net/sched/sch_sfq.c

   1 /*
   2  * net/sched/sch_sfq.c  Stochastic Fairness Queueing discipline.
   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  */
  11
  12 #include <linux/module.h>
  13 #include <linux/types.h>
  14 #include <linux/kernel.h>
  15 #include <linux/jiffies.h>
  16 #include <linux/string.h>
  17 #include <linux/in.h>
  18 #include <linux/errno.h>
  19 #include <linux/init.h>
  20 #include <linux/ipv6.h>
  21 #include <linux/skbuff.h>
  22 #include <linux/jhash.h>
  23 #include <net/ip.h>
  24 #include <net/netlink.h>
  25 #include <net/pkt_sched.h>
  26
  27
  28 /*      Stochastic Fairness Queuing algorithm.
  29         =======================================
  30
  31         Source:
  32         Paul E. McKenney "Stochastic Fairness Queuing",
  33         IEEE INFOCOMM'90 Proceedings, San Francisco, 1990.
  34
  35         Paul E. McKenney "Stochastic Fairness Queuing",
  36         "Interworking: Research and Experience", v.2, 1991, p.113-131.
  37
  38
  39         See also:
  40         M. Shreedhar and George Varghese "Efficient Fair
  41         Queuing using Deficit Round Robin", Proc. SIGCOMM 95.
  42
  43
  44         This is not the thing that is usually called (W)FQ nowadays.
  45         It does not use any timestamp mechanism, but instead
  46         processes queues in round-robin order.
  47
  48         ADVANTAGE:
  49
  50         - It is very cheap. Both CPU and memory requirements are minimal.
  51
  52         DRAWBACKS:
  53
  54         - "Stochastic" -> It is not 100% fair.
  55         When hash collisions occur, several flows are considered as one.
  56
  57         - "Round-robin" -> It introduces larger delays than virtual clock
  58         based schemes, and should not be used for isolating interactive
  59         traffic from non-interactive. It means, that this scheduler
  60         should be used as leaf of CBQ or P3, which put interactive traffic
  61         to higher priority band.
  62
  63         We still need true WFQ for top level CSZ, but using WFQ
  64         for the best effort traffic is absolutely pointless:
  65         SFQ is superior for this purpose.
  66
  67         IMPLEMENTATION:
  68         This implementation limits maximal queue length to 128;
  69         maximal mtu to 2^15-1; number of hash buckets to 1024.
  70         The only goal of this restrictions was that all data
  71         fit into one 4K page :-). Struct sfq_sched_data is
  72         organized in anti-cache manner: all the data for a bucket
  73         are scattered over different locations. This is not good,
  74         but it allowed me to put it into 4K.
  75
  76         It is easy to increase these values, but not in flight.  */
  77
  78 #define SFQ_DEPTH               128
  79 #define SFQ_HASH_DIVISOR        1024
  80
  81 /* This type should contain at least SFQ_DEPTH*2 values */
  82 typedef unsigned char sfq_index;
  83
  84 struct sfq_head
  85 {
  86         sfq_index       next;
  87         sfq_index       prev;
  88 };
  89
  90 struct sfq_sched_data
  91 {
  92 /* Parameters */
  93         int             perturb_period;
  94         unsigned        quantum;        /* Allotment per round: MUST BE >= MTU */
  95         int             limit;
  96
  97 /* Variables */
  98         struct tcf_proto *filter_list;
  99         struct timer_list perturb_timer;
 100         u32             perturbation;
 101         sfq_index       tail;           /* Index of current slot in round */
 102         sfq_index       max_depth;      /* Maximal depth */
 103
 104         sfq_index       ht[SFQ_HASH_DIVISOR];   /* Hash table */
