f01bfe229198c5a4320dda7f552032f28cbb9c72
[ipfw.git] / dummynet2 / include / netinet / ip_dummynet.h
1 /*-
2  * Copyright (c) 1998-2002 Luigi Rizzo, Universita` di Pisa
3  * Portions Copyright (c) 2000 Akamba Corp.
4  * All rights reserved
5  *
6  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
7  * modification, are permitted provided that the following conditions
8  * are met:
9  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
10  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
11  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
12  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
13  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
14  *
15  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
16  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
17  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
18  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
19  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
20  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
21  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
22  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
23  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
24  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
25  * SUCH DAMAGE.
26  *
27  * $FreeBSD: src/sys/netinet/ip_dummynet.h,v 1.40.2.1 2008/04/25 10:26:30 oleg Exp $
28  */
29
30 #ifndef _IP_DUMMYNET_H
31 #define _IP_DUMMYNET_H
32
33 /*
34  * Definition of dummynet data structures. In the structures, I decided
35  * not to use the macros in <sys/queue.h> in the hope of making the code
36  * easier to port to other architectures. The type of lists and queue we
37  * use here is pretty simple anyways.
38  */
39
40 /*
41  * We start with a heap, which is used in the scheduler to decide when
42  * to transmit packets etc.
43  *
44  * The key for the heap is used for two different values:
45  *
46  * 1. timer ticks- max 10K/second, so 32 bits are enough;
47  *
48  * 2. virtual times. These increase in steps of len/x, where len is the
49  *    packet length, and x is either the weight of the flow, or the
50  *    sum of all weights.
51  *    If we limit to max 1000 flows and a max weight of 100, then
52  *    x needs 17 bits. The packet size is 16 bits, so we can easily
53  *    overflow if we do not allow errors.
54  * So we use a key "dn_key" which is 64 bits. Some macros are used to
55  * compare key values and handle wraparounds.
56  * MAX64 returns the largest of two key values.
57  * MY_M is used as a shift count when doing fixed point arithmetic
58  * (a better name would be useful...).
59  */
60 typedef u_int64_t dn_key ;      /* sorting key */
61 #define DN_KEY_LT(a,b)     ((int64_t)((a)-(b)) < 0)
62 #define DN_KEY_LEQ(a,b)    ((int64_t)((a)-(b)) <= 0)
63 #define DN_KEY_GT(a,b)     ((int64_t)((a)-(b)) > 0)
64 #define DN_KEY_GEQ(a,b)    ((int64_t)((a)-(b)) >= 0)
65 #define MAX64(x,y)  (( (int64_t) ( (y)-(x) )) > 0 ) ? (y) : (x)
66 #define MY_M    16 /* number of left shift to obtain a larger precision */
67
68 /*
69  * XXX With this scaling, max 1000 flows, max weight 100, 1Gbit/s, the
70  * virtual time wraps every 15 days.
71  */
72
73
74 /*
75  * The maximum hash table size for queues.  This value must be a power
76  * of 2.
77  */
78 #define DN_MAX_HASH_SIZE 65536
79
80 /*
81  * A heap entry is made of a key and a pointer to the actual
82  * object stored in the heap.
83  * The heap is an array of dn_heap_entry entries, dynamically allocated.
84  * Current size is "size", with "elements" actually in use.
85  * The heap normally supports only ordered insert and extract from the top.
86  * If we want to extract an object from the middle of the heap, we
87  * have to know where the object itself is located in the heap (or we
88  * need to scan the whole array). To this purpose, an object has a
89  * field (int) which contains the index of the object itself into the
90  * heap. When the object is moved, the field must also be updated.
91  * The offset of the index in the object is stored in the 'offset'
92  * field in the heap descriptor. The assumption is that this offset
93  * is non-zero if we want to support extract from the middle.
