Merge branch 'userns-linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/ebiederm...
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / networking / packet_mmap.txt
1 --------------------------------------------------------------------------------
2 + ABSTRACT
3 --------------------------------------------------------------------------------
4
5 This file documents the mmap() facility available with the PACKET
6 socket interface on 2.4/2.6/3.x kernels. This type of sockets is used for
7 i) capture network traffic with utilities like tcpdump, ii) transmit network
8 traffic, or any other that needs raw access to network interface.
9
10 Howto can be found at:
11     https://sites.google.com/site/packetmmap/
12
13 Please send your comments to
14     Ulisses Alonso CamarĂ³ <uaca@i.hate.spam.alumni.uv.es>
15     Johann Baudy
16
17 -------------------------------------------------------------------------------
18 + Why use PACKET_MMAP
19 --------------------------------------------------------------------------------
20
21 In Linux 2.4/2.6/3.x if PACKET_MMAP is not enabled, the capture process is very
22 inefficient. It uses very limited buffers and requires one system call to
23 capture each packet, it requires two if you want to get packet's timestamp
24 (like libpcap always does).
25
26 In the other hand PACKET_MMAP is very efficient. PACKET_MMAP provides a size 
27 configurable circular buffer mapped in user space that can be used to either
28 send or receive packets. This way reading packets just needs to wait for them,
29 most of the time there is no need to issue a single system call. Concerning
30 transmission, multiple packets can be sent through one system call to get the
31 highest bandwidth. By using a shared buffer between the kernel and the user
32 also has the benefit of minimizing packet copies.
33
34 It's fine to use PACKET_MMAP to improve the performance of the capture and
35 transmission process, but it isn't everything. At least, if you are capturing
36 at high speeds (this is relative to the cpu speed), you should check if the
37 device driver of your network interface card supports some sort of interrupt
38 load mitigation or (even better) if it supports NAPI, also make sure it is
39 enabled. For transmission, check the MTU (Maximum Transmission Unit) used and
40 supported by devices of your network. CPU IRQ pinning of your network interface
41 card can also be an advantage.
42
43 --------------------------------------------------------------------------------
44 + How to use mmap() to improve capture process
45 --------------------------------------------------------------------------------
46
47 From the user standpoint, you should use the higher level libpcap library, which
48 is a de facto standard, portable across nearly all operating systems
49 including Win32. 
50
51 Packet MMAP support was integrated into libpcap around the time of version 1.3.0;
52 TPACKET_V3 support was added in version 1.5.0
53
54 --------------------------------------------------------------------------------
55 + How to use mmap() directly to improve capture process
56 --------------------------------------------------------------------------------
57
58 From the system calls stand point, the use of PACKET_MMAP involves
59 the following process:
60
61
62 [setup]     socket() -------> creation of the capture socket
63             setsockopt() ---> allocation of the circular buffer (ring)
64                               option: PACKET_RX_RING
65             mmap() ---------> mapping of the allocated buffer to the
66                               user process
67
68 [capture]   poll() ---------> to wait for incoming packets
69
70 [shutdown]  close() --------> destruction of the capture socket and
71                               deallocation of all associated 
72                               resources.
73
74
75 socket creation and destruction is straight forward, and is done 
76 the same way with or without PACKET_MMAP:
77
78  int fd = socket(PF_PACKET, mode, htons(ETH_P_ALL));
79
80 where mode is SOCK_RAW for the raw interface were link level
81 information can be captured or SOCK_DGRAM for the cooked
82 interface where link level information capture is not 
83 supported and a link level pseudo-header is provided 
84 by the kernel.
85
86 The destruction of the socket and all associated resources
87 is done by a simple call to close(fd).
88
89 Similarly as without PACKET_MMAP, it is possible to use one socket
90 for capture and transmission. This can be done by mapping the
91 allocated RX and TX buffer ring with a single mmap() call.
92 See "Mapping and use of the circular buffer (ring)".
93
94 Next I will describe PACKET_MMAP settings and its constraints,
95 also the mapping of the circular buffer in the user process and 
96 the use of this buffer.
97
98 --------------------------------------------------------------------------------
99 + How to use mmap() directly to improve transmission process
100 --------------------------------------------------------------------------------
101 Transmission process is similar to capture as shown below.
102
103 [setup]          socket() -------> creation of the transmission socket
104                  setsockopt() ---> allocation of the circular buffer (ring)
105                                    option: PACKET_TX_RING
106                  bind() ---------> bind transmission socket with a network interface
107                  mmap() ---------> mapping of the allocated buffer to the
108                                    user process
109
110 [transmission]   poll() ---------> wait for free packets (optional)
111                  send() ---------> send all packets that are set as ready in
112                                    the ring
113                                    The flag MSG_DONTWAIT can be used to return
114                                    before end of transfer.
115
116 [shutdown]  close() --------> destruction of the transmission socket and
117                               deallocation of all associated resources.
118
119 Socket creation and destruction is also straight forward, and is done
120 the same way as in capturing described in the previous paragraph:
121
122  int fd = socket(PF_PACKET, mode, 0);
123
124 The protocol can optionally be 0 in case we only want to transmit
125 via this socket, which avoids an expensive call to packet_rcv().
