net/sched/sch_choke.c

   1 // SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only
   2 /*
   3  * net/sched/sch_choke.c        CHOKE scheduler
   4  *
   5  * Copyright (c) 2011 Stephen Hemminger <[email protected]>
   6  * Copyright (c) 2011 Eric Dumazet <[email protected]>
   7  */
   8
   9 #include <linux/module.h>
  10 #include <linux/types.h>
  11 #include <linux/kernel.h>
  12 #include <linux/skbuff.h>
  13 #include <linux/vmalloc.h>
  14 #include <net/pkt_sched.h>
  15 #include <net/pkt_cls.h>
  16 #include <net/inet_ecn.h>
  17 #include <net/red.h>
  18 #include <net/flow_dissector.h>
  19
  20 /*
  21    CHOKe stateless AQM for fair bandwidth allocation
  22    =================================================
  23
  24    CHOKe (CHOose and Keep for responsive flows, CHOose and Kill for
  25    unresponsive flows) is a variant of RED that penalizes misbehaving flows but
  26    maintains no flow state. The difference from RED is an additional step
  27    during the enqueuing process. If average queue size is over the
  28    low threshold (qmin), a packet is chosen at random from the queue.
  29    If both the new and chosen packet are from the same flow, both
  30    are dropped. Unlike RED, CHOKe is not really a "classful" qdisc because it
  31    needs to access packets in queue randomly. It has a minimal class
  32    interface to allow overriding the builtin flow classifier with
  33    filters.
  34
  35    Source:
  36    R. Pan, B. Prabhakar, and K. Psounis, "CHOKe, A Stateless
  37    Active Queue Management Scheme for Approximating Fair Bandwidth Allocation",
  38    IEEE INFOCOM, 2000.
  39
  40    A. Tang, J. Wang, S. Low, "Understanding CHOKe: Throughput and Spatial
  41    Characteristics", IEEE/ACM Transactions on Networking, 2004
  42
  43  */
  44
  45 /* Upper bound on size of sk_buff table (packets) */
  46 #define CHOKE_MAX_QUEUE (128*1024 - 1)
  47
  48 struct choke_sched_data {
  49 /* Parameters */
  50         u32              limit;
  51         unsigned char    flags;
  52
  53         struct red_parms parms;
  54
  55 /* Variables */
  56         struct red_vars  vars;
  57         struct {
  58                 u32     prob_drop;      /* Early probability drops */
  59                 u32     prob_mark;      /* Early probability marks */
  60                 u32     forced_drop;    /* Forced drops, qavg > max_thresh */
  61                 u32     forced_mark;    /* Forced marks, qavg > max_thresh */
  62                 u32     pdrop;          /* Drops due to queue limits */
  63                 u32     other;          /* Drops due to drop() calls */
  64                 u32     matched;        /* Drops to flow match */
  65         } stats;
  66
  67         unsigned int     head;
  68         unsigned int     tail;
  69
  70         unsigned int     tab_mask; /* size - 1 */
  71
  72         struct sk_buff **tab;
  73 };
  74
  75 /* number of elements in queue including holes */
  76 static unsigned int choke_len(const struct choke_sched_data *q)
  77 {
  78         return (q->tail - q->head) & q->tab_mask;
  79 }
  80
  81 /* Is ECN parameter configured */
  82 static int use_ecn(const struct choke_sched_data *q)
  83 {
  84         return q->flags & TC_RED_ECN;
  85 }
  86
  87 /* Should packets over max just be dropped (versus marked) */
  88 static int use_harddrop(const struct choke_sched_data *q)
  89 {
  90         return q->flags & TC_RED_HARDDROP;
  91 }
  92
  93 /* Move head pointer forward to skip over holes */
  94 static void choke_zap_head_holes(struct choke_sched_data *q)
  95 {
  96         do {
  97                 q->head = (q->head + 1) & q->tab_mask;
  98                 if (q->head == q->tail)
  99                         break;
 100         } while (q->tab[q->head] == NULL);
 101 }
 102
 103 /* Move tail pointer backwards to reuse holes */
