]> rtime.felk.cvut.cz Git - linux-imx.git/blob - Documentation/networking/packet_mmap.txt
drm/radeon: make missing smc ucode non-fatal
[linux-imx.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 You can find the latest version of this document at:
11     http://wiki.ipxwarzone.com/index.php5?title=Linux_packet_mmap
12
13 Howto can be found at:
14     http://wiki.gnu-log.net (packet_mmap)
15
16 Please send your comments to
17     Ulisses Alonso CamarĂ³ <uaca@i.hate.spam.alumni.uv.es>
18     Johann Baudy <johann.baudy@gnu-log.net>
19
20 -------------------------------------------------------------------------------
21 + Why use PACKET_MMAP
22 --------------------------------------------------------------------------------
23
24 In Linux 2.4/2.6/3.x if PACKET_MMAP is not enabled, the capture process is very
25 inefficient. It uses very limited buffers and requires one system call to
26 capture each packet, it requires two if you want to get packet's timestamp
27 (like libpcap always does).
28
29 In the other hand PACKET_MMAP is very efficient. PACKET_MMAP provides a size 
30 configurable circular buffer mapped in user space that can be used to either
31 send or receive packets. This way reading packets just needs to wait for them,
32 most of the time there is no need to issue a single system call. Concerning
33 transmission, multiple packets can be sent through one system call to get the
34 highest bandwidth. By using a shared buffer between the kernel and the user
35 also has the benefit of minimizing packet copies.
36
37 It's fine to use PACKET_MMAP to improve the performance of the capture and
38 transmission process, but it isn't everything. At least, if you are capturing
39 at high speeds (this is relative to the cpu speed), you should check if the
40 device driver of your network interface card supports some sort of interrupt
41 load mitigation or (even better) if it supports NAPI, also make sure it is
42 enabled. For transmission, check the MTU (Maximum Transmission Unit) used and
43 supported by devices of your network. CPU IRQ pinning of your network interface
44 card can also be an advantage.
45
46 --------------------------------------------------------------------------------
47 + How to use mmap() to improve capture process
48 --------------------------------------------------------------------------------
49
50 From the user standpoint, you should use the higher level libpcap library, which
51 is a de facto standard, portable across nearly all operating systems
52 including Win32. 
53
54 Said that, at time of this writing, official libpcap 0.8.1 is out and doesn't include
55 support for PACKET_MMAP, and also probably the libpcap included in your distribution. 
56
57 I'm aware of two implementations of PACKET_MMAP in libpcap:
58
59     http://wiki.ipxwarzone.com/              (by Simon Patarin, based on libpcap 0.6.2)
60     http://public.lanl.gov/cpw/              (by Phil Wood, based on lastest libpcap)
61
62 The rest of this document is intended for people who want to understand
63 the low level details or want to improve libpcap by including PACKET_MMAP
64 support.
65
66 --------------------------------------------------------------------------------
67 + How to use mmap() directly to improve capture process
68 --------------------------------------------------------------------------------
69
70 From the system calls stand point, the use of PACKET_MMAP involves
71 the following process:
72
73
74 [setup]     socket() -------> creation of the capture socket
75             setsockopt() ---> allocation of the circular buffer (ring)
76                               option: PACKET_RX_RING
77             mmap() ---------> mapping of the allocated buffer to the
78                               user process
79
80 [capture]   poll() ---------> to wait for incoming packets
81
82 [shutdown]  close() --------> destruction of the capture socket and
83                               deallocation of all associated 
84                               resources.
85
86
87 socket creation and destruction is straight forward, and is done 
88 the same way with or without PACKET_MMAP:
89
90  int fd = socket(PF_PACKET, mode, htons(ETH_P_ALL));
91
92 where mode is SOCK_RAW for the raw interface were link level
93 information can be captured or SOCK_DGRAM for the cooked
94 interface where link level information capture is not 
95 supported and a link level pseudo-header is provided 
96 by the kernel.
97
98 The destruction of the socket and all associated resources
99 is done by a simple call to close(fd).
100
101 Next I will describe PACKET_MMAP settings and its constraints,
102 also the mapping of the circular buffer in the user process and 
103 the use of this buffer.