126 In this case, you also need to bind(2) the TX_RING with sll_protocol = 0
127 set. Otherwise, htons(ETH_P_ALL) or any other protocol, for example.
128
129 Binding the socket to your network interface is mandatory (with zero copy) to
130 know the header size of frames used in the circular buffer.
131
132 As capture, each frame contains two parts:
133
134  --------------------
135 | struct tpacket_hdr | Header. It contains the status of
136 |                    | of this frame
137 |--------------------|
138 | data buffer        |
139 .                    .  Data that will be sent over the network interface.
140 .                    .
141  --------------------
142
143  bind() associates the socket to your network interface thanks to
144  sll_ifindex parameter of struct sockaddr_ll.
145
146  Initialization example:
147
148  struct sockaddr_ll my_addr;
149  struct ifreq s_ifr;
150  ...
151
152  strncpy (s_ifr.ifr_name, "eth0", sizeof(s_ifr.ifr_name));
153
154  /* get interface index of eth0 */
155  ioctl(this->socket, SIOCGIFINDEX, &s_ifr);
156
157  /* fill sockaddr_ll struct to prepare binding */
158  my_addr.sll_family = AF_PACKET;
159  my_addr.sll_protocol = htons(ETH_P_ALL);
160  my_addr.sll_ifindex =  s_ifr.ifr_ifindex;
161
162  /* bind socket to eth0 */
163  bind(this->socket, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr_ll));
164
165  A complete tutorial is available at: https://sites.google.com/site/packetmmap/
166
167 By default, the user should put data at :
168  frame base + TPACKET_HDRLEN - sizeof(struct sockaddr_ll)
169
170 So, whatever you choose for the socket mode (SOCK_DGRAM or SOCK_RAW),
171 the beginning of the user data will be at :
172  frame base + TPACKET_ALIGN(sizeof(struct tpacket_hdr))
173
174 If you wish to put user data at a custom offset from the beginning of
175 the frame (for payload alignment with SOCK_RAW mode for instance) you
176 can set tp_net (with SOCK_DGRAM) or tp_mac (with SOCK_RAW). In order
177 to make this work it must be enabled previously with setsockopt()
178 and the PACKET_TX_HAS_OFF option.
179
180 --------------------------------------------------------------------------------
181 + PACKET_MMAP settings
182 --------------------------------------------------------------------------------
183
184 To setup PACKET_MMAP from user level code is done with a call like
185
186  - Capture process
187      setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_RX_RING, (void *) &req, sizeof(req))
188  - Transmission process
189      setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_TX_RING, (void *) &req, sizeof(req))
190
191 The most significant argument in the previous call is the req parameter, 
192 this parameter must to have the following structure:
193
194     struct tpacket_req
195     {
196         unsigned int    tp_block_size;  /* Minimal size of contiguous block */
197         unsigned int    tp_block_nr;    /* Number of blocks */
198         unsigned int    tp_frame_size;  /* Size of frame */
199         unsigned int    tp_frame_nr;    /* Total number of frames */
200     };
201
202 This structure is defined in /usr/include/linux/if_packet.h and establishes a 
203 circular buffer (ring) of unswappable memory.
204 Being mapped in the capture process allows reading the captured frames and 
205 related meta-information like timestamps without requiring a system call.
206
207 Frames are grouped in blocks. Each block is a physically contiguous
208 region of memory and holds tp_block_size/tp_frame_size frames. The total number 
209 of blocks is tp_block_nr. Note that tp_frame_nr is a redundant parameter because
210
211     frames_per_block = tp_block_size/tp_frame_size
212
213 indeed, packet_set_ring checks that the following condition is true
214
215     frames_per_block * tp_block_nr == tp_frame_nr
216
217 Lets see an example, with the following values:
218
219      tp_block_size= 4096
220      tp_frame_size= 2048
221      tp_block_nr  = 4
222      tp_frame_nr  = 8
223
224 we will get the following buffer structure:
225
226         block #1                 block #2         
227 +---------+---------+    +---------+---------+    
228 | frame 1 | frame 2 |    | frame 3 | frame 4 |    
229 +---------+---------+    +---------+---------+    
230
231         block #3                 block #4
232 +---------+---------+    +---------+---------+
233 | frame 5 | frame 6 |    | frame 7 | frame 8 |
234 +---------+---------+    +---------+---------+
235
236 A frame can be of any size with the only condition it can fit in a block. A block
237 can only hold an integer number of frames, or in other words, a frame cannot 
238 be spawned across two blocks, so there are some details you have to take into 
239 account when choosing the frame_size. See "Mapping and use of the circular 
240 buffer (ring)".
