Documentation/networking/segmentation-offloads.rst

   1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
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   4 Segmentation Offloads
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   8 Introduction
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  11 This document describes a set of techniques in the Linux networking stack
  12 to take advantage of segmentation offload capabilities of various NICs.
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  14 The following technologies are described:
  15  * TCP Segmentation Offload - TSO
  16  * UDP Fragmentation Offload - UFO
  17  * IPIP, SIT, GRE, and UDP Tunnel Offloads
  18  * Generic Segmentation Offload - GSO
  19  * Generic Receive Offload - GRO
  20  * Partial Generic Segmentation Offload - GSO_PARTIAL
  21  * SCTP accelleration with GSO - GSO_BY_FRAGS
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  24 TCP Segmentation Offload
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  27 TCP segmentation allows a device to segment a single frame into multiple
  28 frames with a data payload size specified in skb_shinfo()->gso_size.
  29 When TCP segmentation requested the bit for either SKB_GSO_TCPV4 or
  30 SKB_GSO_TCPV6 should be set in skb_shinfo()->gso_type and
  31 skb_shinfo()->gso_size should be set to a non-zero value.
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  33 TCP segmentation is dependent on support for the use of partial checksum
  34 offload.  For this reason TSO is normally disabled if the Tx checksum
  35 offload for a given device is disabled.
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  37 In order to support TCP segmentation offload it is necessary to populate
  38 the network and transport header offsets of the skbuff so that the device
  39 drivers will be able determine the offsets of the IP or IPv6 header and the
  40 TCP header.  In addition as CHECKSUM_PARTIAL is required csum_start should
  41 also point to the TCP header of the packet.
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  43 For IPv4 segmentation we support one of two types in terms of the IP ID.
  44 The default behavior is to increment the IP ID with every segment.  If the
  45 GSO type SKB_GSO_TCP_FIXEDID is specified then we will not increment the IP
  46 ID and all segments will use the same IP ID.  If a device has
  47 NETIF_F_TSO_MANGLEID set then the IP ID can be ignored when performing TSO
  48 and we will either increment the IP ID for all frames, or leave it at a
  49 static value based on driver preference.
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  52 UDP Fragmentation Offload
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  55 UDP fragmentation offload allows a device to fragment an oversized UDP
  56 datagram into multiple IPv4 fragments.  Many of the requirements for UDP
  57 fragmentation offload are the same as TSO.  However the IPv4 ID for
  58 fragments should not increment as a single IPv4 datagram is fragmented.
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  60 UFO is deprecated: modern kernels will no longer generate UFO skbs, but can
  61 still receive them from tuntap and similar devices. Offload of UDP-based
  62 tunnel protocols is still supported.
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  65 IPIP, SIT, GRE, UDP Tunnel, and Remote Checksum Offloads
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  68 In addition to the offloads described above it is possible for a frame to
  69 contain additional headers such as an outer tunnel.  In order to account
  70 for such instances an additional set of segmentation offload types were
  71 introduced including SKB_GSO_IPXIP4, SKB_GSO_IPXIP6, SKB_GSO_GRE, and
  72 SKB_GSO_UDP_TUNNEL.  These extra segmentation types are used to identify
  73 cases where there are more than just 1 set of headers.  For example in the
  74 case of IPIP and SIT we should have the network and transport headers moved
  75 from the standard list of headers to "inner" header offsets.
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  77 Currently only two levels of headers are supported.  The convention is to
  78 refer to the tunnel headers as the outer headers, while the encapsulated
  79 data is normally referred to as the inner headers.  Below is the list of
  80 calls to access the given headers:
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  82 IPIP/SIT Tunnel::
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  84              Outer                  Inner
  85   MAC        skb_mac_header
  86   Network    skb_network_header     skb_inner_network_header
  87   Transport  skb_transport_header
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  89 UDP/GRE Tunnel::
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  91              Outer                  Inner
  92   MAC        skb_mac_header         skb_inner_mac_header
  93   Network    skb_network_header     skb_inner_network_header
  94   Transport  skb_transport_header   skb_inner_transport_header
  95
  96 In addition to the above tunnel types there are also SKB_GSO_GRE_CSUM and
  97 SKB_GSO_UDP_TUNNEL_CSUM.  These two additional tunnel types reflect the
  98 fact that the outer header also requests to have a non-zero checksum
  99 included in the outer header.