104
105 --------------------------------------------------------------------------------
106 + How to use mmap() directly to improve transmission process
107 --------------------------------------------------------------------------------
108 Transmission process is similar to capture as shown below.
109
110 [setup]          socket() -------> creation of the transmission socket
111                  setsockopt() ---> allocation of the circular buffer (ring)
112                                    option: PACKET_TX_RING
113                  bind() ---------> bind transmission socket with a network interface
114                  mmap() ---------> mapping of the allocated buffer to the
115                                    user process
116
117 [transmission]   poll() ---------> wait for free packets (optional)
118                  send() ---------> send all packets that are set as ready in
119                                    the ring
120                                    The flag MSG_DONTWAIT can be used to return
121                                    before end of transfer.
122
123 [shutdown]  close() --------> destruction of the transmission socket and
124                               deallocation of all associated resources.
125
126 Binding the socket to your network interface is mandatory (with zero copy) to
127 know the header size of frames used in the circular buffer.
128
129 As capture, each frame contains two parts:
130
131  --------------------
132 | struct tpacket_hdr | Header. It contains the status of
133 |                    | of this frame
134 |--------------------|
135 | data buffer        |
136 .                    .  Data that will be sent over the network interface.
137 .                    .
138  --------------------
139
140  bind() associates the socket to your network interface thanks to
141  sll_ifindex parameter of struct sockaddr_ll.
142
143  Initialization example:
144
145  struct sockaddr_ll my_addr;
146  struct ifreq s_ifr;
147  ...
148
149  strncpy (s_ifr.ifr_name, "eth0", sizeof(s_ifr.ifr_name));
150
151  /* get interface index of eth0 */
152  ioctl(this->socket, SIOCGIFINDEX, &s_ifr);
153
154  /* fill sockaddr_ll struct to prepare binding */
155  my_addr.sll_family = AF_PACKET;
156  my_addr.sll_protocol = htons(ETH_P_ALL);
157  my_addr.sll_ifindex =  s_ifr.ifr_ifindex;
158
159  /* bind socket to eth0 */
160  bind(this->socket, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr_ll));
161
162  A complete tutorial is available at: http://wiki.gnu-log.net/
163
164 By default, the user should put data at :
165  frame base + TPACKET_HDRLEN - sizeof(struct sockaddr_ll)
166
167 So, whatever you choose for the socket mode (SOCK_DGRAM or SOCK_RAW),
168 the beginning of the user data will be at :
169  frame base + TPACKET_ALIGN(sizeof(struct tpacket_hdr))
170
171 If you wish to put user data at a custom offset from the beginning of
172 the frame (for payload alignment with SOCK_RAW mode for instance) you
173 can set tp_net (with SOCK_DGRAM) or tp_mac (with SOCK_RAW). In order
174 to make this work it must be enabled previously with setsockopt()
175 and the PACKET_TX_HAS_OFF option.
176
177 --------------------------------------------------------------------------------
178 + PACKET_MMAP settings
179 --------------------------------------------------------------------------------
180
181 To setup PACKET_MMAP from user level code is done with a call like
182
183  - Capture process
184      setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_RX_RING, (void *) &req, sizeof(req))
185  - Transmission process
186      setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_TX_RING, (void *) &req, sizeof(req))
187
188 The most significant argument in the previous call is the req parameter, 
189 this parameter must to have the following structure:
190
191     struct tpacket_req
192     {
193         unsigned int    tp_block_size;  /* Minimal size of contiguous block */
194         unsigned int    tp_block_nr;    /* Number of blocks */
195         unsigned int    tp_frame_size;  /* Size of frame */
196         unsigned int    tp_frame_nr;    /* Total number of frames */
197     };
198
199 This structure is defined in /usr/include/linux/if_packet.h and establishes a 
200 circular buffer (ring) of unswappable memory.
201 Being mapped in the capture process allows reading the captured frames and 
202 related meta-information like timestamps without requiring a system call.