241
242 --------------------------------------------------------------------------------
243 + PACKET_MMAP setting constraints
244 --------------------------------------------------------------------------------
245
246 In kernel versions prior to 2.4.26 (for the 2.4 branch) and 2.6.5 (2.6 branch),
247 the PACKET_MMAP buffer could hold only 32768 frames in a 32 bit architecture or
248 16384 in a 64 bit architecture. For information on these kernel versions
249 see http://pusa.uv.es/~ulisses/packet_mmap/packet_mmap.pre-2.4.26_2.6.5.txt
250
251  Block size limit
252 ------------------
253
254 As stated earlier, each block is a contiguous physical region of memory. These 
255 memory regions are allocated with calls to the __get_free_pages() function. As 
256 the name indicates, this function allocates pages of memory, and the second
257 argument is "order" or a power of two number of pages, that is 
258 (for PAGE_SIZE == 4096) order=0 ==> 4096 bytes, order=1 ==> 8192 bytes, 
259 order=2 ==> 16384 bytes, etc. The maximum size of a 
260 region allocated by __get_free_pages is determined by the MAX_ORDER macro. More 
261 precisely the limit can be calculated as:
262
263    PAGE_SIZE << MAX_ORDER
264
265    In a i386 architecture PAGE_SIZE is 4096 bytes 
266    In a 2.4/i386 kernel MAX_ORDER is 10
267    In a 2.6/i386 kernel MAX_ORDER is 11
268
269 So get_free_pages can allocate as much as 4MB or 8MB in a 2.4/2.6 kernel 
270 respectively, with an i386 architecture.
271
272 User space programs can include /usr/include/sys/user.h and 
273 /usr/include/linux/mmzone.h to get PAGE_SIZE MAX_ORDER declarations.
274
275 The pagesize can also be determined dynamically with the getpagesize (2) 
276 system call. 
277
278  Block number limit
279 --------------------
280
281 To understand the constraints of PACKET_MMAP, we have to see the structure 
282 used to hold the pointers to each block.
283
284 Currently, this structure is a dynamically allocated vector with kmalloc 
285 called pg_vec, its size limits the number of blocks that can be allocated.
286
287     +---+---+---+---+
288     | x | x | x | x |
289     +---+---+---+---+
290       |   |   |   |
291       |   |   |   v
292       |   |   v  block #4
293       |   v  block #3
294       v  block #2
295      block #1
296
297 kmalloc allocates any number of bytes of physically contiguous memory from 
298 a pool of pre-determined sizes. This pool of memory is maintained by the slab 
299 allocator which is at the end the responsible for doing the allocation and 
300 hence which imposes the maximum memory that kmalloc can allocate. 
301
302 In a 2.4/2.6 kernel and the i386 architecture, the limit is 131072 bytes. The 
303 predetermined sizes that kmalloc uses can be checked in the "size-<bytes>" 
304 entries of /proc/slabinfo
305
306 In a 32 bit architecture, pointers are 4 bytes long, so the total number of 
307 pointers to blocks is
308
309      131072/4 = 32768 blocks
310
311  PACKET_MMAP buffer size calculator
312 ------------------------------------
313
314 Definitions:
315
316 <size-max>    : is the maximum size of allocable with kmalloc (see /proc/slabinfo)
317 <pointer size>: depends on the architecture -- sizeof(void *)
318 <page size>   : depends on the architecture -- PAGE_SIZE or getpagesize (2)
319 <max-order>   : is the value defined with MAX_ORDER
320 <frame size>  : it's an upper bound of frame's capture size (more on this later)
321
322 from these definitions we will derive 
323
324         <block number> = <size-max>/<pointer size>
325         <block size> = <pagesize> << <max-order>
326
327 so, the max buffer size is
328
329         <block number> * <block size>
330
331 and, the number of frames be
332
333         <block number> * <block size> / <frame size>
334
335 Suppose the following parameters, which apply for 2.6 kernel and an
336 i386 architecture:
337
338         <size-max> = 131072 bytes
339         <pointer size> = 4 bytes
340         <pagesize> = 4096 bytes
341         <max-order> = 11
342
343 and a value for <frame size> of 2048 bytes. These parameters will yield
344
345         <block number> = 131072/4 = 32768 blocks
346         <block size> = 4096 << 11 = 8 MiB.
347
348 and hence the buffer will have a 262144 MiB size. So it can hold 
349 262144 MiB / 2048 bytes = 134217728 frames
350
351 Actually, this buffer size is not possible with an i386 architecture. 
352 Remember that the memory is allocated in kernel space, in the case of 
353 an i386 kernel's memory size is limited to 1GiB.
354
355 All memory allocations are not freed until the socket is closed. The memory 
356 allocations are done with GFP_KERNEL priority, this basically means that 
357 the allocation can wait and swap other process' memory in order to allocate 
358 the necessary memory, so normally limits can be reached.
359
360  Other constraints
361 -------------------
362
363 If you check the source code you will see that what I draw here as a frame
364 is not only the link level frame. At the beginning of each frame there is a 
365 header called struct tpacket_hdr used in PACKET_MMAP to hold link level's frame
366 meta information like timestamp. So what we draw here a frame it's really 
367 the following (from include/linux/if_packet.h):
368
369 /*
370    Frame structure:
371
372    - Start. Frame must be aligned to TPACKET_ALIGNMENT=16
373    - struct tpacket_hdr
374    - pad to TPACKET_ALIGNMENT=16
375    - struct sockaddr_ll
376    - Gap, chosen so that packet data (Start+tp_net) aligns to 
377      TPACKET_ALIGNMENT=16
378    - Start+tp_mac: [ Optional MAC header ]
379    - Start+tp_net: Packet data, aligned to TPACKET_ALIGNMENT=16.
