_s64(len * slope, port_rate);
 159 }
 160
 161 static struct sk_buff *cbs_child_dequeue(struct Qdisc *sch, struct Qdisc *child)
 162 {
 163         struct sk_buff *skb;
 164
 165         skb = child->ops->dequeue(child);
 166         if (!skb)
 167                 return NULL;
 168
 169         qdisc_qstats_backlog_dec(sch, skb);
 170         qdisc_bstats_update(sch, skb);
 171         sch->q.qlen--;
 172
 173         return skb;
 174 }
 175
 176 static struct sk_buff *cbs_dequeue_soft(struct Qdisc *sch)
 177 {
 178         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 179         struct Qdisc *qdisc = q->qdisc;
 180         s64 now = ktime_get_ns();
 181         struct sk_buff *skb;
 182         s64 credits;
 183         int len;
 184
 185         /* The previous packet is still being sent */
 186         if (now < q->last) {
 187                 qdisc_watchdog_schedule_ns(&q->watchdog, q->last);
 188                 return NULL;
 189         }
 190         if (q->credits < 0) {
 191                 credits = timediff_to_credits(now - q->last, q->idleslope);
 192
 193                 credits = q->credits + credits;
 194                 q->credits = min_t(s64, credits, q->hicredit);
 195
 196                 if (q->credits < 0) {
 197                         s64 delay;
 198
 199                         delay = delay_from_credits(q->credits, q->idleslope);
 200                         qdisc_watchdog_schedule_ns(&q->watchdog, now + delay);
 201
 202                         q->last = now;
 203
 204                         return NULL;
 205                 }
 206         }
 207         skb = cbs_child_dequeue(sch, qdisc);
 208         if (!skb)
 209                 return NULL;
 210
 211         len = qdisc_pkt_len(skb);
 212
 213         /* As sendslope is a negative number, this will decrease the
 214          * amount of q->credits.
 215          */
 216         credits = credits_from_len(len, q->sendslope,
 217                                    atomic64_read(&q->port_rate));
 218         credits += q->credits;
 219
 220         q->credits = max_t(s64, credits, q->locredit);
 221         /* Estimate of the transmission of the last byte of the packet in ns */
 222         if (unlikely(atomic64_read(&q->port_rate) == 0))
 223                 q->last = now;
 224         else
 225                 q->last = now + div64_s64(len * NSEC_PER_SEC,
 226                                           atomic64_read(&q->port_rate));
 227
 228         return skb;
 229 }
 230
 231 static struct sk_buff *cbs_dequeue_offload(struct Qdisc *sch)
 232 {
 233         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 234         struct Qdisc *qdisc = q->qdisc;
 235
 236         return cbs_child_dequeue(sch, qdisc);
 237 }
 238
 239 static struct sk_buff *cbs_dequeue(struct Qdisc *sch)
 240 {
 241         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 242
 243         return q->dequeue(sch);
 244 }
 245
 246 static const struct nla_policy cbs_policy[TCA_CBS_MAX + 1] = {
 247         [TCA_CBS_PARMS] = { .len = sizeof(struct tc_cbs_qopt) },
 248 };
 249
 250 static void cbs_disable_offload(struct net_device *dev,
 251                                 struct cbs_sched_data *q)
 252 {
 253         struct tc_cbs_qopt_offload cbs = { };
 254         const struct net_device_ops *ops;
 255         int err;
 256
 257         if (!q->offload)
 258                 return;
 259
 260         q->enqueue = cbs_enqueue_soft;
 261         q->dequeue = cbs_dequeue_soft;
 262
 263         ops = dev->netdev_ops;
 264         if (!ops->ndo_setup_tc)
 265                 return;
 266
 267         cbs.queue = q->queue;
 268         cbs.enable = 0;
 269
 270         err = ops->ndo_setup_tc(dev, TC_SETUP_QDISC_CBS, &cbs);
 271         if (err < 0)
 272                 pr_warn("Couldn't disable CBS offload for queue %d\n",
 273                         cbs.queue);
 274 }
 275
 276 static int cbs_enable_offload(struct net_device *dev, struct cbs_sched_data *q,
 277                               const struct tc_cbs_qopt *opt,
 278                               struct netlink_ext_ack *extack)
 279 {
 280         const struct net_device_ops *ops = dev->netdev_ops;
 281         struct tc_cbs_qopt_offload cbs = { };
 282         int err;
 283
 284         if (!ops->ndo_setup_tc) {
 285                 NL_SET_ERR_MSG(extack, "Specified device does not support cbs offload");
 286                 return -EOPNOTSUPP;
 287         }
 288
 289         cbs.queue = q->queue;
 290
 291         cbs.enable = 1;
 292         cbs.hicredit = opt->hicredit;
 293         cbs.locredit = opt->locredit;
 294         cbs.idleslope = opt->idleslope;
 295         cbs.sendslope = opt->sendslope;
 296
 297         err = ops->ndo_setup_tc(dev, TC_SETUP_QDISC_CBS, &cbs);
 298         if (err < 0) {