203
204 Frames are grouped in blocks. Each block is a physically contiguous
205 region of memory and holds tp_block_size/tp_frame_size frames. The total number 
206 of blocks is tp_block_nr. Note that tp_frame_nr is a redundant parameter because
207
208     frames_per_block = tp_block_size/tp_frame_size
209
210 indeed, packet_set_ring checks that the following condition is true
211
212     frames_per_block * tp_block_nr == tp_frame_nr
213
214 Lets see an example, with the following values:
215
216      tp_block_size= 4096
217      tp_frame_size= 2048
218      tp_block_nr  = 4
219      tp_frame_nr  = 8
220
221 we will get the following buffer structure:
222
223         block #1                 block #2         
224 +---------+---------+    +---------+---------+    
225 | frame 1 | frame 2 |    | frame 3 | frame 4 |    
226 +---------+---------+    +---------+---------+    
227
228         block #3                 block #4
229 +---------+---------+    +---------+---------+
230 | frame 5 | frame 6 |    | frame 7 | frame 8 |
231 +---------+---------+    +---------+---------+
232
233 A frame can be of any size with the only condition it can fit in a block. A block
234 can only hold an integer number of frames, or in other words, a frame cannot 
235 be spawned across two blocks, so there are some details you have to take into 
236 account when choosing the frame_size. See "Mapping and use of the circular 
237 buffer (ring)".
238
239 --------------------------------------------------------------------------------
240 + PACKET_MMAP setting constraints
241 --------------------------------------------------------------------------------
242
243 In kernel versions prior to 2.4.26 (for the 2.4 branch) and 2.6.5 (2.6 branch),
244 the PACKET_MMAP buffer could hold only 32768 frames in a 32 bit architecture or
245 16384 in a 64 bit architecture. For information on these kernel versions
246 see http://pusa.uv.es/~ulisses/packet_mmap/packet_mmap.pre-2.4.26_2.6.5.txt
247
248  Block size limit
249 ------------------
250
251 As stated earlier, each block is a contiguous physical region of memory. These 
252 memory regions are allocated with calls to the __get_free_pages() function. As 
253 the name indicates, this function allocates pages of memory, and the second
254 argument is "order" or a power of two number of pages, that is 
255 (for PAGE_SIZE == 4096) order=0 ==> 4096 bytes, order=1 ==> 8192 bytes, 
256 order=2 ==> 16384 bytes, etc. The maximum size of a 
257 region allocated by __get_free_pages is determined by the MAX_ORDER macro. More 
258 precisely the limit can be calculated as:
259
260    PAGE_SIZE << MAX_ORDER
261
262    In a i386 architecture PAGE_SIZE is 4096 bytes 
263    In a 2.4/i386 kernel MAX_ORDER is 10
264    In a 2.6/i386 kernel MAX_ORDER is 11
265
266 So get_free_pages can allocate as much as 4MB or 8MB in a 2.4/2.6 kernel 
267 respectively, with an i386 architecture.
268
269 User space programs can include /usr/include/sys/user.h and 
270 /usr/include/linux/mmzone.h to get PAGE_SIZE MAX_ORDER declarations.
271
272 The pagesize can also be determined dynamically with the getpagesize (2) 
273 system call. 
274
275  Block number limit
276 --------------------
277
278 To understand the constraints of PACKET_MMAP, we have to see the structure 
279 used to hold the pointers to each block.
280
281 Currently, this structure is a dynamically allocated vector with kmalloc 
282 called pg_vec, its size limits the number of blocks that can be allocated.
283
284     +---+---+---+---+
285     | x | x | x | x |
286     +---+---+---+---+
287       |   |   |   |
288       |   |   |   v
289       |   |   v  block #4
290       |   v  block #3
291       v  block #2
292      block #1
293
294 kmalloc allocates any number of bytes of physically contiguous memory from 
295 a pool of pre-determined sizes. This pool of memory is maintained by the slab 
296 allocator which is at the end the responsible for doing the allocation and 
297 hence which imposes the maximum memory that kmalloc can allocate. 