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 101 Finally there is SKB_GSO_TUNNEL_REMCSUM which indicates that a given tunnel
 102 header has requested a remote checksum offload.  In this case the inner
 103 headers will be left with a partial checksum and only the outer header
 104 checksum will be computed.
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 107 Generic Segmentation Offload
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 110 Generic segmentation offload is a pure software offload that is meant to
 111 deal with cases where device drivers cannot perform the offloads described
 112 above.  What occurs in GSO is that a given skbuff will have its data broken
 113 out over multiple skbuffs that have been resized to match the MSS provided
 114 via skb_shinfo()->gso_size.
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 116 Before enabling any hardware segmentation offload a corresponding software
 117 offload is required in GSO.  Otherwise it becomes possible for a frame to
 118 be re-routed between devices and end up being unable to be transmitted.
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 121 Generic Receive Offload
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 124 Generic receive offload is the complement to GSO.  Ideally any frame
 125 assembled by GRO should be segmented to create an identical sequence of
 126 frames using GSO, and any sequence of frames segmented by GSO should be
 127 able to be reassembled back to the original by GRO.  The only exception to
 128 this is IPv4 ID in the case that the DF bit is set for a given IP header.
 129 If the value of the IPv4 ID is not sequentially incrementing it will be
 130 altered so that it is when a frame assembled via GRO is segmented via GSO.
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 133 Partial Generic Segmentation Offload
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 136 Partial generic segmentation offload is a hybrid between TSO and GSO.  What
 137 it effectively does is take advantage of certain traits of TCP and tunnels
 138 so that instead of having to rewrite the packet headers for each segment
 139 only the inner-most transport header and possibly the outer-most network
 140 header need to be updated.  This allows devices that do not support tunnel
 141 offloads or tunnel offloads with checksum to still make use of segmentation.
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 143 With the partial offload what occurs is that all headers excluding the
 144 inner transport header are updated such that they will contain the correct
 145 values for if the header was simply duplicated.  The one exception to this
 146 is the outer IPv4 ID field.  It is up to the device drivers to guarantee
 147 that the IPv4 ID field is incremented in the case that a given header does
 148 not have the DF bit set.
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 151 SCTP accelleration with GSO
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 154 SCTP - despite the lack of hardware support - can still take advantage of
 155 GSO to pass one large packet through the network stack, rather than
 156 multiple small packets.
 157
 158 This requires a different approach to other offloads, as SCTP packets
 159 cannot be just segmented to (P)MTU. Rather, the chunks must be contained in
 160 IP segments, padding respected. So unlike regular GSO, SCTP can't just
 161 generate a big skb, set gso_size to the fragmentation point and deliver it
 162 to IP layer.
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 164 Instead, the SCTP protocol layer builds an skb with the segments correctly
 165 padded and stored as chained skbs, and skb_segment() splits based on those.
 166 To signal this, gso_size is set to the special value GSO_BY_FRAGS.
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 168 Therefore, any code in the core networking stack must be aware of the
 169 possibility that gso_size will be GSO_BY_FRAGS and handle that case
 170 appropriately.
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 172 There are some helpers to make this easier:
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 174 - skb_is_gso(skb) && skb_is_gso_sctp(skb) is the best way to see if
 175   an skb is an SCTP GSO skb.
 176
 177 - For size checks, the skb_gso_validate_*_len family of helpers correctly
 178   considers GSO_BY_FRAGS.
 179
 180 - For manipulating packets, skb_increase_gso_size and skb_decrease_gso_size
 181   will check for GSO_BY_FRAGS and WARN if asked to manipulate these skbs.
 182
 183 This also affects drivers with the NETIF_F_FRAGLIST & NETIF_F_GSO_SCTP bits
 184 set. Note also that NETIF_F_GSO_SCTP is included in NETIF_F_GSO_SOFTWARE.