 299                 NL_SET_ERR_MSG(extack, "Specified device failed to setup cbs hardware offload");
 300                 return err;
 301         }
 302
 303         q->enqueue = cbs_enqueue_offload;
 304         q->dequeue = cbs_dequeue_offload;
 305
 306         return 0;
 307 }
 308
 309 static void cbs_set_port_rate(struct net_device *dev, struct cbs_sched_data *q)
 310 {
 311         struct ethtool_link_ksettings ecmd;
 312         int speed = SPEED_10;
 313         int port_rate;
 314         int err;
 315
 316         err = __ethtool_get_link_ksettings(dev, &ecmd);
 317         if (err < 0)
 318                 goto skip;
 319
 320         if (ecmd.base.speed && ecmd.base.speed != SPEED_UNKNOWN)
 321                 speed = ecmd.base.speed;
 322
 323 skip:
 324         port_rate = speed * 1000 * BYTES_PER_KBIT;
 325
 326         atomic64_set(&q->port_rate, port_rate);
 327         netdev_dbg(dev, "cbs: set %s's port_rate to: %lld, linkspeed: %d\n",
 328                    dev->name, (long long)atomic64_read(&q->port_rate),
 329                    ecmd.base.speed);
 330 }
 331
 332 static int cbs_dev_notifier(struct notifier_block *nb, unsigned long event,
 333                             void *ptr)
 334 {
 335         struct net_device *dev = netdev_notifier_info_to_dev(ptr);
 336         struct cbs_sched_data *q;
 337         struct net_device *qdev;
 338         bool found = false;
 339
 340         ASSERT_RTNL();
 341
 342         if (event != NETDEV_UP && event != NETDEV_CHANGE)
 343                 return NOTIFY_DONE;
 344
 345         spin_lock(&cbs_list_lock);
 346         list_for_each_entry(q, &cbs_list, cbs_list) {
 347                 qdev = qdisc_dev(q->qdisc);
 348                 if (qdev == dev) {
 349                         found = true;
 350                         break;
 351                 }
 352         }
 353         spin_unlock(&cbs_list_lock);
 354
 355         if (found)
 356                 cbs_set_port_rate(dev, q);
 357
 358         return NOTIFY_DONE;
 359 }
 360
 361 static int cbs_change(struct Qdisc *sch, struct nlattr *opt,
 362                       struct netlink_ext_ack *extack)
 363 {
 364         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 365         struct net_device *dev = qdisc_dev(sch);
 366         struct nlattr *tb[TCA_CBS_MAX + 1];
 367         struct tc_cbs_qopt *qopt;
 368         int err;
 369
 370         err = nla_parse_nested_deprecated(tb, TCA_CBS_MAX, opt, cbs_policy,
 371                                           extack);
 372         if (err < 0)
 373                 return err;
 374
 375         if (!tb[TCA_CBS_PARMS]) {
 376                 NL_SET_ERR_MSG(extack, "Missing CBS parameter which are mandatory");
 377                 return -EINVAL;
 378         }
 379
 380         qopt = nla_data(tb[TCA_CBS_PARMS]);
 381
 382         if (!qopt->offload) {
 383                 cbs_set_port_rate(dev, q);
 384                 cbs_disable_offload(dev, q);
 385         } else {
 386                 err = cbs_enable_offload(dev, q, qopt, extack);
 387                 if (err < 0)
 388                         return err;
 389         }
 390
 391         /* Everything went OK, save the parameters used. */
 392         q->hicredit = qopt->hicredit;
 393         q->locredit = qopt->locredit;
 394         q->idleslope = qopt->idleslope * BYTES_PER_KBIT;
 395         q->sendslope = qopt->sendslope * BYTES_PER_KBIT;
 396         q->offload = qopt->offload;
 397
 398         return 0;
 399 }
 400
 401 static int cbs_init(struct Qdisc *sch, struct nlattr *opt,
 402                     struct netlink_ext_ack *extack)
 403 {
 404         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 405         struct net_device *dev = qdisc_dev(sch);
 406
 407         if (!opt) {
 408                 NL_SET_ERR_MSG(extack, "Missing CBS qdisc options  which are mandatory");
 409                 return -EINVAL;
 410         }
 411
 412         q->qdisc = qdisc_create_dflt(sch->dev_queue, &pfifo_qdisc_ops,
 413                                      sch->handle, extack);
 414         if (!q->qdisc)
 415                 return -ENOMEM;
 416
 417         spin_lock(&cbs_list_lock);
 418         list_add(&q->cbs_list, &cbs_list);
 419         spin_unlock(&cbs_list_lock);
 420
 421         qdisc_hash_add(q->qdisc, false);
 422
 423         q->queue = sch->dev_queue - netdev_get_tx_queue(dev, 0);
 424
 425         q->enqueue = cbs_enqueue_soft;
 426         q->dequeue = cbs_dequeue_soft;
 427
 428         qdisc_watchdog_init(&q->watchdog, sch);
 429
 430         return cbs_change(sch, opt, extack);
 431 }
 432
 433 static void cbs_destroy(struct Qdisc *sch)
 434 {
 435         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 436         struct net_device *dev = qdisc_dev(sch);
 437
 438         /* Nothing to do if we couldn't create the underlying qdisc */