380    - Pad to align to TPACKET_ALIGNMENT=16
381  */
382  
383  The following are conditions that are checked in packet_set_ring
384
385    tp_block_size must be a multiple of PAGE_SIZE (1)
386    tp_frame_size must be greater than TPACKET_HDRLEN (obvious)
387    tp_frame_size must be a multiple of TPACKET_ALIGNMENT
388    tp_frame_nr   must be exactly frames_per_block*tp_block_nr
389
390 Note that tp_block_size should be chosen to be a power of two or there will
391 be a waste of memory.
392
393 --------------------------------------------------------------------------------
394 + Mapping and use of the circular buffer (ring)
395 --------------------------------------------------------------------------------
396
397 The mapping of the buffer in the user process is done with the conventional 
398 mmap function. Even the circular buffer is compound of several physically
399 discontiguous blocks of memory, they are contiguous to the user space, hence
400 just one call to mmap is needed:
401
402     mmap(0, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
403
404 If tp_frame_size is a divisor of tp_block_size frames will be 
405 contiguously spaced by tp_frame_size bytes. If not, each
406 tp_block_size/tp_frame_size frames there will be a gap between 
407 the frames. This is because a frame cannot be spawn across two
408 blocks. 
409
410 To use one socket for capture and transmission, the mapping of both the
411 RX and TX buffer ring has to be done with one call to mmap:
412
413     ...
414     setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_RX_RING, &foo, sizeof(foo));
415     setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_TX_RING, &bar, sizeof(bar));
416     ...
417     rx_ring = mmap(0, size * 2, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
418     tx_ring = rx_ring + size;
419
420 RX must be the first as the kernel maps the TX ring memory right
421 after the RX one.
422
423 At the beginning of each frame there is an status field (see 
424 struct tpacket_hdr). If this field is 0 means that the frame is ready
425 to be used for the kernel, If not, there is a frame the user can read 
426 and the following flags apply:
427
428 +++ Capture process:
429      from include/linux/if_packet.h
430
431      #define TP_STATUS_COPY          (1 << 1)
432      #define TP_STATUS_LOSING        (1 << 2)
433      #define TP_STATUS_CSUMNOTREADY  (1 << 3)
434      #define TP_STATUS_CSUM_VALID    (1 << 7)
435
436 TP_STATUS_COPY        : This flag indicates that the frame (and associated
437                         meta information) has been truncated because it's 
438                         larger than tp_frame_size. This packet can be 
439                         read entirely with recvfrom().
440                         
441                         In order to make this work it must to be
442                         enabled previously with setsockopt() and 
443                         the PACKET_COPY_THRESH option. 
444
445                         The number of frames that can be buffered to
446                         be read with recvfrom is limited like a normal socket.
447                         See the SO_RCVBUF option in the socket (7) man page.
448
449 TP_STATUS_LOSING      : indicates there were packet drops from last time 
450                         statistics where checked with getsockopt() and
451                         the PACKET_STATISTICS option.
452
453 TP_STATUS_CSUMNOTREADY: currently it's used for outgoing IP packets which 
454                         its checksum will be done in hardware. So while
455                         reading the packet we should not try to check the 
456                         checksum. 
457
458 TP_STATUS_CSUM_VALID  : This flag indicates that at least the transport
459                         header checksum of the packet has been already
460                         validated on the kernel side. If the flag is not set
461                         then we are free to check the checksum by ourselves
462                         provided that TP_STATUS_CSUMNOTREADY is also not set.
463
464 for convenience there are also the following defines:
465
466      #define TP_STATUS_KERNEL        0
467      #define TP_STATUS_USER          1
468
469 The kernel initializes all frames to TP_STATUS_KERNEL, when the kernel
470 receives a packet it puts in the buffer and updates the status with
471 at least the TP_STATUS_USER flag. Then the user can read the packet,
472 once the packet is read the user must zero the status field, so the kernel 
473 can use again that frame buffer.
474
475 The user can use poll (any other variant should apply too) to check if new
476 packets are in the ring:
477
478     struct pollfd pfd;
479
480     pfd.fd = fd;
481     pfd.revents = 0;
482     pfd.events = POLLIN|POLLRDNORM|POLLERR;
483
484     if (status == TP_STATUS_KERNEL)
485         retval = poll(&pfd, 1, timeout);
486
487 It doesn't incur in a race condition to first check the status value and 
488 then poll for frames.
489
490 ++ Transmission process
491 Those defines are also used for transmission:
492
493      #define TP_STATUS_AVAILABLE        0 // Frame is available
494      #define TP_STATUS_SEND_REQUEST     1 // Frame will be sent on next send()
495      #define TP_STATUS_SENDING          2 // Frame is currently in transmission
496      #define TP_STATUS_WRONG_FORMAT     4 // Frame format is not correct
497
498 First, the kernel initializes all frames to TP_STATUS_AVAILABLE. To send a
499 packet, the user fills a data buffer of an available frame, sets tp_len to
500 current data buffer size and sets its status field to TP_STATUS_SEND_REQUEST.
501 This can be done on multiple frames. Once the user is ready to transmit, it
502 calls send(). Then all buffers with status equal to TP_STATUS_SEND_REQUEST are
503 forwarded to the network device. The kernel updates each status of sent
504 frames with TP_STATUS_SENDING until the end of transfer.
