]> git.kernelconcepts.de Git - karo-tx-linux.git/blob - Documentation/networking/switchdev.txt
Merge branch 'cpuidle' into release
[karo-tx-linux.git] / Documentation / networking / switchdev.txt
1 Ethernet switch device driver model (switchdev)
2 ===============================================
3 Copyright (c) 2014 Jiri Pirko <jiri@resnulli.us>
4 Copyright (c) 2014-2015 Scott Feldman <sfeldma@gmail.com>
5
6
7 The Ethernet switch device driver model (switchdev) is an in-kernel driver
8 model for switch devices which offload the forwarding (data) plane from the
9 kernel.
10
11 Figure 1 is a block diagram showing the components of the switchdev model for
12 an example setup using a data-center-class switch ASIC chip.  Other setups
13 with SR-IOV or soft switches, such as OVS, are possible.
14
15
16                              User-space tools                                 
17                                                                               
18        user space                   |                                         
19       +-------------------------------------------------------------------+   
20        kernel                       | Netlink                                 
21                                     |                                         
22                      +--------------+-------------------------------+         
23                      |         Network stack                        |         
24                      |           (Linux)                            |         
25                      |                                              |         
26                      +----------------------------------------------+         
27                                                                               
28                            sw1p2     sw1p4     sw1p6
29                       sw1p1  +  sw1p3  +  sw1p5  +          eth1             
30                         +    |    +    |    +    |            +               
31                         |    |    |    |    |    |            |               
32                      +--+----+----+----+-+--+----+---+  +-----+-----+         
33                      |         Switch driver         |  |    mgmt   |         
34                      |        (this document)        |  |   driver  |         
35                      |                               |  |           |         
36                      +--------------+----------------+  +-----------+         
37                                     |                                         
38        kernel                       | HW bus (eg PCI)                         
39       +-------------------------------------------------------------------+   
40        hardware                     |                                         
41                      +--------------+---+------------+                        
42                      |         Switch device (sw1)   |                        
43                      |  +----+                       +--------+               
44                      |  |    v offloaded data path   | mgmt port              
45                      |  |    |                       |                        
46                      +--|----|----+----+----+----+---+                        
47                         |    |    |    |    |    |                            
48                         +    +    +    +    +    +                            
49                        p1   p2   p3   p4   p5   p6
50                                        
51                              front-panel ports                                
52                                                                               
53
54                                     Fig 1.
55
56
57 Include Files
58 -------------
59
60 #include <linux/netdevice.h>
61 #include <net/switchdev.h>
62
63
64 Configuration
65 -------------
66
67 Use "depends NET_SWITCHDEV" in driver's Kconfig to ensure switchdev model
68 support is built for driver.
69
70
71 Switch Ports
72 ------------
73
74 On switchdev driver initialization, the driver will allocate and register a
75 struct net_device (using register_netdev()) for each enumerated physical switch
76 port, called the port netdev.  A port netdev is the software representation of
77 the physical port and provides a conduit for control traffic to/from the
78 controller (the kernel) and the network, as well as an anchor point for higher
79 level constructs such as bridges, bonds, VLANs, tunnels, and L3 routers.  Using
80 standard netdev tools (iproute2, ethtool, etc), the port netdev can also
81 provide to the user access to the physical properties of the switch port such
82 as PHY link state and I/O statistics.
83
84 There is (currently) no higher-level kernel object for the switch beyond the
85 port netdevs.  All of the switchdev driver ops are netdev ops or switchdev ops.
86
87 A switch management port is outside the scope of the switchdev driver model.
88 Typically, the management port is not participating in offloaded data plane and
89 is loaded with a different driver, such as a NIC driver, on the management port
90 device.
91
92 Port Netdev Naming
93 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
94
95 Udev rules should be used for port netdev naming, using some unique attribute
96 of the port as a key, for example the port MAC address or the port PHYS name.
97 Hard-coding of kernel netdev names within the driver is discouraged; let the
98 kernel pick the default netdev name, and let udev set the final name based on a
99 port attribute.
100
101 Using port PHYS name (ndo_get_phys_port_name) for the key is particularly
102 useful for dynamically-named ports where the device names its ports based on
103 external configuration.  For example, if a physical 40G port is split logically
104 into 4 10G ports, resulting in 4 port netdevs, the device can give a unique
105 name for each port using port PHYS name.  The udev rule would be:
106
107 SUBSYSTEM=="net", ACTION=="add", DRIVER="<driver>", ATTR{phys_port_name}!="", \
108         NAME="$attr{phys_port_name}"
109
110 Suggested naming convention is "swXpYsZ", where X is the switch name or ID, Y
111 is the port name or ID, and Z is the sub-port name or ID.  For example, sw1p1s0
112 would be sub-port 0 on port 1 on switch 1.