298
299 In a 2.4/2.6 kernel and the i386 architecture, the limit is 131072 bytes. The 
300 predetermined sizes that kmalloc uses can be checked in the "size-<bytes>" 
301 entries of /proc/slabinfo
302
303 In a 32 bit architecture, pointers are 4 bytes long, so the total number of 
304 pointers to blocks is
305
306      131072/4 = 32768 blocks
307
308  PACKET_MMAP buffer size calculator
309 ------------------------------------
310
311 Definitions:
312
313 <size-max>    : is the maximum size of allocable with kmalloc (see /proc/slabinfo)
314 <pointer size>: depends on the architecture -- sizeof(void *)
315 <page size>   : depends on the architecture -- PAGE_SIZE or getpagesize (2)
316 <max-order>   : is the value defined with MAX_ORDER
317 <frame size>  : it's an upper bound of frame's capture size (more on this later)
318
319 from these definitions we will derive 
320
321         <block number> = <size-max>/<pointer size>
322         <block size> = <pagesize> << <max-order>
323
324 so, the max buffer size is
325
326         <block number> * <block size>
327
328 and, the number of frames be
329
330         <block number> * <block size> / <frame size>
331
332 Suppose the following parameters, which apply for 2.6 kernel and an
333 i386 architecture:
334
335         <size-max> = 131072 bytes
336         <pointer size> = 4 bytes
337         <pagesize> = 4096 bytes
338         <max-order> = 11
339
340 and a value for <frame size> of 2048 bytes. These parameters will yield
341
342         <block number> = 131072/4 = 32768 blocks
343         <block size> = 4096 << 11 = 8 MiB.
344
345 and hence the buffer will have a 262144 MiB size. So it can hold 
346 262144 MiB / 2048 bytes = 134217728 frames
347
348 Actually, this buffer size is not possible with an i386 architecture. 
349 Remember that the memory is allocated in kernel space, in the case of 
350 an i386 kernel's memory size is limited to 1GiB.
351
352 All memory allocations are not freed until the socket is closed. The memory 
353 allocations are done with GFP_KERNEL priority, this basically means that 
354 the allocation can wait and swap other process' memory in order to allocate 
355 the necessary memory, so normally limits can be reached.
356
357  Other constraints
358 -------------------
359
360 If you check the source code you will see that what I draw here as a frame
361 is not only the link level frame. At the beginning of each frame there is a 
362 header called struct tpacket_hdr used in PACKET_MMAP to hold link level's frame
363 meta information like timestamp. So what we draw here a frame it's really 
364 the following (from include/linux/if_packet.h):
365
366 /*
367    Frame structure:
368
369    - Start. Frame must be aligned to TPACKET_ALIGNMENT=16
370    - struct tpacket_hdr
371    - pad to TPACKET_ALIGNMENT=16
372    - struct sockaddr_ll
373    - Gap, chosen so that packet data (Start+tp_net) aligns to 
374      TPACKET_ALIGNMENT=16
375    - Start+tp_mac: [ Optional MAC header ]
376    - Start+tp_net: Packet data, aligned to TPACKET_ALIGNMENT=16.
377    - Pad to align to TPACKET_ALIGNMENT=16
378  */
379  
380  The following are conditions that are checked in packet_set_ring
381
382    tp_block_size must be a multiple of PAGE_SIZE (1)
383    tp_frame_size must be greater than TPACKET_HDRLEN (obvious)
384    tp_frame_size must be a multiple of TPACKET_ALIGNMENT
385    tp_frame_nr   must be exactly frames_per_block*tp_block_nr
386
387 Note that tp_block_size should be chosen to be a power of two or there will
388 be a waste of memory.
389
390 --------------------------------------------------------------------------------
391 + Mapping and use of the circular buffer (ring)
392 --------------------------------------------------------------------------------
393
394 The mapping of the buffer in the user process is done with the conventional 
395 mmap function. Even the circular buffer is compound of several physically
396 discontiguous blocks of memory, they are contiguous to the user space, hence
397 just one call to mmap is needed:
398
399     mmap(0, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
400
401 If tp_frame_size is a divisor of tp_block_size frames will be 
402 contiguously spaced by tp_frame_size bytes. If not, each
403 tp_block_size/tp_frame_size frames there will be a gap between 
404 the frames. This is because a frame cannot be spawn across two
405 blocks. 