 104 static void choke_zap_tail_holes(struct choke_sched_data *q)
 105 {
 106         do {
 107                 q->tail = (q->tail - 1) & q->tab_mask;
 108                 if (q->head == q->tail)
 109                         break;
 110         } while (q->tab[q->tail] == NULL);
 111 }
 112
 113 /* Drop packet from queue array by creating a "hole" */
 114 static void choke_drop_by_idx(struct Qdisc *sch, unsigned int idx,
 115                               struct sk_buff **to_free)
 116 {
 117         struct choke_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 118         struct sk_buff *skb = q->tab[idx];
 119
 120         q->tab[idx] = NULL;
 121
 122         if (idx == q->head)
 123                 choke_zap_head_holes(q);
 124         if (idx == q->tail)
 125                 choke_zap_tail_holes(q);
 126
 127         qdisc_qstats_backlog_dec(sch, skb);
 128         qdisc_tree_reduce_backlog(sch, 1, qdisc_pkt_len(skb));
 129         qdisc_drop(skb, sch, to_free);
 130         --sch->q.qlen;
 131 }
 132
 133 struct choke_skb_cb {
 134         u16                     classid;
 135         u8                      keys_valid;
 136         struct                  flow_keys_digest keys;
 137 };
 138
 139 static inline struct choke_skb_cb *choke_skb_cb(const struct sk_buff *skb)
 140 {
 141         qdisc_cb_private_validate(skb, sizeof(struct choke_skb_cb));
 142         return (struct choke_skb_cb *)qdisc_skb_cb(skb)->data;
 143 }
 144
 145 static inline void choke_set_classid(struct sk_buff *skb, u16 classid)
 146 {
 147         choke_skb_cb(skb)->classid = classid;
 148 }
 149
 150 /*
 151  * Compare flow of two packets
 152  *  Returns true only if source and destination address and port match.
 153  *          false for special cases
 154  */
 155 static bool choke_match_flow(struct sk_buff *skb1,
 156                              struct sk_buff *skb2)
 157 {
 158         struct flow_keys temp;
 159
 160         if (skb1->protocol != skb2->protocol)
 161                 return false;
 162
 163         if (!choke_skb_cb(skb1)->keys_valid) {
 164                 choke_skb_cb(skb1)->keys_valid = 1;
 165                 skb_flow_dissect_flow_keys(skb1, &temp, 0);
 166                 make_flow_keys_digest(&choke_skb_cb(skb1)->keys, &temp);
 167         }
 168
 169         if (!choke_skb_cb(skb2)->keys_valid) {
 170                 choke_skb_cb(skb2)->keys_valid = 1;
 171                 skb_flow_dissect_flow_keys(skb2, &temp, 0);
 172                 make_flow_keys_digest(&choke_skb_cb(skb2)->keys, &temp);
 173         }
 174
 175         return !memcmp(&choke_skb_cb(skb1)->keys,
 176                        &choke_skb_cb(skb2)->keys,
 177                        sizeof(choke_skb_cb(skb1)->keys));
 178 }
 179
 180 /*
 181  * Select a packet at random from queue
 182  * HACK: since queue can have holes from previous deletion; retry several
 183  *   times to find a random skb but then just give up and return the head
 184  * Will return NULL if queue is empty (q->head == q->tail)
 185  */
 186 static struct sk_buff *choke_peek_random(const struct choke_sched_data *q,
 187                                          unsigned int *pidx)
 188 {
 189         struct sk_buff *skb;
 190         int retrys = 3;
 191
 192         do {
 193                 *pidx = (q->head + prandom_u32_max(choke_len(q))) & q->tab_mask;
 194                 skb = q->tab[*pidx];
 195                 if (skb)
 196                         return skb;
 197         } while (--retrys > 0);
 198
 199         return q->tab[*pidx = q->head];
 200 }
 201
 202 /*
 203  * Compare new packet with random packet in queue
 204  * returns true if matched and sets *pidx
 205  */
 206 static bool choke_match_random(const struct choke_sched_data *q,
 207                                struct sk_buff *nskb,
 208                                unsigned int *pidx)
 209 {
 210         struct sk_buff *oskb;