94  */
95 struct dn_heap_entry {
96     dn_key key ;        /* sorting key. Topmost element is smallest one */
97     void *object ;      /* object pointer */
98 } ;
99
100 struct dn_heap {
101     int size ;
102     int elements ;
103     int offset ; /* XXX if > 0 this is the offset of direct ptr to obj */
104     struct dn_heap_entry *p ;   /* really an array of "size" entries */
105 } ;
106
107 #ifdef _KERNEL
108 /*
109  * Packets processed by dummynet have an mbuf tag associated with
110  * them that carries their dummynet state.  This is used within
111  * the dummynet code as well as outside when checking for special
112  * processing requirements.
113  * Note that the first part is the reinject info and is common to
114  * other forms of packet reinjection.
115  */
116 struct dn_pkt_tag {
117         struct ipfw_rule_ref rule;      /* matching rule */
118
119     /* second part, dummynet specific */
120     int dn_dir;                 /* action when packet comes out. */
121                                 /* see ip_fw_private.h */
122
123     dn_key output_time;         /* when the pkt is due for delivery     */
124     struct ifnet *ifp;          /* interface, for ip_output             */
125     struct _ip6dn_args ip6opt;  /* XXX ipv6 options                     */
126 };
127 #endif /* _KERNEL */
128
129 /*
130  * Overall structure of dummynet (with WF2Q+):
131
132 In dummynet, packets are selected with the firewall rules, and passed
133 to two different objects: PIPE or QUEUE.
134
135 A QUEUE is just a queue with configurable size and queue management
136 policy. It is also associated with a mask (to discriminate among
137 different flows), a weight (used to give different shares of the
138 bandwidth to different flows) and a "pipe", which essentially
139 supplies the transmit clock for all queues associated with that
140 pipe.
141
142 A PIPE emulates a fixed-bandwidth link, whose bandwidth is
143 configurable.  The "clock" for a pipe can come from either an
144 internal timer, or from the transmit interrupt of an interface.
145 A pipe is also associated with one (or more, if masks are used)
146 queue, where all packets for that pipe are stored.
147
148 The bandwidth available on the pipe is shared by the queues
149 associated with that pipe (only one in case the packet is sent
150 to a PIPE) according to the WF2Q+ scheduling algorithm and the
151 configured weights.
152
153 In general, incoming packets are stored in the appropriate queue,
154 which is then placed into one of a few heaps managed by a scheduler
155 to decide when the packet should be extracted.
156 The scheduler (a function called dummynet()) is run at every timer
157 tick, and grabs queues from the head of the heaps when they are
158 ready for processing.
159
160 There are three data structures definining a pipe and associated queues:
161
162  + dn_pipe, which contains the main configuration parameters related
163    to delay and bandwidth;
164  + dn_flow_set, which contains WF2Q+ configuration, flow
165    masks, plr and RED configuration;
166  + dn_flow_queue, which is the per-flow queue (containing the packets)
167
168 Multiple dn_flow_set can be linked to the same pipe, and multiple
169 dn_flow_queue can be linked to the same dn_flow_set.
170 All data structures are linked in a linear list which is used for
171 housekeeping purposes.
172
173 During configuration, we create and initialize the dn_flow_set
174 and dn_pipe structures (a dn_pipe also contains a dn_flow_set).
175
176 At runtime: packets are sent to the appropriate dn_flow_set (either
177 WFQ ones, or the one embedded in the dn_pipe for fixed-rate flows),
178 which in turn dispatches them to the appropriate dn_flow_queue
179 (created dynamically according to the masks).
180
181 The transmit clock for fixed rate flows (ready_event()) selects the
182 dn_flow_queue to be used to transmit the next packet. For WF2Q,
183 wfq_ready_event() extract a pipe which in turn selects the right
184 flow using a number of heaps defined into the pipe itself.
185
186  *
187  */
188
189 /*
190  * per flow queue. This contains the flow identifier, the queue
191  * of packets, counters, and parameters used to support both RED and
192  * WF2Q+.
193  *
194  * A dn_flow_queue is created and initialized whenever a packet for
195  * a new flow arrives.