406
407 At the beginning of each frame there is an status field (see 
408 struct tpacket_hdr). If this field is 0 means that the frame is ready
409 to be used for the kernel, If not, there is a frame the user can read 
410 and the following flags apply:
411
412 +++ Capture process:
413      from include/linux/if_packet.h
414
415      #define TP_STATUS_COPY          2 
416      #define TP_STATUS_LOSING        4 
417      #define TP_STATUS_CSUMNOTREADY  8 
418
419 TP_STATUS_COPY        : This flag indicates that the frame (and associated
420                         meta information) has been truncated because it's 
421                         larger than tp_frame_size. This packet can be 
422                         read entirely with recvfrom().
423                         
424                         In order to make this work it must to be
425                         enabled previously with setsockopt() and 
426                         the PACKET_COPY_THRESH option. 
427
428                         The number of frames than can be buffered to 
429                         be read with recvfrom is limited like a normal socket.
430                         See the SO_RCVBUF option in the socket (7) man page.
431
432 TP_STATUS_LOSING      : indicates there were packet drops from last time 
433                         statistics where checked with getsockopt() and
434                         the PACKET_STATISTICS option.
435
436 TP_STATUS_CSUMNOTREADY: currently it's used for outgoing IP packets which 
437                         its checksum will be done in hardware. So while
438                         reading the packet we should not try to check the 
439                         checksum. 
440
441 for convenience there are also the following defines:
442
443      #define TP_STATUS_KERNEL        0
444      #define TP_STATUS_USER          1
445
446 The kernel initializes all frames to TP_STATUS_KERNEL, when the kernel
447 receives a packet it puts in the buffer and updates the status with
448 at least the TP_STATUS_USER flag. Then the user can read the packet,
449 once the packet is read the user must zero the status field, so the kernel 
450 can use again that frame buffer.
451
452 The user can use poll (any other variant should apply too) to check if new
453 packets are in the ring:
454
455     struct pollfd pfd;
456
457     pfd.fd = fd;
458     pfd.revents = 0;
459     pfd.events = POLLIN|POLLRDNORM|POLLERR;
460
461     if (status == TP_STATUS_KERNEL)
462         retval = poll(&pfd, 1, timeout);
463
464 It doesn't incur in a race condition to first check the status value and 
465 then poll for frames.
466
467 ++ Transmission process
468 Those defines are also used for transmission:
469
470      #define TP_STATUS_AVAILABLE        0 // Frame is available
471      #define TP_STATUS_SEND_REQUEST     1 // Frame will be sent on next send()
472      #define TP_STATUS_SENDING          2 // Frame is currently in transmission
473      #define TP_STATUS_WRONG_FORMAT     4 // Frame format is not correct
474
475 First, the kernel initializes all frames to TP_STATUS_AVAILABLE. To send a
476 packet, the user fills a data buffer of an available frame, sets tp_len to
477 current data buffer size and sets its status field to TP_STATUS_SEND_REQUEST.
478 This can be done on multiple frames. Once the user is ready to transmit, it
479 calls send(). Then all buffers with status equal to TP_STATUS_SEND_REQUEST are
480 forwarded to the network device. The kernel updates each status of sent
481 frames with TP_STATUS_SENDING until the end of transfer.
482 At the end of each transfer, buffer status returns to TP_STATUS_AVAILABLE.
483
484     header->tp_len = in_i_size;
485     header->tp_status = TP_STATUS_SEND_REQUEST;
486     retval = send(this->socket, NULL, 0, 0);
487
488 The user can also use poll() to check if a buffer is available:
489 (status == TP_STATUS_SENDING)
490
491     struct pollfd pfd;
492     pfd.fd = fd;
493     pfd.revents = 0;
494     pfd.events = POLLOUT;
495     retval = poll(&pfd, 1, timeout);
496
497 -------------------------------------------------------------------------------
498 + What TPACKET versions are available and when to use them?