 211
 212         if (q->head == q->tail)
 213                 return false;
 214
 215         oskb = choke_peek_random(q, pidx);
 216         return choke_match_flow(oskb, nskb);
 217 }
 218
 219 static int choke_enqueue(struct sk_buff *skb, struct Qdisc *sch,
 220                          struct sk_buff **to_free)
 221 {
 222         struct choke_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 223         const struct red_parms *p = &q->parms;
 224
 225         choke_skb_cb(skb)->keys_valid = 0;
 226         /* Compute average queue usage (see RED) */
 227         q->vars.qavg = red_calc_qavg(p, &q->vars, sch->q.qlen);
 228         if (red_is_idling(&q->vars))
 229                 red_end_of_idle_period(&q->vars);
 230
 231         /* Is queue small? */
 232         if (q->vars.qavg <= p->qth_min)
 233                 q->vars.qcount = -1;
 234         else {
 235                 unsigned int idx;
 236
 237                 /* Draw a packet at random from queue and compare flow */
 238                 if (choke_match_random(q, skb, &idx)) {
 239                         q->stats.matched++;
 240                         choke_drop_by_idx(sch, idx, to_free);
 241                         goto congestion_drop;
 242                 }
 243
 244                 /* Queue is large, always mark/drop */
 245                 if (q->vars.qavg > p->qth_max) {
 246                         q->vars.qcount = -1;
 247
 248                         qdisc_qstats_overlimit(sch);
 249                         if (use_harddrop(q) || !use_ecn(q) ||
 250                             !INET_ECN_set_ce(skb)) {
 251                                 q->stats.forced_drop++;
 252                                 goto congestion_drop;
 253                         }
 254
 255                         q->stats.forced_mark++;
 256                 } else if (++q->vars.qcount) {
 257                         if (red_mark_probability(p, &q->vars, q->vars.qavg)) {
 258                                 q->vars.qcount = 0;
 259                                 q->vars.qR = red_random(p);
 260
 261                                 qdisc_qstats_overlimit(sch);
 262                                 if (!use_ecn(q) || !INET_ECN_set_ce(skb)) {
 263                                         q->stats.prob_drop++;
 264                                         goto congestion_drop;
 265                                 }
 266
 267                                 q->stats.prob_mark++;
 268                         }
 269                 } else
 270                         q->vars.qR = red_random(p);
 271         }
 272
 273         /* Admit new packet */
 274         if (sch->q.qlen < q->limit) {
 275                 q->tab[q->tail] = skb;
 276                 q->tail = (q->tail + 1) & q->tab_mask;
 277                 ++sch->q.qlen;
 278                 qdisc_qstats_backlog_inc(sch, skb);
 279                 return NET_XMIT_SUCCESS;
 280         }
 281
 282         q->stats.pdrop++;
 283         return qdisc_drop(skb, sch, to_free);
 284
 285 congestion_drop:
 286         qdisc_drop(skb, sch, to_free);
 287         return NET_XMIT_CN;
 288 }
 289
 290 static struct sk_buff *choke_dequeue(struct Qdisc *sch)
 291 {
 292         struct choke_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 293         struct sk_buff *skb;
 294
 295         if (q->head == q->tail) {
 296                 if (!red_is_idling(&q->vars))
 297                         red_start_of_idle_period(&q->vars);
 298                 return NULL;
 299         }
 300
 301         skb = q->tab[q->head];
 302         q->tab[q->head] = NULL;
 303         choke_zap_head_holes(q);
 304         --sch->q.qlen;
 305         qdisc_qstats_backlog_dec(sch, skb);
 306         qdisc_bstats_update(sch, skb);
 307
 308         return skb;
 309 }
 310
 311 static void choke_reset(struct Qdisc *sch)
 312 {