 105         sfq_index       next[SFQ_DEPTH];        /* Active slots link */
 106         short           allot[SFQ_DEPTH];       /* Current allotment per slot */
 107         unsigned short  hash[SFQ_DEPTH];        /* Hash value indexed by slots */
 108         struct sk_buff_head     qs[SFQ_DEPTH];          /* Slot queue */
 109         struct sfq_head dep[SFQ_DEPTH*2];       /* Linked list of slots, indexed by depth */
 110 };
 111
 112 static __inline__ unsigned sfq_fold_hash(struct sfq_sched_data *q, u32 h, u32 h1)
 113 {
 114         return jhash_2words(h, h1, q->perturbation) & (SFQ_HASH_DIVISOR - 1);
 115 }
 116
 117 static unsigned sfq_hash(struct sfq_sched_data *q, struct sk_buff *skb)
 118 {
 119         u32 h, h2;
 120
 121         switch (skb->protocol) {
 122         case htons(ETH_P_IP):
 123         {
 124                 const struct iphdr *iph = ip_hdr(skb);
 125                 h = iph->daddr;
 126                 h2 = iph->saddr ^ iph->protocol;
 127                 if (!(iph->frag_off&htons(IP_MF|IP_OFFSET)) &&
 128                     (iph->protocol == IPPROTO_TCP ||
 129                      iph->protocol == IPPROTO_UDP ||
 130                      iph->protocol == IPPROTO_UDPLITE ||
 131                      iph->protocol == IPPROTO_SCTP ||
 132                      iph->protocol == IPPROTO_DCCP ||
 133                      iph->protocol == IPPROTO_ESP))
 134                         h2 ^= *(((u32*)iph) + iph->ihl);
 135                 break;
 136         }
 137         case htons(ETH_P_IPV6):
 138         {
 139                 struct ipv6hdr *iph = ipv6_hdr(skb);
 140                 h = iph->daddr.s6_addr32[3];
 141                 h2 = iph->saddr.s6_addr32[3] ^ iph->nexthdr;
 142                 if (iph->nexthdr == IPPROTO_TCP ||
 143                     iph->nexthdr == IPPROTO_UDP ||
 144                     iph->nexthdr == IPPROTO_UDPLITE ||
 145                     iph->nexthdr == IPPROTO_SCTP ||
 146                     iph->nexthdr == IPPROTO_DCCP ||
 147                     iph->nexthdr == IPPROTO_ESP)
 148                         h2 ^= *(u32*)&iph[1];
 149                 break;
 150         }
 151         default:
 152                 h = (unsigned long)skb->dst ^ skb->protocol;
 153                 h2 = (unsigned long)skb->sk;
 154         }
 155
 156         return sfq_fold_hash(q, h, h2);
 157 }
 158
 159 static unsigned int sfq_classify(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
 160                                  int *qerr)
 161 {
 162         struct sfq_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 163         struct tcf_result res;
 164         int result;
 165
 166         if (TC_H_MAJ(skb->priority) == sch->handle &&
 167             TC_H_MIN(skb->priority) > 0 &&
 168             TC_H_MIN(skb->priority) <= SFQ_HASH_DIVISOR)
 169                 return TC_H_MIN(skb->priority);
 170
 171         if (!q->filter_list)
 172                 return sfq_hash(q, skb) + 1;
 173
 174         *qerr = NET_XMIT_SUCCESS | __NET_XMIT_BYPASS;
 175         result = tc_classify(skb, q->filter_list, &res);
 176         if (result >= 0) {
 177 #ifdef CONFIG_NET_CLS_ACT
 178                 switch (result) {
 179                 case TC_ACT_STOLEN:
 180                 case TC_ACT_QUEUED:
 181                         *qerr = NET_XMIT_SUCCESS | __NET_XMIT_STOLEN;
 182                 case TC_ACT_SHOT:
 183                         return 0;
 184                 }
 185 #endif
 186                 if (TC_H_MIN(res.classid) <= SFQ_HASH_DIVISOR)
 187                         return TC_H_MIN(res.classid);
 188         }
 189         return 0;
 190 }
 191