505 At the end of each transfer, buffer status returns to TP_STATUS_AVAILABLE.
506
507     header->tp_len = in_i_size;
508     header->tp_status = TP_STATUS_SEND_REQUEST;
509     retval = send(this->socket, NULL, 0, 0);
510
511 The user can also use poll() to check if a buffer is available:
512 (status == TP_STATUS_SENDING)
513
514     struct pollfd pfd;
515     pfd.fd = fd;
516     pfd.revents = 0;
517     pfd.events = POLLOUT;
518     retval = poll(&pfd, 1, timeout);
519
520 -------------------------------------------------------------------------------
521 + What TPACKET versions are available and when to use them?
522 -------------------------------------------------------------------------------
523
524  int val = tpacket_version;
525  setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_VERSION, &val, sizeof(val));
526  getsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_VERSION, &val, sizeof(val));
527
528 where 'tpacket_version' can be TPACKET_V1 (default), TPACKET_V2, TPACKET_V3.
529
530 TPACKET_V1:
531         - Default if not otherwise specified by setsockopt(2)
532         - RX_RING, TX_RING available
533
534 TPACKET_V1 --> TPACKET_V2:
535         - Made 64 bit clean due to unsigned long usage in TPACKET_V1
536           structures, thus this also works on 64 bit kernel with 32 bit
537           userspace and the like
538         - Timestamp resolution in nanoseconds instead of microseconds
539         - RX_RING, TX_RING available
540         - VLAN metadata information available for packets
541           (TP_STATUS_VLAN_VALID, TP_STATUS_VLAN_TPID_VALID),
542           in the tpacket2_hdr structure:
543                 - TP_STATUS_VLAN_VALID bit being set into the tp_status field indicates
544                   that the tp_vlan_tci field has valid VLAN TCI value
545                 - TP_STATUS_VLAN_TPID_VALID bit being set into the tp_status field
546                   indicates that the tp_vlan_tpid field has valid VLAN TPID value
547         - How to switch to TPACKET_V2:
548                 1. Replace struct tpacket_hdr by struct tpacket2_hdr
549                 2. Query header len and save
550                 3. Set protocol version to 2, set up ring as usual
551                 4. For getting the sockaddr_ll,
552                    use (void *)hdr + TPACKET_ALIGN(hdrlen) instead of
553                    (void *)hdr + TPACKET_ALIGN(sizeof(struct tpacket_hdr))
554
555 TPACKET_V2 --> TPACKET_V3:
556         - Flexible buffer implementation for RX_RING:
557                 1. Blocks can be configured with non-static frame-size
558                 2. Read/poll is at a block-level (as opposed to packet-level)
559                 3. Added poll timeout to avoid indefinite user-space wait
560                    on idle links
561                 4. Added user-configurable knobs:
562                         4.1 block::timeout
563                         4.2 tpkt_hdr::sk_rxhash
564         - RX Hash data available in user space
565         - TX_RING semantics are conceptually similar to TPACKET_V2;
566           use tpacket3_hdr instead of tpacket2_hdr, and TPACKET3_HDRLEN
567           instead of TPACKET2_HDRLEN. In the current implementation,
568           the tp_next_offset field in the tpacket3_hdr MUST be set to
569           zero, indicating that the ring does not hold variable sized frames.
570           Packets with non-zero values of tp_next_offset will be dropped.
571
572 -------------------------------------------------------------------------------
573 + AF_PACKET fanout mode
574 -------------------------------------------------------------------------------
575
576 In the AF_PACKET fanout mode, packet reception can be load balanced among
577 processes. This also works in combination with mmap(2) on packet sockets.
578
579 Currently implemented fanout policies are:
580
581   - PACKET_FANOUT_HASH: schedule to socket by skb's packet hash
582   - PACKET_FANOUT_LB: schedule to socket by round-robin
583   - PACKET_FANOUT_CPU: schedule to socket by CPU packet arrives on
584   - PACKET_FANOUT_RND: schedule to socket by random selection
585   - PACKET_FANOUT_ROLLOVER: if one socket is full, rollover to another
586   - PACKET_FANOUT_QM: schedule to socket by skbs recorded queue_mapping
587
588 Minimal example code by David S. Miller (try things like "./test eth0 hash",
589 "./test eth0 lb", etc.):
590
591 #include <stddef.h>
592 #include <stdlib.h>
593 #include <stdio.h>
594 #include <string.h>
595
596 #include <sys/types.h>
597 #include <sys/wait.h>
598 #include <sys/socket.h>
599 #include <sys/ioctl.h>
600
601 #include <unistd.h>
602
603 #include <linux/if_ether.h>
604 #include <linux/if_packet.h>
605
606 #include <net/if.h>
607
608 static const char *device_name;
609 static int fanout_type;
610 static int fanout_id;
611
612 #ifndef PACKET_FANOUT
613 # define PACKET_FANOUT                  18
614 # define PACKET_FANOUT_HASH             0
615 # define PACKET_FANOUT_LB               1
616 #endif
617
618 static int setup_socket(void)
619 {
620         int err, fd = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_IP));
621         struct sockaddr_ll ll;
622         struct ifreq ifr;
623         int fanout_arg;
624
625         if (fd < 0) {
626                 perror("socket");
627                 return EXIT_FAILURE;