 313         struct choke_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 314
 315         while (q->head != q->tail) {
 316                 struct sk_buff *skb = q->tab[q->head];
 317
 318                 q->head = (q->head + 1) & q->tab_mask;
 319                 if (!skb)
 320                         continue;
 321                 rtnl_qdisc_drop(skb, sch);
 322         }
 323
 324         sch->q.qlen = 0;
 325         sch->qstats.backlog = 0;
 326         memset(q->tab, 0, (q->tab_mask + 1) * sizeof(struct sk_buff *));
 327         q->head = q->tail = 0;
 328         red_restart(&q->vars);
 329 }
 330
 331 static const struct nla_policy choke_policy[TCA_CHOKE_MAX + 1] = {
 332         [TCA_CHOKE_PARMS]       = { .len = sizeof(struct tc_red_qopt) },
 333         [TCA_CHOKE_STAB]        = { .len = RED_STAB_SIZE },
 334         [TCA_CHOKE_MAX_P]       = { .type = NLA_U32 },
 335 };
 336
 337
 338 static void choke_free(void *addr)
 339 {
 340         kvfree(addr);
 341 }
 342
 343 static int choke_change(struct Qdisc *sch, struct nlattr *opt,
 344                         struct netlink_ext_ack *extack)
 345 {
 346         struct choke_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 347         struct nlattr *tb[TCA_CHOKE_MAX + 1];
 348         const struct tc_red_qopt *ctl;
 349         int err;
 350         struct sk_buff **old = NULL;
 351         unsigned int mask;
 352         u32 max_P;
 353
 354         if (opt == NULL)
 355                 return -EINVAL;
 356
 357         err = nla_parse_nested_deprecated(tb, TCA_CHOKE_MAX, opt,
 358                                           choke_policy, NULL);
 359         if (err < 0)
 360                 return err;
 361
 362         if (tb[TCA_CHOKE_PARMS] == NULL ||
 363             tb[TCA_CHOKE_STAB] == NULL)
 364                 return -EINVAL;
 365
 366         max_P = tb[TCA_CHOKE_MAX_P] ? nla_get_u32(tb[TCA_CHOKE_MAX_P]) : 0;
 367
 368         ctl = nla_data(tb[TCA_CHOKE_PARMS]);
 369
 370         if (!red_check_params(ctl->qth_min, ctl->qth_max, ctl->Wlog))
 371                 return -EINVAL;
 372
 373         if (ctl->limit > CHOKE_MAX_QUEUE)
 374                 return -EINVAL;
 375
 376         mask = roundup_pow_of_two(ctl->limit + 1) - 1;
 377         if (mask != q->tab_mask) {
 378                 struct sk_buff **ntab;
 379
 380                 ntab = kvmalloc_array((mask + 1), sizeof(struct sk_buff *), GFP_KERNEL | __GFP_ZERO);
 381                 if (!ntab)
 382                         return -ENOMEM;
 383
 384                 sch_tree_lock(sch);
 385                 old = q->tab;
 386                 if (old) {
 387                         unsigned int oqlen = sch->q.qlen, tail = 0;
 388                         unsigned dropped = 0;
 389
 390                         while (q->head != q->tail) {
 391                                 struct sk_buff *skb = q->tab[q->head];
 392
 393                                 q->head = (q->head + 1) & q->tab_mask;
 394                                 if (!skb)
 395                                         continue;
 396                                 if (tail < mask) {
 397                                         ntab[tail++] = skb;
 398                                         continue;
 399                                 }
 400                                 dropped += qdisc_pkt_len(skb);
 401                                 qdisc_qstats_backlog_dec(sch, skb);
 402                                 --sch->q.qlen;
 403                                 rtnl_qdisc_drop(skb, sch);
 404                         }
 405                         qdisc_tree_reduce_backlog(sch, oqlen - sch->q.qlen, dropped);
 406                         q->head = 0;
 407                         q->tail = tail;
 408                 }
 409
 410                 q->tab_mask = mask;
 411                 q->tab = ntab;
 412         } else
 413                 sch_tree_lock(sch);
 414