 439         if (!q->qdisc)
 440                 return;
 441
 442         qdisc_watchdog_cancel(&q->watchdog);
 443         cbs_disable_offload(dev, q);
 444
 445         spin_lock(&cbs_list_lock);
 446         list_del(&q->cbs_list);
 447         spin_unlock(&cbs_list_lock);
 448
 449         qdisc_put(q->qdisc);
 450 }
 451
 452 static int cbs_dump(struct Qdisc *sch, struct sk_buff *skb)
 453 {
 454         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 455         struct tc_cbs_qopt opt = { };
 456         struct nlattr *nest;
 457
 458         nest = nla_nest_start_noflag(skb, TCA_OPTIONS);
 459         if (!nest)
 460                 goto nla_put_failure;
 461
 462         opt.hicredit = q->hicredit;
 463         opt.locredit = q->locredit;
 464         opt.sendslope = div64_s64(q->sendslope, BYTES_PER_KBIT);
 465         opt.idleslope = div64_s64(q->idleslope, BYTES_PER_KBIT);
 466         opt.offload = q->offload;
 467
 468         if (nla_put(skb, TCA_CBS_PARMS, sizeof(opt), &opt))
 469                 goto nla_put_failure;
 470
 471         return nla_nest_end(skb, nest);
 472
 473 nla_put_failure:
 474         nla_nest_cancel(skb, nest);
 475         return -1;
 476 }
 477
 478 static int cbs_dump_class(struct Qdisc *sch, unsigned long cl,
 479                           struct sk_buff *skb, struct tcmsg *tcm)
 480 {
 481         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 482
 483         if (cl != 1 || !q->qdisc)       /* only one class */
 484                 return -ENOENT;
 485
 486         tcm->tcm_handle |= TC_H_MIN(1);
 487         tcm->tcm_info = q->qdisc->handle;
 488
 489         return 0;
 490 }
 491
 492 static int cbs_graft(struct Qdisc *sch, unsigned long arg, struct Qdisc *new,
 493                      struct Qdisc **old, struct netlink_ext_ack *extack)
 494 {
 495         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 496
 497         if (!new) {
 498                 new = qdisc_create_dflt(sch->dev_queue, &pfifo_qdisc_ops,
 499                                         sch->handle, NULL);
 500                 if (!new)
 501                         new = &noop_qdisc;
 502         }
 503
 504         *old = qdisc_replace(sch, new, &q->qdisc);
 505         return 0;
 506 }
 507
 508 static struct Qdisc *cbs_leaf(struct Qdisc *sch, unsigned long arg)
 509 {
 510         struct cbs_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 511
 512         return q->qdisc;
 513 }
 514
 515 static unsigned long cbs_find(struct Qdisc *sch, u32 classid)
 516 {
 517         return 1;
 518 }
 519
 520 static void cbs_walk(struct Qdisc *sch, struct qdisc_walker *walker)
 521 {
 522         if (!walker->stop) {
 523                 if (walker->count >= walker->skip) {
 524                         if (walker->fn(sch, 1, walker) < 0) {
 525                                 walker->stop = 1;
 526                                 return;
 527                         }
 528                 }
 529                 walker->count++;
 530         }
 531 }
 532
 533 static const struct Qdisc_class_ops cbs_class_ops = {
 534         .graft          =       cbs_graft,
 535         .leaf           =       cbs_leaf,
 536         .find           =       cbs_find,
 537         .walk           =       cbs_walk,
 538         .dump           =       cbs_dump_class,
 539 };
 540
 541 static struct Qdisc_ops cbs_qdisc_ops __read_mostly = {
 542         .id             =       "cbs",
 543         .cl_ops         =       &cbs_class_ops,
 544         .priv_size      =       sizeof(struct cbs_sched_data),
 545         .enqueue        =       cbs_enqueue,
 546         .dequeue        =       cbs_dequeue,
 547         .peek           =       qdisc_peek_dequeued,
 548         .init           =       cbs_init,
 549         .reset          =       qdisc_reset_queue,
 550         .destroy        =       cbs_destroy,
 551         .change         =       cbs_change,
 552         .dump           =       cbs_dump,
 553         .owner          =       THIS_MODULE,
 554 };
 555
 556 static struct notifier_block cbs_device_notifier = {
 557         .notifier_call = cbs_dev_notifier,
 558 };
 559
 560 static int __init cbs_module_init(void)
 561 {
 562         int err;
 563
 564         err = register_netdevice_notifier(&cbs_device_notifier);
 565         if (err)
 566                 return err;
 567
 568         err = register_qdisc(&cbs_qdisc_ops);
 569         if (err)
 570                 unregister_netdevice_notifier(&cbs_device_notifier);
 571
 572         return err;
 573 }
 574
 575 static void __exit cbs_module_exit(void)
 576 {
 577         unregister_qdisc(&cbs_qdisc_ops);
 578         unregister_netdevice_notifier(&cbs_device_notifier);
 579 }
 580 module_init(cbs_module_init)
 581 module_exit(cbs_module_exit)
 582 MODULE_LICENSE("GPL");