628         }
629
630         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
631         strcpy(ifr.ifr_name, device_name);
632         err = ioctl(fd, SIOCGIFINDEX, &ifr);
633         if (err < 0) {
634                 perror("SIOCGIFINDEX");
635                 return EXIT_FAILURE;
636         }
637
638         memset(&ll, 0, sizeof(ll));
639         ll.sll_family = AF_PACKET;
640         ll.sll_ifindex = ifr.ifr_ifindex;
641         err = bind(fd, (struct sockaddr *) &ll, sizeof(ll));
642         if (err < 0) {
643                 perror("bind");
644                 return EXIT_FAILURE;
645         }
646
647         fanout_arg = (fanout_id | (fanout_type << 16));
648         err = setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_FANOUT,
649                          &fanout_arg, sizeof(fanout_arg));
650         if (err) {
651                 perror("setsockopt");
652                 return EXIT_FAILURE;
653         }
654
655         return fd;
656 }
657
658 static void fanout_thread(void)
659 {
660         int fd = setup_socket();
661         int limit = 10000;
662
663         if (fd < 0)
664                 exit(fd);
665
666         while (limit-- > 0) {
667                 char buf[1600];
668                 int err;
669
670                 err = read(fd, buf, sizeof(buf));
671                 if (err < 0) {
672                         perror("read");
673                         exit(EXIT_FAILURE);
674                 }
675                 if ((limit % 10) == 0)
676                         fprintf(stdout, "(%d) \n", getpid());
677         }
678
679         fprintf(stdout, "%d: Received 10000 packets\n", getpid());
680
681         close(fd);
682         exit(0);
683 }
684
685 int main(int argc, char **argp)
686 {
687         int fd, err;
688         int i;
689
690         if (argc != 3) {
691                 fprintf(stderr, "Usage: %s INTERFACE {hash|lb}\n", argp[0]);
692                 return EXIT_FAILURE;
693         }
694
695         if (!strcmp(argp[2], "hash"))
696                 fanout_type = PACKET_FANOUT_HASH;
697         else if (!strcmp(argp[2], "lb"))
698                 fanout_type = PACKET_FANOUT_LB;
699         else {
700                 fprintf(stderr, "Unknown fanout type [%s]\n", argp[2]);
701                 exit(EXIT_FAILURE);
702         }
703
704         device_name = argp[1];
705         fanout_id = getpid() & 0xffff;
706
707         for (i = 0; i < 4; i++) {
708                 pid_t pid = fork();
709
710                 switch (pid) {
711                 case 0:
712                         fanout_thread();
713
714                 case -1:
715                         perror("fork");
716                         exit(EXIT_FAILURE);
717                 }
718         }
719
720         for (i = 0; i < 4; i++) {
721                 int status;
722
723                 wait(&status);
724         }
725
726         return 0;
727 }
728
729 -------------------------------------------------------------------------------
730 + AF_PACKET TPACKET_V3 example
731 -------------------------------------------------------------------------------
732
733 AF_PACKET's TPACKET_V3 ring buffer can be configured to use non-static frame
734 sizes by doing it's own memory management. It is based on blocks where polling
735 works on a per block basis instead of per ring as in TPACKET_V2 and predecessor.
736
737 It is said that TPACKET_V3 brings the following benefits:
738  *) ~15 - 20% reduction in CPU-usage
739  *) ~20% increase in packet capture rate
740  *) ~2x increase in packet density
741  *) Port aggregation analysis
742  *) Non static frame size to capture entire packet payload
743
744 So it seems to be a good candidate to be used with packet fanout.
745
746 Minimal example code by Daniel Borkmann based on Chetan Loke's lolpcap (compile
747 it with gcc -Wall -O2 blob.c, and try things like "./a.out eth0", etc.):
748
749 /* Written from scratch, but kernel-to-user space API usage
750  * dissected from lolpcap:
751  *  Copyright 2011, Chetan Loke <loke.chetan@gmail.com>
752  *  License: GPL, version 2.0
753  */
754
755 #include <stdio.h>
756 #include <stdlib.h>
757 #include <stdint.h>
758 #include <string.h>
759 #include <assert.h>
760 #include <net/if.h>
761 #include <arpa/inet.h>
762 #include <netdb.h>
763 #include <poll.h>
764 #include <unistd.h>
765 #include <signal.h>
766 #include <inttypes.h>
767 #include <sys/socket.h>
768 #include <sys/mman.h>
769 #include <linux/if_packet.h>
770 #include <linux/if_ether.h>
771 #include <linux/ip.h>
772
773 #ifndef likely
774 # define likely(x)              __builtin_expect(!!(x), 1)
775 #endif
776 #ifndef unlikely
777 # define unlikely(x)            __builtin_expect(!!(x), 0)
778 #endif
779
780 struct block_desc {
781         uint32_t version;
782         uint32_t offset_to_priv;
783         struct tpacket_hdr_v1 h1;
784 };
785
786 struct ring {
787         struct iovec *rd;
788         uint8_t *map;
789         struct tpacket_req3 req;
790 };
791
792 static unsigned long packets_total = 0, bytes_total = 0;
793 static sig_atomic_t sigint = 0;
794
795 static void sighandler(int num)
796 {
797         sigint = 1;
798 }
799
800 static int setup_socket(struct ring *ring, char *netdev)
801 {
802         int err, i, fd, v = TPACKET_V3;