 415         q->flags = ctl->flags;
 416         q->limit = ctl->limit;
 417
 418         red_set_parms(&q->parms, ctl->qth_min, ctl->qth_max, ctl->Wlog,
 419                       ctl->Plog, ctl->Scell_log,
 420                       nla_data(tb[TCA_CHOKE_STAB]),
 421                       max_P);
 422         red_set_vars(&q->vars);
 423
 424         if (q->head == q->tail)
 425                 red_end_of_idle_period(&q->vars);
 426
 427         sch_tree_unlock(sch);
 428         choke_free(old);
 429         return 0;
 430 }
 431
 432 static int choke_init(struct Qdisc *sch, struct nlattr *opt,
 433                       struct netlink_ext_ack *extack)
 434 {
 435         return choke_change(sch, opt, extack);
 436 }
 437
 438 static int choke_dump(struct Qdisc *sch, struct sk_buff *skb)
 439 {
 440         struct choke_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 441         struct nlattr *opts = NULL;
 442         struct tc_red_qopt opt = {
 443                 .limit          = q->limit,
 444                 .flags          = q->flags,
 445                 .qth_min        = q->parms.qth_min >> q->parms.Wlog,
 446                 .qth_max        = q->parms.qth_max >> q->parms.Wlog,
 447                 .Wlog           = q->parms.Wlog,
 448                 .Plog           = q->parms.Plog,
 449                 .Scell_log      = q->parms.Scell_log,
 450         };
 451
 452         opts = nla_nest_start_noflag(skb, TCA_OPTIONS);
 453         if (opts == NULL)
 454                 goto nla_put_failure;
 455
 456         if (nla_put(skb, TCA_CHOKE_PARMS, sizeof(opt), &opt) ||
 457             nla_put_u32(skb, TCA_CHOKE_MAX_P, q->parms.max_P))
 458                 goto nla_put_failure;
 459         return nla_nest_end(skb, opts);
 460
 461 nla_put_failure:
 462         nla_nest_cancel(skb, opts);
 463         return -EMSGSIZE;
 464 }
 465
 466 static int choke_dump_stats(struct Qdisc *sch, struct gnet_dump *d)
 467 {
 468         struct choke_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 469         struct tc_choke_xstats st = {
 470                 .early  = q->stats.prob_drop + q->stats.forced_drop,
 471                 .marked = q->stats.prob_mark + q->stats.forced_mark,
 472                 .pdrop  = q->stats.pdrop,
 473                 .other  = q->stats.other,
 474                 .matched = q->stats.matched,
 475         };
 476
 477         return gnet_stats_copy_app(d, &st, sizeof(st));
 478 }
 479
 480 static void choke_destroy(struct Qdisc *sch)
 481 {
 482         struct choke_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 483
 484         choke_free(q->tab);
 485 }
 486
 487 static struct sk_buff *choke_peek_head(struct Qdisc *sch)
 488 {
 489         struct choke_sched_data *q = qdisc_priv(sch);
 490
 491         return (q->head != q->tail) ? q->tab[q->head] : NULL;
 492 }
 493
 494 static struct Qdisc_ops choke_qdisc_ops __read_mostly = {
 495         .id             =       "choke",
 496         .priv_size      =       sizeof(struct choke_sched_data),
 497
 498         .enqueue        =       choke_enqueue,
 499         .dequeue        =       choke_dequeue,
 500         .peek           =       choke_peek_head,
 501         .init           =       choke_init,
 502         .destroy        =       choke_destroy,
 503         .reset          =       choke_reset,
 504         .change         =       choke_change,
 505         .dump           =       choke_dump,
 506         .dump_stats     =       choke_dump_stats,
 507         .owner          =       THIS_MODULE,
 508 };
 509
 510 static int __init choke_module_init(void)
 511 {
 512         return register_qdisc(&choke_qdisc_ops);
 513 }
 514
 515 static void __exit choke_module_exit(void)
 516 {
 517         unregister_qdisc(&choke_qdisc_ops);
 518 }
 519
 520 module_init(choke_module_init)
 521 module_exit(choke_module_exit)
 522
 523 MODULE_LICENSE("GPL");