499 -------------------------------------------------------------------------------
500
501  int val = tpacket_version;
502  setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_VERSION, &val, sizeof(val));
503  getsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_VERSION, &val, sizeof(val));
504
505 where 'tpacket_version' can be TPACKET_V1 (default), TPACKET_V2, TPACKET_V3.
506
507 TPACKET_V1:
508         - Default if not otherwise specified by setsockopt(2)
509         - RX_RING, TX_RING available
510         - VLAN metadata information available for packets
511           (TP_STATUS_VLAN_VALID)
512
513 TPACKET_V1 --> TPACKET_V2:
514         - Made 64 bit clean due to unsigned long usage in TPACKET_V1
515           structures, thus this also works on 64 bit kernel with 32 bit
516           userspace and the like
517         - Timestamp resolution in nanoseconds instead of microseconds
518         - RX_RING, TX_RING available
519         - How to switch to TPACKET_V2:
520                 1. Replace struct tpacket_hdr by struct tpacket2_hdr
521                 2. Query header len and save
522                 3. Set protocol version to 2, set up ring as usual
523                 4. For getting the sockaddr_ll,
524                    use (void *)hdr + TPACKET_ALIGN(hdrlen) instead of
525                    (void *)hdr + TPACKET_ALIGN(sizeof(struct tpacket_hdr))
526
527 TPACKET_V2 --> TPACKET_V3:
528         - Flexible buffer implementation:
529                 1. Blocks can be configured with non-static frame-size
530                 2. Read/poll is at a block-level (as opposed to packet-level)
531                 3. Added poll timeout to avoid indefinite user-space wait
532                    on idle links
533                 4. Added user-configurable knobs:
534                         4.1 block::timeout
535                         4.2 tpkt_hdr::sk_rxhash
536         - RX Hash data available in user space
537         - Currently only RX_RING available
538
539 -------------------------------------------------------------------------------
540 + AF_PACKET fanout mode
541 -------------------------------------------------------------------------------
542
543 In the AF_PACKET fanout mode, packet reception can be load balanced among
544 processes. This also works in combination with mmap(2) on packet sockets.
545
546 Minimal example code by David S. Miller (try things like "./test eth0 hash",
547 "./test eth0 lb", etc.):
548
549 #include <stddef.h>
550 #include <stdlib.h>
551 #include <stdio.h>
552 #include <string.h>
553
554 #include <sys/types.h>
555 #include <sys/wait.h>
556 #include <sys/socket.h>
557 #include <sys/ioctl.h>
558
559 #include <unistd.h>
560
561 #include <linux/if_ether.h>
562 #include <linux/if_packet.h>
563
564 #include <net/if.h>
565
566 static const char *device_name;
567 static int fanout_type;
568 static int fanout_id;
569
570 #ifndef PACKET_FANOUT
571 # define PACKET_FANOUT                  18
572 # define PACKET_FANOUT_HASH             0
573 # define PACKET_FANOUT_LB               1
574 #endif
575
576 static int setup_socket(void)
577 {
578         int err, fd = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_IP));
579         struct sockaddr_ll ll;
580         struct ifreq ifr;
581         int fanout_arg;
582
583         if (fd < 0) {
584                 perror("socket");
585                 return EXIT_FAILURE;
586         }
587
588         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
589         strcpy(ifr.ifr_name, device_name);
590         err = ioctl(fd, SIOCGIFINDEX, &ifr);
591         if (err < 0) {
592                 perror("SIOCGIFINDEX");
593                 return EXIT_FAILURE;
594         }
595
596         memset(&ll, 0, sizeof(ll));
597         ll.sll_family = AF_PACKET;
598         ll.sll_ifindex = ifr.ifr_ifindex;
599         err = bind(fd, (struct sockaddr *) &ll, sizeof(ll));
600         if (err < 0) {
601                 perror("bind");
602                 return EXIT_FAILURE;
603         }
604
605         fanout_arg = (fanout_id | (fanout_type << 16));