 192 static inline void sfq_link(struct sfq_sched_data *q, sfq_index x)
 193 {
 194         sfq_index p, n;
 195         int d = q->qs[x].qlen + SFQ_DEPTH;
 196
 197         p = d;
 198         n = q->dep[d].next;
 199         q->dep[x].next = n;
 200         q->dep[x].prev = p;
 201         q->dep[p].next = q->dep[n].prev = x;
 202 }
 203
 204 static inline void sfq_dec(struct sfq_sched_data *q, sfq_index x)
 205 {
 206         sfq_index p, n;
 207
 208         n = q->dep[x].next;
 209         p = q->dep[x].prev;
 210         q->dep[p].next = n;
 211         q->dep[n].prev = p;
 212
 213         if (n == p && q->max_depth == q->qs[x].qlen + 1)
 214                 q->max_depth--;
 215
 216         sfq_link(q, x);
 217 }
 218
 219 static inline void sfq_inc(struct sfq_sched_data *q, sfq_index x)
 220 {
 221         sfq_index p, n;
 222         int d;
 223
 224         n = q->dep[x].next;
 225         p = q->dep[x].prev;
 226         q->dep[p].next = n;
 227         q->dep[n].prev = p;
 228         d = q->qs[x].qlen;
 229         if (q->max_depth < d)
 230                 q->max_depth = d;
 231
 232         sfq_link(q, x);
 233 }
 234
 235 static unsigned int sfq_drop(struct Qdisc *sch)
 236 {
 237         struct sfq_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 238         sfq_index d = q->max_depth;
 239         struct sk_buff *skb;
 240         unsigned int len;
 241
 242         /* Queue is full! Find the longest slot and
 243            drop a packet from it */
 244
 245         if (d > 1) {
 246                 sfq_index x = q->dep[d + SFQ_DEPTH].next;
 247                 skb = q->qs[x].prev;
 248                 len = qdisc_pkt_len(skb);
 249                 __skb_unlink(skb, &q->qs[x]);
 250                 kfree_skb(skb);
 251                 sfq_dec(q, x);
 252                 sch->q.qlen--;
 253                 sch->qstats.drops++;
 254                 sch->qstats.backlog -= len;
 255                 return len;
 256         }
 257
 258         if (d == 1) {
 259                 /* It is difficult to believe, but ALL THE SLOTS HAVE LENGTH 1. */
 260                 d = q->next[q->tail];
 261                 q->next[q->tail] = q->next[d];
 262                 q->allot[q->next[d]] += q->quantum;
 263                 skb = q->qs[d].prev;
 264                 len = qdisc_pkt_len(skb);
 265                 __skb_unlink(skb, &q->qs[d]);
 266                 kfree_skb(skb);
 267                 sfq_dec(q, d);
 268                 sch->q.qlen--;
 269                 q->ht[q->hash[d]] = SFQ_DEPTH;
 270                 sch->qstats.drops++;
 271                 sch->qstats.backlog -= len;
 272                 return len;
 273         }
 274
 275         return 0;
 276 }
 277
 278 static int
 279 sfq_enqueue(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch)
 280 {
 281         struct sfq_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 282         unsigned int hash;
 283         sfq_index x;
 284         int ret;
 285
 286         hash = sfq_classify(skb, sch, &ret);
 287         if (hash == 0) {
 288                 if (ret & __NET_XMIT_BYPASS)
 289                         sch->qstats.drops++;
 290                 kfree_skb(skb);
 291                 return ret;
 292         }
 293         hash--;
 294
 295         x = q->ht[hash];
 296         if (x == SFQ_DEPTH) {
 297                 q->ht[hash] = x = q->dep[SFQ_DEPTH].next;
 298                 q->hash[x] = hash;
 299         }
 300
 301         /* If selected queue has length q->limit, this means that
 302          * all another queues are empty and that we do simple tail drop,
 303          * i.e. drop _this_ packet.