196  */
197 struct dn_flow_queue {
198     struct dn_flow_queue *next ;
199     struct ipfw_flow_id id ;
200
201     struct mbuf *head, *tail ;  /* queue of packets */
202     u_int len ;
203     u_int len_bytes ;
204
205     /*
206      * When we emulate MAC overheads, or channel unavailability due
207      * to other traffic on a shared medium, we augment the packet at
208      * the head of the queue with an 'extra_bits' field representsing
209      * the additional delay the packet will be subject to:
210      *          extra_bits = bw*unavailable_time.
211      * With large bandwidth and large delays, extra_bits (and also numbytes)
212      * can become very large, so better play safe and use 64 bit
213      */
214     uint64_t numbytes ;         /* credit for transmission (dynamic queues) */
215     int64_t extra_bits;         /* extra bits simulating unavailable channel */
216
217     u_int64_t tot_pkts ;        /* statistics counters  */
218     u_int64_t tot_bytes ;
219     u_int32_t drops ;
220
221     int hash_slot ;             /* debugging/diagnostic */
222
223     /* RED parameters */
224     int avg ;                   /* average queue length est. (scaled) */
225     int count ;                 /* arrivals since last RED drop */
226     int random ;                /* random value (scaled) */
227     dn_key idle_time;           /* start of queue idle time */
228
229     /* WF2Q+ support */
230     struct dn_flow_set *fs ;    /* parent flow set */
231     int heap_pos ;              /* position (index) of struct in heap */
232     dn_key sched_time ;         /* current time when queue enters ready_heap */
233
234     dn_key S,F ;                /* start time, finish time */
235     /*
236      * Setting F < S means the timestamp is invalid. We only need
237      * to test this when the queue is empty.
238      */
239 } ;
240
241 /*
242  * flow_set descriptor. Contains the "template" parameters for the
243  * queue configuration, and pointers to the hash table of dn_flow_queue's.
244  *
245  * The hash table is an array of lists -- we identify the slot by
246  * hashing the flow-id, then scan the list looking for a match.
247  * The size of the hash table (buckets) is configurable on a per-queue
248  * basis.
249  *
250  * A dn_flow_set is created whenever a new queue or pipe is created (in the
251  * latter case, the structure is located inside the struct dn_pipe).
252  */
253 struct dn_flow_set {
254     SLIST_ENTRY(dn_flow_set)    next;   /* linked list in a hash slot */
255
256     u_short fs_nr ;             /* flow_set number       */
257     u_short flags_fs;
258 #define DN_HAVE_FLOW_MASK       0x0001
259 #define DN_IS_RED               0x0002
260 #define DN_IS_GENTLE_RED        0x0004
261 #define DN_QSIZE_IS_BYTES       0x0008  /* queue size is measured in bytes */
262 #define DN_NOERROR              0x0010  /* do not report ENOBUFS on drops  */
263 #define DN_HAS_PROFILE          0x0020  /* the pipe has a delay profile. */
264 #define DN_IS_PIPE              0x4000
265 #define DN_IS_QUEUE             0x8000
266
267     struct dn_pipe *pipe ;      /* pointer to parent pipe */
268     u_short parent_nr ;         /* parent pipe#, 0 if local to a pipe */
269
270     int weight ;                /* WFQ queue weight */
271     int qsize ;                 /* queue size in slots or bytes */
272     int plr ;                   /* pkt loss rate (2^31-1 means 100%) */
273
274     struct ipfw_flow_id flow_mask ;
275
276     /* hash table of queues onto this flow_set */
277     int rq_size ;               /* number of slots */
278     int rq_elements ;           /* active elements */
279     struct dn_flow_queue **rq;  /* array of rq_size entries */
280
281     u_int32_t last_expired ;    /* do not expire too frequently */
282     int backlogged ;            /* #active queues for this flowset */
283
284         /* RED parameters */
285 #define SCALE_RED               16