803         struct sockaddr_ll ll;
804         unsigned int blocksiz = 1 << 22, framesiz = 1 << 11;
805         unsigned int blocknum = 64;
806
807         fd = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL));
808         if (fd < 0) {
809                 perror("socket");
810                 exit(1);
811         }
812
813         err = setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_VERSION, &v, sizeof(v));
814         if (err < 0) {
815                 perror("setsockopt");
816                 exit(1);
817         }
818
819         memset(&ring->req, 0, sizeof(ring->req));
820         ring->req.tp_block_size = blocksiz;
821         ring->req.tp_frame_size = framesiz;
822         ring->req.tp_block_nr = blocknum;
823         ring->req.tp_frame_nr = (blocksiz * blocknum) / framesiz;
824         ring->req.tp_retire_blk_tov = 60;
825         ring->req.tp_feature_req_word = TP_FT_REQ_FILL_RXHASH;
826
827         err = setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_RX_RING, &ring->req,
828                          sizeof(ring->req));
829         if (err < 0) {
830                 perror("setsockopt");
831                 exit(1);
832         }
833
834         ring->map = mmap(NULL, ring->req.tp_block_size * ring->req.tp_block_nr,
835                          PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_LOCKED, fd, 0);
836         if (ring->map == MAP_FAILED) {
837                 perror("mmap");
838                 exit(1);
839         }
840
841         ring->rd = malloc(ring->req.tp_block_nr * sizeof(*ring->rd));
842         assert(ring->rd);
843         for (i = 0; i < ring->req.tp_block_nr; ++i) {
844                 ring->rd[i].iov_base = ring->map + (i * ring->req.tp_block_size);
845                 ring->rd[i].iov_len = ring->req.tp_block_size;
846         }
847
848         memset(&ll, 0, sizeof(ll));
849         ll.sll_family = PF_PACKET;
850         ll.sll_protocol = htons(ETH_P_ALL);
851         ll.sll_ifindex = if_nametoindex(netdev);
852         ll.sll_hatype = 0;
853         ll.sll_pkttype = 0;
854         ll.sll_halen = 0;
855
856         err = bind(fd, (struct sockaddr *) &ll, sizeof(ll));
857         if (err < 0) {
858                 perror("bind");
859                 exit(1);
860         }
861
862         return fd;
863 }
864
865 static void display(struct tpacket3_hdr *ppd)
866 {
867         struct ethhdr *eth = (struct ethhdr *) ((uint8_t *) ppd + ppd->tp_mac);
868         struct iphdr *ip = (struct iphdr *) ((uint8_t *) eth + ETH_HLEN);
869
870         if (eth->h_proto == htons(ETH_P_IP)) {
871                 struct sockaddr_in ss, sd;
872                 char sbuff[NI_MAXHOST], dbuff[NI_MAXHOST];
873
874                 memset(&ss, 0, sizeof(ss));
875                 ss.sin_family = PF_INET;
876                 ss.sin_addr.s_addr = ip->saddr;
877                 getnameinfo((struct sockaddr *) &ss, sizeof(ss),
878                             sbuff, sizeof(sbuff), NULL, 0, NI_NUMERICHOST);
879
880                 memset(&sd, 0, sizeof(sd));
881                 sd.sin_family = PF_INET;
882                 sd.sin_addr.s_addr = ip->daddr;
883                 getnameinfo((struct sockaddr *) &sd, sizeof(sd),
884                             dbuff, sizeof(dbuff), NULL, 0, NI_NUMERICHOST);
885
886                 printf("%s -> %s, ", sbuff, dbuff);
887         }
888
889         printf("rxhash: 0x%x\n", ppd->hv1.tp_rxhash);
890 }
891
892 static void walk_block(struct block_desc *pbd, const int block_num)
893 {
894         int num_pkts = pbd->h1.num_pkts, i;
895         unsigned long bytes = 0;
896         struct tpacket3_hdr *ppd;
897
898         ppd = (struct tpacket3_hdr *) ((uint8_t *) pbd +
899                                        pbd->h1.offset_to_first_pkt);
900         for (i = 0; i < num_pkts; ++i) {
901                 bytes += ppd->tp_snaplen;
902                 display(ppd);
903
904                 ppd = (struct tpacket3_hdr *) ((uint8_t *) ppd +
905                                                ppd->tp_next_offset);
906         }
907
908         packets_total += num_pkts;
909         bytes_total += bytes;
910 }
911
912 static void flush_block(struct block_desc *pbd)
913 {
914         pbd->h1.block_status = TP_STATUS_KERNEL;
915 }
916
917 static void teardown_socket(struct ring *ring, int fd)
918 {
919         munmap(ring->map, ring->req.tp_block_size * ring->req.tp_block_nr);
920         free(ring->rd);
921         close(fd);
922 }
923
924 int main(int argc, char **argp)
925 {
926         int fd, err;
927         socklen_t len;
928         struct ring ring;
929         struct pollfd pfd;
930         unsigned int block_num = 0, blocks = 64;
931         struct block_desc *pbd;
932         struct tpacket_stats_v3 stats;
933
934         if (argc != 2) {
935                 fprintf(stderr, "Usage: %s INTERFACE\n", argp[0]);
936                 return EXIT_FAILURE;
937         }
938
939         signal(SIGINT, sighandler);
940
941         memset(&ring, 0, sizeof(ring));
942         fd = setup_socket(&ring, argp[argc - 1]);
943         assert(fd > 0);
944
945         memset(&pfd, 0, sizeof(pfd));
946         pfd.fd = fd;
947         pfd.events = POLLIN | POLLERR;
948         pfd.revents = 0;
949
950         while (likely(!sigint)) {
951                 pbd = (struct block_desc *) ring.rd[block_num].iov_base;