 304          */
 305         if (q->qs[x].qlen >= q->limit)
 306                 return qdisc_drop(skb, sch);
 307
 308         sch->qstats.backlog += qdisc_pkt_len(skb);
 309         __skb_queue_tail(&q->qs[x], skb);
 310         sfq_inc(q, x);
 311         if (q->qs[x].qlen == 1) {               /* The flow is new */
 312                 if (q->tail == SFQ_DEPTH) {     /* It is the first flow */
 313                         q->tail = x;
 314                         q->next[x] = x;
 315                         q->allot[x] = q->quantum;
 316                 } else {
 317                         q->next[x] = q->next[q->tail];
 318                         q->next[q->tail] = x;
 319                         q->tail = x;
 320                 }
 321         }
 322         if (++sch->q.qlen <= q->limit) {
 323                 sch->bstats.bytes += qdisc_pkt_len(skb);
 324                 sch->bstats.packets++;
 325                 return 0;
 326         }
 327
 328         sfq_drop(sch);
 329         return NET_XMIT_CN;
 330 }
 331
 332 static int
 333 sfq_requeue(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch)
 334 {
 335         struct sfq_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 336         unsigned int hash;
 337         sfq_index x;
 338         int ret;
 339
 340         hash = sfq_classify(skb, sch, &ret);
 341         if (hash == 0) {
 342                 if (ret & __NET_XMIT_BYPASS)
 343                         sch->qstats.drops++;
 344                 kfree_skb(skb);
 345                 return ret;
 346         }
 347         hash--;
 348
 349         x = q->ht[hash];
 350         if (x == SFQ_DEPTH) {
 351                 q->ht[hash] = x = q->dep[SFQ_DEPTH].next;
 352                 q->hash[x] = hash;
 353         }
 354
 355         sch->qstats.backlog += qdisc_pkt_len(skb);
 356         __skb_queue_head(&q->qs[x], skb);
 357         /* If selected queue has length q->limit+1, this means that
 358          * all another queues are empty and we do simple tail drop.
 359          * This packet is still requeued at head of queue, tail packet
 360          * is dropped.
 361          */
 362         if (q->qs[x].qlen > q->limit) {
 363                 skb = q->qs[x].prev;
 364                 __skb_unlink(skb, &q->qs[x]);
 365                 sch->qstats.drops++;
 366                 sch->qstats.backlog -= qdisc_pkt_len(skb);
 367                 kfree_skb(skb);
 368                 return NET_XMIT_CN;
 369         }
 370
 371         sfq_inc(q, x);
 372         if (q->qs[x].qlen == 1) {               /* The flow is new */
 373                 if (q->tail == SFQ_DEPTH) {     /* It is the first flow */
 374                         q->tail = x;
 375                         q->next[x] = x;
 376                         q->allot[x] = q->quantum;
 377                 } else {
 378                         q->next[x] = q->next[q->tail];
 379                         q->next[q->tail] = x;
 380                         q->tail = x;
 381                 }
 382         }
 383
 384         if (++sch->q.qlen <= q->limit) {
 385                 sch->qstats.requeues++;
 386                 return 0;
 387         }
 388
 389         sch->qstats.drops++;
 390         sfq_drop(sch);
 391         return NET_XMIT_CN;
 392 }
 393
 394
 395
 396
 397 static struct sk_buff *
 398 sfq_dequeue(struct Qdisc *sch)
 399 {
 400         struct sfq_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 401         struct sk_buff *skb;
 402         sfq_index a, old_a;
 403
 404         /* No active slots */
 405         if (q->tail == SFQ_DEPTH)
 406                 return NULL;
 407
 408         a = old_a = q->next[q->tail];
 409
 410         /* Grab packet */
 411         skb = __skb_dequeue(&q->qs[a]);
 412         sfq_dec(q, a);
 413         sch->q.qlen--;
 414         sch->qstats.backlog -= qdisc_pkt_len(skb);
 415
 416         /* Is the slot empty? */
 417         if (q->qs[a].qlen == 0) {