113
114 Switch ID
115 ^^^^^^^^^
116
117 The switchdev driver must implement the switchdev op switchdev_port_attr_get
118 for SWITCHDEV_ATTR_PORT_PARENT_ID for each port netdev, returning the same
119 physical ID for each port of a switch.  The ID must be unique between switches
120 on the same system.  The ID does not need to be unique between switches on
121 different systems.
122
123 The switch ID is used to locate ports on a switch and to know if aggregated
124 ports belong to the same switch.
125
126 Port Features
127 ^^^^^^^^^^^^^
128
129 NETIF_F_NETNS_LOCAL
130
131 If the switchdev driver (and device) only supports offloading of the default
132 network namespace (netns), the driver should set this feature flag to prevent
133 the port netdev from being moved out of the default netns.  A netns-aware
134 driver/device would not set this flag and be responsible for partitioning
135 hardware to preserve netns containment.  This means hardware cannot forward
136 traffic from a port in one namespace to another port in another namespace.
137
138 Port Topology
139 ^^^^^^^^^^^^^
140
141 The port netdevs representing the physical switch ports can be organized into
142 higher-level switching constructs.  The default construct is a standalone
143 router port, used to offload L3 forwarding.  Two or more ports can be bonded
144 together to form a LAG.  Two or more ports (or LAGs) can be bridged to bridge
145 L2 networks.  VLANs can be applied to sub-divide L2 networks.  L2-over-L3
146 tunnels can be built on ports.  These constructs are built using standard Linux
147 tools such as the bridge driver, the bonding/team drivers, and netlink-based
148 tools such as iproute2.
149
150 The switchdev driver can know a particular port's position in the topology by
151 monitoring NETDEV_CHANGEUPPER notifications.  For example, a port moved into a
152 bond will see it's upper master change.  If that bond is moved into a bridge,
153 the bond's upper master will change.  And so on.  The driver will track such
154 movements to know what position a port is in in the overall topology by
155 registering for netdevice events and acting on NETDEV_CHANGEUPPER.
156
157 L2 Forwarding Offload
158 ---------------------
159
160 The idea is to offload the L2 data forwarding (switching) path from the kernel
161 to the switchdev device by mirroring bridge FDB entries down to the device.  An
162 FDB entry is the {port, MAC, VLAN} tuple forwarding destination.
163
164 To offloading L2 bridging, the switchdev driver/device should support:
165
166         - Static FDB entries installed on a bridge port
167         - Notification of learned/forgotten src mac/vlans from device
168         - STP state changes on the port
169         - VLAN flooding of multicast/broadcast and unknown unicast packets
170
171 Static FDB Entries
172 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
173
174 The switchdev driver should implement ndo_fdb_add, ndo_fdb_del and ndo_fdb_dump
175 to support static FDB entries installed to the device.  Static bridge FDB
176 entries are installed, for example, using iproute2 bridge cmd:
177
178         bridge fdb add ADDR dev DEV [vlan VID] [self]
179
180 The driver should use the helper switchdev_port_fdb_xxx ops for ndo_fdb_xxx
181 ops, and handle add/delete/dump of SWITCHDEV_OBJ_PORT_FDB object using
182 switchdev_port_obj_xxx ops.
183
184 XXX: what should be done if offloading this rule to hardware fails (for
185 example, due to full capacity in hardware tables) ?