606         err = setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_FANOUT,
607                          &fanout_arg, sizeof(fanout_arg));
608         if (err) {
609                 perror("setsockopt");
610                 return EXIT_FAILURE;
611         }
612
613         return fd;
614 }
615
616 static void fanout_thread(void)
617 {
618         int fd = setup_socket();
619         int limit = 10000;
620
621         if (fd < 0)
622                 exit(fd);
623
624         while (limit-- > 0) {
625                 char buf[1600];
626                 int err;
627
628                 err = read(fd, buf, sizeof(buf));
629                 if (err < 0) {
630                         perror("read");
631                         exit(EXIT_FAILURE);
632                 }
633                 if ((limit % 10) == 0)
634                         fprintf(stdout, "(%d) \n", getpid());
635         }
636
637         fprintf(stdout, "%d: Received 10000 packets\n", getpid());
638
639         close(fd);
640         exit(0);
641 }
642
643 int main(int argc, char **argp)
644 {
645         int fd, err;
646         int i;
647
648         if (argc != 3) {
649                 fprintf(stderr, "Usage: %s INTERFACE {hash|lb}\n", argp[0]);
650                 return EXIT_FAILURE;
651         }
652
653         if (!strcmp(argp[2], "hash"))
654                 fanout_type = PACKET_FANOUT_HASH;
655         else if (!strcmp(argp[2], "lb"))
656                 fanout_type = PACKET_FANOUT_LB;
657         else {
658                 fprintf(stderr, "Unknown fanout type [%s]\n", argp[2]);
659                 exit(EXIT_FAILURE);
660         }
661
662         device_name = argp[1];
663         fanout_id = getpid() & 0xffff;
664
665         for (i = 0; i < 4; i++) {
666                 pid_t pid = fork();
667
668                 switch (pid) {
669                 case 0:
670                         fanout_thread();
671
672                 case -1:
673                         perror("fork");
674                         exit(EXIT_FAILURE);
675                 }
676         }
677
678         for (i = 0; i < 4; i++) {
679                 int status;
680
681                 wait(&status);
682         }
683
684         return 0;
685 }
686
687 -------------------------------------------------------------------------------
688 + AF_PACKET TPACKET_V3 example
689 -------------------------------------------------------------------------------
690
691 AF_PACKET's TPACKET_V3 ring buffer can be configured to use non-static frame
692 sizes by doing it's own memory management. It is based on blocks where polling
693 works on a per block basis instead of per ring as in TPACKET_V2 and predecessor.
694
695 It is said that TPACKET_V3 brings the following benefits:
696  *) ~15 - 20% reduction in CPU-usage
697  *) ~20% increase in packet capture rate
698  *) ~2x increase in packet density
699  *) Port aggregation analysis
700  *) Non static frame size to capture entire packet payload
701
702 So it seems to be a good candidate to be used with packet fanout.
703
704 Minimal example code by Daniel Borkmann based on Chetan Loke's lolpcap (compile
705 it with gcc -Wall -O2 blob.c, and try things like "./a.out eth0", etc.):
706
707 /* Written from scratch, but kernel-to-user space API usage
708  * dissected from lolpcap:
709  *  Copyright 2011, Chetan Loke <loke.chetan@gmail.com>
710  *  License: GPL, version 2.0
711  */
712
713 #include <stdio.h>
714 #include <stdlib.h>
715 #include <stdint.h>
716 #include <string.h>
717 #include <assert.h>
718 #include <net/if.h>
719 #include <arpa/inet.h>
720 #include <netdb.h>
721 #include <poll.h>
722 #include <unistd.h>
723 #include <signal.h>
724 #include <inttypes.h>
725 #include <sys/socket.h>
726 #include <sys/mman.h>
727 #include <linux/if_packet.h>
728 #include <linux/if_ether.h>
729 #include <linux/ip.h>
730
731 #ifndef likely
732 # define likely(x)              __builtin_expect(!!(x), 1)
733 #endif
734 #ifndef unlikely
735 # define unlikely(x)            __builtin_expect(!!(x), 0)
736 #endif
737