286 #define SCALE(x)                ( (x) << SCALE_RED )
287 #define SCALE_VAL(x)            ( (x) >> SCALE_RED )
288 #define SCALE_MUL(x,y)          ( ( (x) * (y) ) >> SCALE_RED )
289     int w_q ;                   /* queue weight (scaled) */
290     int max_th ;                /* maximum threshold for queue (scaled) */
291     int min_th ;                /* minimum threshold for queue (scaled) */
292     int max_p ;                 /* maximum value for p_b (scaled) */
293     u_int c_1 ;                 /* max_p/(max_th-min_th) (scaled) */
294     u_int c_2 ;                 /* max_p*min_th/(max_th-min_th) (scaled) */
295     u_int c_3 ;                 /* for GRED, (1-max_p)/max_th (scaled) */
296     u_int c_4 ;                 /* for GRED, 1 - 2*max_p (scaled) */
297     u_int * w_q_lookup ;        /* lookup table for computing (1-w_q)^t */
298     u_int lookup_depth ;        /* depth of lookup table */
299     int lookup_step ;           /* granularity inside the lookup table */
300     int lookup_weight ;         /* equal to (1-w_q)^t / (1-w_q)^(t+1) */
301     int avg_pkt_size ;          /* medium packet size */
302     int max_pkt_size ;          /* max packet size */
303 };
304 SLIST_HEAD(dn_flow_set_head, dn_flow_set);
305
306 /*
307  * Pipe descriptor. Contains global parameters, delay-line queue,
308  * and the flow_set used for fixed-rate queues.
309  *
310  * For WF2Q+ support it also has 3 heaps holding dn_flow_queue:
311  *   not_eligible_heap, for queues whose start time is higher
312  *      than the virtual time. Sorted by start time.
313  *   scheduler_heap, for queues eligible for scheduling. Sorted by
314  *      finish time.
315  *   idle_heap, all flows that are idle and can be removed. We
316  *      do that on each tick so we do not slow down too much
317  *      operations during forwarding.
318  *
319  */
320 struct dn_pipe {                /* a pipe */
321     SLIST_ENTRY(dn_pipe)        next;   /* linked list in a hash slot */
322
323     int pipe_nr ;               /* number       */
324     int bandwidth;              /* really, bytes/tick.  */
325     int delay ;                 /* really, ticks        */
326
327     struct      mbuf *head, *tail ;     /* packets in delay line */
328
329     /* WF2Q+ */
330     struct dn_heap scheduler_heap ; /* top extract - key Finish time*/
331     struct dn_heap not_eligible_heap; /* top extract- key Start time */
332     struct dn_heap idle_heap ; /* random extract - key Start=Finish time */
333
334     dn_key V ;                  /* virtual time */
335     int sum;                    /* sum of weights of all active sessions */
336
337     /* Same as in dn_flow_queue, numbytes can become large */
338     int64_t numbytes;           /* bits I can transmit (more or less). */
339     uint64_t burst;             /* burst size, scaled: bits * hz */
340
341     dn_key sched_time ;         /* time pipe was scheduled in ready_heap */
342     dn_key idle_time;           /* start of pipe idle time */
343
344     /*
345      * When the tx clock come from an interface (if_name[0] != '\0'), its name
346      * is stored below, whereas the ifp is filled when the rule is configured.
347      */
348     char if_name[IFNAMSIZ];
349     struct ifnet *ifp ;
350     int ready ; /* set if ifp != NULL and we got a signal from it */
351
352     struct dn_flow_set fs ; /* used with fixed-rate flows */
353
354     /* fields to simulate a delay profile */
355
356 #define ED_MAX_NAME_LEN         32
357     char name[ED_MAX_NAME_LEN];
358     int loss_level;
359     int samples_no;
360     int *samples;
361 };
362
363 /* dn_pipe_max is used to pass pipe configuration from userland onto
364  * kernel space and back
365  */
366 #define ED_MAX_SAMPLES_NO       1024
367 struct dn_pipe_max {
368         struct dn_pipe pipe;
369         int samples[ED_MAX_SAMPLES_NO];
370 };
371
372 SLIST_HEAD(dn_pipe_head, dn_pipe);
373
374 #endif /* _IP_DUMMYNET_H */