186
187 Note: by default, the bridge does not filter on VLAN and only bridges untagged
188 traffic.  To enable VLAN support, turn on VLAN filtering:
189
190         echo 1 >/sys/class/net/<bridge>/bridge/vlan_filtering
191
192 Notification of Learned/Forgotten Source MAC/VLANs
193 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
194
195 The switch device will learn/forget source MAC address/VLAN on ingress packets
196 and notify the switch driver of the mac/vlan/port tuples.  The switch driver,
197 in turn, will notify the bridge driver using the switchdev notifier call:
198
199         err = call_switchdev_notifiers(val, dev, info);
200
201 Where val is SWITCHDEV_FDB_ADD when learning and SWITCHDEV_FDB_DEL when
202 forgetting, and info points to a struct switchdev_notifier_fdb_info.  On
203 SWITCHDEV_FDB_ADD, the bridge driver will install the FDB entry into the
204 bridge's FDB and mark the entry as NTF_EXT_LEARNED.  The iproute2 bridge
205 command will label these entries "offload":
206
207         $ bridge fdb
208         52:54:00:12:35:01 dev sw1p1 master br0 permanent
209         00:02:00:00:02:00 dev sw1p1 master br0 offload
210         00:02:00:00:02:00 dev sw1p1 self
211         52:54:00:12:35:02 dev sw1p2 master br0 permanent
212         00:02:00:00:03:00 dev sw1p2 master br0 offload
213         00:02:00:00:03:00 dev sw1p2 self
214         33:33:00:00:00:01 dev eth0 self permanent
215         01:00:5e:00:00:01 dev eth0 self permanent
216         33:33:ff:00:00:00 dev eth0 self permanent
217         01:80:c2:00:00:0e dev eth0 self permanent
218         33:33:00:00:00:01 dev br0 self permanent
219         01:00:5e:00:00:01 dev br0 self permanent
220         33:33:ff:12:35:01 dev br0 self permanent
221
222 Learning on the port should be disabled on the bridge using the bridge command:
223
224         bridge link set dev DEV learning off
225
226 Learning on the device port should be enabled, as well as learning_sync:
227
228         bridge link set dev DEV learning on self
229         bridge link set dev DEV learning_sync on self
230
231 Learning_sync attribute enables syncing of the learned/forgotton FDB entry to
232 the bridge's FDB.  It's possible, but not optimal, to enable learning on the
233 device port and on the bridge port, and disable learning_sync.
234
235 To support learning and learning_sync port attributes, the driver implements
236 switchdev op switchdev_port_attr_get/set for SWITCHDEV_ATTR_PORT_BRIDGE_FLAGS.
237 The driver should initialize the attributes to the hardware defaults.
238
239 FDB Ageing
240 ^^^^^^^^^^
241
242 There are two FDB ageing models supported: 1) ageing by the device, and 2)
243 ageing by the kernel.  Ageing by the device is preferred if many FDB entries
244 are supported.  The driver calls call_switchdev_notifiers(SWITCHDEV_FDB_DEL,
245 ...) to age out the FDB entry.  In this model, ageing by the kernel should be
246 turned off.  XXX: how to turn off ageing in kernel on a per-port basis or
247 otherwise prevent the kernel from ageing out the FDB entry?
248
249 In the kernel ageing model, the standard bridge ageing mechanism is used to age
250 out stale FDB entries.  To keep an FDB entry "alive", the driver should refresh
251 the FDB entry by calling call_switchdev_notifiers(SWITCHDEV_FDB_ADD, ...).  The
252 notification will reset the FDB entry's last-used time to now.  The driver
253 should rate limit refresh notifications, for example, no more than once a
254 second.  If the FDB entry expires, fdb_delete is called to remove entry from
255 the device.
256
257 STP State Change on Port
258 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
259
260 Internally or with a third-party STP protocol implementation (e.g. mstpd), the
261 bridge driver maintains the STP state for ports, and will notify the switch
262 driver of STP state change on a port using the switchdev op
263 switchdev_attr_port_set for SWITCHDEV_ATTR_PORT_STP_UPDATE.
264
265 State is one of BR_STATE_*.  The switch driver can use STP state updates to
266 update ingress packet filter list for the port.  For example, if port is
267 DISABLED, no packets should pass, but if port moves to BLOCKED, then STP BPDUs
268 and other IEEE 01:80:c2:xx:xx:xx link-local multicast packets can pass.
269
270 Note that STP BDPUs are untagged and STP state applies to all VLANs on the port
271 so packet filters should be applied consistently across untagged and tagged
272 VLANs on the port.
273
274 Flooding L2 domain
275 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
276
277 For a given L2 VLAN domain, the switch device should flood multicast/broadcast
278 and unknown unicast packets to all ports in domain, if allowed by port's
279 current STP state.  The switch driver, knowing which ports are within which
280 vlan L2 domain, can program the switch device for flooding.  The packet should
281 also be sent to the port netdev for processing by the bridge driver.  The
282 bridge should not reflood the packet to the same ports the device flooded,
283 otherwise there will be duplicate packets on the wire.