952
953                 if ((pbd->h1.block_status & TP_STATUS_USER) == 0) {
954                         poll(&pfd, 1, -1);
955                         continue;
956                 }
957
958                 walk_block(pbd, block_num);
959                 flush_block(pbd);
960                 block_num = (block_num + 1) % blocks;
961         }
962
963         len = sizeof(stats);
964         err = getsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_STATISTICS, &stats, &len);
965         if (err < 0) {
966                 perror("getsockopt");
967                 exit(1);
968         }
969
970         fflush(stdout);
971         printf("\nReceived %u packets, %lu bytes, %u dropped, freeze_q_cnt: %u\n",
972                stats.tp_packets, bytes_total, stats.tp_drops,
973                stats.tp_freeze_q_cnt);
974
975         teardown_socket(&ring, fd);
976         return 0;
977 }
978
979 -------------------------------------------------------------------------------
980 + PACKET_QDISC_BYPASS
981 -------------------------------------------------------------------------------
982
983 If there is a requirement to load the network with many packets in a similar
984 fashion as pktgen does, you might set the following option after socket
985 creation:
986
987     int one = 1;
988     setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_QDISC_BYPASS, &one, sizeof(one));
989
990 This has the side-effect, that packets sent through PF_PACKET will bypass the
991 kernel's qdisc layer and are forcedly pushed to the driver directly. Meaning,
992 packet are not buffered, tc disciplines are ignored, increased loss can occur
993 and such packets are also not visible to other PF_PACKET sockets anymore. So,
994 you have been warned; generally, this can be useful for stress testing various
995 components of a system.
996
997 On default, PACKET_QDISC_BYPASS is disabled and needs to be explicitly enabled
998 on PF_PACKET sockets.
999
1000 -------------------------------------------------------------------------------
1001 + PACKET_TIMESTAMP
1002 -------------------------------------------------------------------------------
1003
1004 The PACKET_TIMESTAMP setting determines the source of the timestamp in
1005 the packet meta information for mmap(2)ed RX_RING and TX_RINGs.  If your
1006 NIC is capable of timestamping packets in hardware, you can request those
1007 hardware timestamps to be used. Note: you may need to enable the generation
1008 of hardware timestamps with SIOCSHWTSTAMP (see related information from
1009 Documentation/networking/timestamping.txt).
1010
1011 PACKET_TIMESTAMP accepts the same integer bit field as SO_TIMESTAMPING:
1012
1013     int req = SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE;
1014     setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_TIMESTAMP, (void *) &req, sizeof(req))
1015
1016 For the mmap(2)ed ring buffers, such timestamps are stored in the
1017 tpacket{,2,3}_hdr structure's tp_sec and tp_{n,u}sec members. To determine
1018 what kind of timestamp has been reported, the tp_status field is binary |'ed
1019 with the following possible bits ...
1020
1021     TP_STATUS_TS_RAW_HARDWARE
1022     TP_STATUS_TS_SOFTWARE
1023
1024 ... that are equivalent to its SOF_TIMESTAMPING_* counterparts. For the
1025 RX_RING, if neither is set (i.e. PACKET_TIMESTAMP is not set), then a
1026 software fallback was invoked *within* PF_PACKET's processing code (less
1027 precise).
1028
1029 Getting timestamps for the TX_RING works as follows: i) fill the ring frames,
1030 ii) call sendto() e.g. in blocking mode, iii) wait for status of relevant
1031 frames to be updated resp. the frame handed over to the application, iv) walk
1032 through the frames to pick up the individual hw/sw timestamps.
1033
1034 Only (!) if transmit timestamping is enabled, then these bits are combined
1035 with binary | with TP_STATUS_AVAILABLE, so you must check for that in your
1036 application (e.g. !(tp_status & (TP_STATUS_SEND_REQUEST | TP_STATUS_SENDING))
1037 in a first step to see if the frame belongs to the application, and then
1038 one can extract the type of timestamp in a second step from tp_status)!
1039
1040 If you don't care about them, thus having it disabled, checking for
1041 TP_STATUS_AVAILABLE resp. TP_STATUS_WRONG_FORMAT is sufficient. If in the
1042 TX_RING part only TP_STATUS_AVAILABLE is set, then the tp_sec and tp_{n,u}sec
1043 members do not contain a valid value. For TX_RINGs, by default no timestamp
1044 is generated!
1045
1046 See include/linux/net_tstamp.h and Documentation/networking/timestamping.txt
1047 for more information on hardware timestamps.
1048
1049 -------------------------------------------------------------------------------
1050 + Miscellaneous bits
1051 -------------------------------------------------------------------------------
1052
1053 - Packet sockets work well together with Linux socket filters, thus you also
1054   might want to have a look at Documentation/networking/filter.txt
1055
1056 --------------------------------------------------------------------------------
1057 + THANKS
1058 --------------------------------------------------------------------------------
1059    
1060    Jesse Brandeburg, for fixing my grammathical/spelling errors
1061