Documentation/networking/xfrm_device.txt

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   3 XFRM device - offloading the IPsec computations
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   5 Shannon Nelson <shannon.nelson@oracle.com>
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   8 Overview
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  11 IPsec is a useful feature for securing network traffic, but the
  12 computational cost is high: a 10Gbps link can easily be brought down
  13 to under 1Gbps, depending on the traffic and link configuration.
  14 Luckily, there are NICs that offer a hardware based IPsec offload which
  15 can radically increase throughput and decrease CPU utilization.  The XFRM
  16 Device interface allows NIC drivers to offer to the stack access to the
  17 hardware offload.
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  19 Userland access to the offload is typically through a system such as
  20 libreswan or KAME/raccoon, but the iproute2 'ip xfrm' command set can
  21 be handy when experimenting.  An example command might look something
  22 like this:
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  24   ip x s add proto esp dst 14.0.0.70 src 14.0.0.52 spi 0x07 mode transport \
  25      reqid 0x07 replay-window 32 \
  26      aead 'rfc4106(gcm(aes))' 0x44434241343332312423222114131211f4f3f2f1 128 \
  27      sel src 14.0.0.52/24 dst 14.0.0.70/24 proto tcp \
  28      offload dev eth4 dir in
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  30 Yes, that's ugly, but that's what shell scripts and/or libreswan are for.
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  34 Callbacks to implement
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  37 /* from include/linux/netdevice.h */
  38 struct xfrmdev_ops {
  39         int     (*xdo_dev_state_add) (struct xfrm_state *x);
  40         void    (*xdo_dev_state_delete) (struct xfrm_state *x);
  41         void    (*xdo_dev_state_free) (struct xfrm_state *x);
  42         bool    (*xdo_dev_offload_ok) (struct sk_buff *skb,
  43                                        struct xfrm_state *x);
  44         void    (*xdo_dev_state_advance_esn) (struct xfrm_state *x);
  45 };
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  47 The NIC driver offering ipsec offload will need to implement these
  48 callbacks to make the offload available to the network stack's
  49 XFRM subsytem.  Additionally, the feature bits NETIF_F_HW_ESP and
  50 NETIF_F_HW_ESP_TX_CSUM will signal the availability of the offload.
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  54 Flow
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  57 At probe time and before the call to register_netdev(), the driver should
  58 set up local data structures and XFRM callbacks, and set the feature bits.
  59 The XFRM code's listener will finish the setup on NETDEV_REGISTER.
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  61                 adapter->netdev->xfrmdev_ops = &ixgbe_xfrmdev_ops;
  62                 adapter->netdev->features |= NETIF_F_HW_ESP;
  63                 adapter->netdev->hw_enc_features |= NETIF_F_HW_ESP;
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  65 When new SAs are set up with a request for "offload" feature, the
  66 driver's xdo_dev_state_add() will be given the new SA to be offloaded
  67 and an indication of whether it is for Rx or Tx.  The driver should
  68         - verify the algorithm is supported for offloads
  69         - store the SA information (key, salt, target-ip, protocol, etc)
  70         - enable the HW offload of the SA
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  72 The driver can also set an offload_handle in the SA, an opaque void pointer
  73 that can be used to convey context into the fast-path offload requests.
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  75                 xs->xso.offload_handle = context;
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  78 When the network stack is preparing an IPsec packet for an SA that has
  79 been setup for offload, it first calls into xdo_dev_offload_ok() with
  80 the skb and the intended offload state to ask the driver if the offload
  81 will serviceable.  This can check the packet information to be sure the
  82 offload can be supported (e.g. IPv4 or IPv6, no IPv4 options, etc) and
  83 return true of false to signify its support.
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  85 When ready to send, the driver needs to inspect the Tx packet for the
  86 offload information, including the opaque context, and set up the packet
  87 send accordingly.
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  89                 xs = xfrm_input_state(skb);
  90                 context = xs->xso.offload_handle;
  91                 set up HW for send
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  93 The stack has already inserted the appropriate IPsec headers in the
  94 packet data, the offload just needs to do the encryption and fix up the
  95 header values.
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  98 When a packet is received and the HW has indicated that it offloaded a
  99 decryption, the driver needs to add a reference to the decoded SA into
 100 the packet's skb.  At this point the data should be decrypted but the
 101 IPsec headers are still in the packet data; they are removed later up
 102 the stack in xfrm_input().
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 104         find and hold the SA that was used to the Rx skb
 105                 get spi, protocol, and destination IP from packet headers
 106                 xs = find xs from (spi, protocol, dest_IP)
 107                 xfrm_state_hold(xs);
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 109         store the state information into the skb
 110                 skb->sp = secpath_dup(skb->sp);
 111                 skb->sp->xvec[skb->sp->len++] = xs;
 112                 skb->sp->olen++;
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 114         indicate the success and/or error status of the offload
 115                 xo = xfrm_offload(skb);
 116                 xo->flags = CRYPTO_DONE;
 117                 xo->status = crypto_status;
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 119         hand the packet to napi_gro_receive() as usual
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 121 In ESN mode, xdo_dev_state_advance_esn() is called from xfrm_replay_advance_esn().
 122 Driver will check packet seq number and update HW ESN state machine if needed.
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 124 When the SA is removed by the user, the driver's xdo_dev_state_delete()
 125 is asked to disable the offload.  Later, xdo_dev_state_free() is called
 126 from a garbage collection routine after all reference counts to the state
 127 have been removed and any remaining resources can be cleared for the
 128 offload state.  How these are used by the driver will depend on specific
 129 hardware needs.
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 131 As a netdev is set to DOWN the XFRM stack's netdev listener will call
 132 xdo_dev_state_delete() and xdo_dev_state_free() on any remaining offloaded
 133 states.
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