 418                 q->ht[q->hash[a]] = SFQ_DEPTH;
 419                 a = q->next[a];
 420                 if (a == old_a) {
 421                         q->tail = SFQ_DEPTH;
 422                         return skb;
 423                 }
 424                 q->next[q->tail] = a;
 425                 q->allot[a] += q->quantum;
 426         } else if ((q->allot[a] -= qdisc_pkt_len(skb)) <= 0) {
 427                 q->tail = a;
 428                 a = q->next[a];
 429                 q->allot[a] += q->quantum;
 430         }
 431         return skb;
 432 }
 433
 434 static void
 435 sfq_reset(struct Qdisc *sch)
 436 {
 437         struct sk_buff *skb;
 438
 439         while ((skb = sfq_dequeue(sch)) != NULL)
 440                 kfree_skb(skb);
 441 }
 442
 443 static void sfq_perturbation(unsigned long arg)
 444 {
 445         struct Qdisc *sch = (struct Qdisc *)arg;
 446         struct sfq_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 447
 448         q->perturbation = net_random();
 449
 450         if (q->perturb_period)
 451                 mod_timer(&q->perturb_timer, jiffies + q->perturb_period);
 452 }
 453
 454 static int sfq_change(struct Qdisc *sch, struct nlattr *opt)
 455 {
 456         struct sfq_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 457         struct tc_sfq_qopt *ctl = nla_data(opt);
 458         unsigned int qlen;
 459
 460         if (opt->nla_len < nla_attr_size(sizeof(*ctl)))
 461                 return -EINVAL;
 462
 463         sch_tree_lock(sch);
 464         q->quantum = ctl->quantum ? : psched_mtu(qdisc_dev(sch));
 465         q->perturb_period = ctl->perturb_period * HZ;
 466         if (ctl->limit)
 467                 q->limit = min_t(u32, ctl->limit, SFQ_DEPTH - 1);
 468
 469         qlen = sch->q.qlen;
 470         while (sch->q.qlen > q->limit)
 471                 sfq_drop(sch);
 472         qdisc_tree_decrease_qlen(sch, qlen - sch->q.qlen);
 473
 474         del_timer(&q->perturb_timer);
 475         if (q->perturb_period) {
 476                 mod_timer(&q->perturb_timer, jiffies + q->perturb_period);
 477                 q->perturbation = net_random();
 478         }
 479         sch_tree_unlock(sch);
 480         return 0;
 481 }
 482
 483 static int sfq_init(struct Qdisc *sch, struct nlattr *opt)
 484 {
 485         struct sfq_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 486         int i;
 487
 488         q->perturb_timer.function = sfq_perturbation;
 489         q->perturb_timer.data = (unsigned long)sch;;
 490         init_timer_deferrable(&q->perturb_timer);
 491
 492         for (i = 0; i < SFQ_HASH_DIVISOR; i++)
 493                 q->ht[i] = SFQ_DEPTH;
 494
 495         for (i = 0; i < SFQ_DEPTH; i++) {
 496                 skb_queue_head_init(&q->qs[i]);
 497                 q->dep[i + SFQ_DEPTH].next = i + SFQ_DEPTH;
 498                 q->dep[i + SFQ_DEPTH].prev = i + SFQ_DEPTH;
 499         }
 500
 501         q->limit = SFQ_DEPTH - 1;
 502         q->max_depth = 0;
 503         q->tail = SFQ_DEPTH;
 504         if (opt == NULL) {
 505                 q->quantum = psched_mtu(qdisc_dev(sch));
 506                 q->perturb_period = 0;
 507                 q->perturbation = net_random();
 508         } else {
 509                 int err = sfq_change(sch, opt);
 510                 if (err)
 511                         return err;
 512         }
 513
 514         for (i = 0; i < SFQ_DEPTH; i++)
 515                 sfq_link(q, i);
 516         return 0;
 517 }
 518
 519 static void sfq_destroy(struct Qdisc *sch)
 520 {
 521         struct sfq_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 522
 523         tcf_destroy_chain(&q->filter_list);
 524         q->perturb_period = 0;
 525         del_timer_sync(&q->perturb_timer);
 526 }
 527
 528 static int sfq_dump(struct Qdisc *sch, struct sk_buff *skb)
 529 {
 530         struct sfq_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 531         unsigned char *b = skb_tail_pointer(skb);