284
285 To avoid duplicate packets, the device/driver should mark a packet as already
286 forwarded using skb->offload_fwd_mark.  The same mark is set on the device
287 ports in the domain using dev->offload_fwd_mark.  If the skb->offload_fwd_mark
288 is non-zero and matches the forwarding egress port's dev->skb_mark, the kernel
289 will drop the skb right before transmit on the egress port, with the
290 understanding that the device already forwarded the packet on same egress port.
291 The driver can use switchdev_port_fwd_mark_set() to set a globally unique mark
292 for port's dev->offload_fwd_mark, based on the port's parent ID (switch ID) and
293 a group ifindex.
294
295 It is possible for the switch device to not handle flooding and push the
296 packets up to the bridge driver for flooding.  This is not ideal as the number
297 of ports scale in the L2 domain as the device is much more efficient at
298 flooding packets that software.
299
300 IGMP Snooping
301 ^^^^^^^^^^^^^
302
303 XXX: complete this section
304
305
306 L3 Routing Offload
307 ------------------
308
309 Offloading L3 routing requires that device be programmed with FIB entries from
310 the kernel, with the device doing the FIB lookup and forwarding.  The device
311 does a longest prefix match (LPM) on FIB entries matching route prefix and
312 forwards the packet to the matching FIB entry's nexthop(s) egress ports.
313
314 To program the device, the driver implements support for
315 SWITCHDEV_OBJ_IPV[4|6]_FIB object using switchdev_port_obj_xxx ops.
316 switchdev_port_obj_add is used for both adding a new FIB entry to the device,
317 or modifying an existing entry on the device.
318
319 XXX: Currently, only SWITCHDEV_OBJ_IPV4_FIB objects are supported.
320
321 SWITCHDEV_OBJ_IPV4_FIB object passes:
322
323         struct switchdev_obj_ipv4_fib {         /* IPV4_FIB */
324                 u32 dst;
325                 int dst_len;
326                 struct fib_info *fi;
327                 u8 tos;
328                 u8 type;
329                 u32 nlflags;
330                 u32 tb_id;
331         } ipv4_fib;
332
333 to add/modify/delete IPv4 dst/dest_len prefix on table tb_id.  The *fi
334 structure holds details on the route and route's nexthops.  *dev is one of the
335 port netdevs mentioned in the routes next hop list.  If the output port netdevs
336 referenced in the route's nexthop list don't all have the same switch ID, the
337 driver is not called to add/modify/delete the FIB entry.
338
339 Routes offloaded to the device are labeled with "offload" in the ip route
340 listing:
341
342         $ ip route show
343         default via 192.168.0.2 dev eth0
344         11.0.0.0/30 dev sw1p1  proto kernel  scope link  src 11.0.0.2 offload
345         11.0.0.4/30 via 11.0.0.1 dev sw1p1  proto zebra  metric 20 offload
346         11.0.0.8/30 dev sw1p2  proto kernel  scope link  src 11.0.0.10 offload
347         11.0.0.12/30 via 11.0.0.9 dev sw1p2  proto zebra  metric 20 offload
348         12.0.0.2  proto zebra  metric 30 offload
349                 nexthop via 11.0.0.1  dev sw1p1 weight 1
350                 nexthop via 11.0.0.9  dev sw1p2 weight 1
351         12.0.0.3 via 11.0.0.1 dev sw1p1  proto zebra  metric 20 offload
352         12.0.0.4 via 11.0.0.9 dev sw1p2  proto zebra  metric 20 offload
353         192.168.0.0/24 dev eth0  proto kernel  scope link  src 192.168.0.15
354
355 XXX: add/mod/del IPv6 FIB API
356
357 Nexthop Resolution
358 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
359
360 The FIB entry's nexthop list contains the nexthop tuple (gateway, dev), but for
361 the switch device to forward the packet with the correct dst mac address, the
362 nexthop gateways must be resolved to the neighbor's mac address.  Neighbor mac
363 address discovery comes via the ARP (or ND) process and is available via the
364 arp_tbl neighbor table.  To resolve the routes nexthop gateways, the driver
365 should trigger the kernel's neighbor resolution process.  See the rocker
366 driver's rocker_port_ipv4_resolve() for an example.
367
368 The driver can monitor for updates to arp_tbl using the netevent notifier
369 NETEVENT_NEIGH_UPDATE.  The device can be programmed with resolved nexthops
370 for the routes as arp_tbl updates.  The driver implements ndo_neigh_destroy
371 to know when arp_tbl neighbor entries are purged from the port.