 532         struct tc_sfq_qopt opt;
 533
 534         opt.quantum = q->quantum;
 535         opt.perturb_period = q->perturb_period / HZ;
 536
 537         opt.limit = q->limit;
 538         opt.divisor = SFQ_HASH_DIVISOR;
 539         opt.flows = q->limit;
 540
 541         NLA_PUT(skb, TCA_OPTIONS, sizeof(opt), &opt);
 542
 543         return skb->len;
 544
 545 nla_put_failure:
 546         nlmsg_trim(skb, b);
 547         return -1;
 548 }
 549
 550 static int sfq_change_class(struct Qdisc *sch, u32 classid, u32 parentid,
 551                             struct nlattr **tca, unsigned long *arg)
 552 {
 553         return -EOPNOTSUPP;
 554 }
 555
 556 static unsigned long sfq_get(struct Qdisc *sch, u32 classid)
 557 {
 558         return 0;
 559 }
 560
 561 static struct tcf_proto **sfq_find_tcf(struct Qdisc *sch, unsigned long cl)
 562 {
 563         struct sfq_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 564
 565         if (cl)
 566                 return NULL;
 567         return &q->filter_list;
 568 }
 569
 570 static int sfq_dump_class(struct Qdisc *sch, unsigned long cl,
 571                           struct sk_buff *skb, struct tcmsg *tcm)
 572 {
 573         tcm->tcm_handle |= TC_H_MIN(cl);
 574         return 0;
 575 }
 576
 577 static int sfq_dump_class_stats(struct Qdisc *sch, unsigned long cl,
 578                                 struct gnet_dump *d)
 579 {
 580         struct sfq_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 581         sfq_index idx = q->ht[cl-1];
 582         struct gnet_stats_queue qs = { .qlen = q->qs[idx].qlen };
 583         struct tc_sfq_xstats xstats = { .allot = q->allot[idx] };
 584
 585         if (gnet_stats_copy_queue(d, &qs) < 0)
 586                 return -1;
 587         return gnet_stats_copy_app(d, &xstats, sizeof(xstats));
 588 }
 589
 590 static void sfq_walk(struct Qdisc *sch, struct qdisc_walker *arg)
 591 {
 592         struct sfq_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 593         unsigned int i;
 594
 595         if (arg->stop)
 596                 return;
 597
 598         for (i = 0; i < SFQ_HASH_DIVISOR; i++) {
 599                 if (q->ht[i] == SFQ_DEPTH ||
 600                     arg->count < arg->skip) {
 601                         arg->count++;
 602                         continue;
 603                 }
 604                 if (arg->fn(sch, i + 1, arg) < 0) {
 605                         arg->stop = 1;
 606                         break;
 607                 }
 608                 arg->count++;
 609         }
 610 }
 611
 612 static const struct Qdisc_class_ops sfq_class_ops = {
 613         .get            =       sfq_get,
 614         .change         =       sfq_change_class,
 615         .tcf_chain      =       sfq_find_tcf,
 616         .dump           =       sfq_dump_class,
 617         .dump_stats     =       sfq_dump_class_stats,
 618         .walk           =       sfq_walk,
 619 };
 620
 621 static struct Qdisc_ops sfq_qdisc_ops __read_mostly = {
 622         .cl_ops         =       &sfq_class_ops,
 623         .id             =       "sfq",
 624         .priv_size      =       sizeof(struct sfq_sched_data),
 625         .enqueue        =       sfq_enqueue,
 626         .dequeue        =       sfq_dequeue,
 627         .requeue        =       sfq_requeue,
 628         .drop           =       sfq_drop,
 629         .init           =       sfq_init,
 630         .reset          =       sfq_reset,
 631         .destroy        =       sfq_destroy,
 632         .change         =       NULL,
 633         .dump           =       sfq_dump,
 634         .owner          =       THIS_MODULE,
 635 };
 636
 637 static int __init sfq_module_init(void)
 638 {
 639         return register_qdisc(&sfq_qdisc_ops);
 640 }
 641 static void __exit sfq_module_exit(void)
 642 {
 643         unregister_qdisc(&sfq_qdisc_ops);
 644 }
 645 module_init(sfq_module_init)
 646 module_exit(sfq_module_exit)
 647 MODULE_LICENSE("GPL");