738 struct block_desc {
739         uint32_t version;
740         uint32_t offset_to_priv;
741         struct tpacket_hdr_v1 h1;
742 };
743
744 struct ring {
745         struct iovec *rd;
746         uint8_t *map;
747         struct tpacket_req3 req;
748 };
749
750 static unsigned long packets_total = 0, bytes_total = 0;
751 static sig_atomic_t sigint = 0;
752
753 static void sighandler(int num)
754 {
755         sigint = 1;
756 }
757
758 static int setup_socket(struct ring *ring, char *netdev)
759 {
760         int err, i, fd, v = TPACKET_V3;
761         struct sockaddr_ll ll;
762         unsigned int blocksiz = 1 << 22, framesiz = 1 << 11;
763         unsigned int blocknum = 64;
764
765         fd = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL));
766         if (fd < 0) {
767                 perror("socket");
768                 exit(1);
769         }
770
771         err = setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_VERSION, &v, sizeof(v));
772         if (err < 0) {
773                 perror("setsockopt");
774                 exit(1);
775         }
776
777         memset(&ring->req, 0, sizeof(ring->req));
778         ring->req.tp_block_size = blocksiz;
779         ring->req.tp_frame_size = framesiz;
780         ring->req.tp_block_nr = blocknum;
781         ring->req.tp_frame_nr = (blocksiz * blocknum) / framesiz;
782         ring->req.tp_retire_blk_tov = 60;
783         ring->req.tp_feature_req_word = TP_FT_REQ_FILL_RXHASH;
784
785         err = setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_RX_RING, &ring->req,
786                          sizeof(ring->req));
787         if (err < 0) {
788                 perror("setsockopt");
789                 exit(1);
790         }
791
792         ring->map = mmap(NULL, ring->req.tp_block_size * ring->req.tp_block_nr,
793                          PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_LOCKED, fd, 0);
794         if (ring->map == MAP_FAILED) {
795                 perror("mmap");
796                 exit(1);
797         }
798
799         ring->rd = malloc(ring->req.tp_block_nr * sizeof(*ring->rd));
800         assert(ring->rd);
801         for (i = 0; i < ring->req.tp_block_nr; ++i) {
802                 ring->rd[i].iov_base = ring->map + (i * ring->req.tp_block_size);
803                 ring->rd[i].iov_len = ring->req.tp_block_size;
804         }
805
806         memset(&ll, 0, sizeof(ll));
807         ll.sll_family = PF_PACKET;
808         ll.sll_protocol = htons(ETH_P_ALL);
809         ll.sll_ifindex = if_nametoindex(netdev);
810         ll.sll_hatype = 0;
811         ll.sll_pkttype = 0;
812         ll.sll_halen = 0;
813
814         err = bind(fd, (struct sockaddr *) &ll, sizeof(ll));
815         if (err < 0) {
816                 perror("bind");
817                 exit(1);
818         }
819
820         return fd;
821 }
822
823 static void display(struct tpacket3_hdr *ppd)
824 {
825         struct ethhdr *eth = (struct ethhdr *) ((uint8_t *) ppd + ppd->tp_mac);
826         struct iphdr *ip = (struct iphdr *) ((uint8_t *) eth + ETH_HLEN);
827
828         if (eth->h_proto == htons(ETH_P_IP)) {
829                 struct sockaddr_in ss, sd;
830                 char sbuff[NI_MAXHOST], dbuff[NI_MAXHOST];
831
832                 memset(&ss, 0, sizeof(ss));
833                 ss.sin_family = PF_INET;
834                 ss.sin_addr.s_addr = ip->saddr;
835                 getnameinfo((struct sockaddr *) &ss, sizeof(ss),
836                             sbuff, sizeof(sbuff), NULL, 0, NI_NUMERICHOST);
837
838                 memset(&sd, 0, sizeof(sd));
839                 sd.sin_family = PF_INET;
840                 sd.sin_addr.s_addr = ip->daddr;
841                 getnameinfo((struct sockaddr *) &sd, sizeof(sd),
842                             dbuff, sizeof(dbuff), NULL, 0, NI_NUMERICHOST);
843
844                 printf("%s -> %s, ", sbuff, dbuff);
845         }
846
847         printf("rxhash: 0x%x\n", ppd->hv1.tp_rxhash);
848 }
849
850 static void walk_block(struct block_desc *pbd, const int block_num)
851 {
852         int num_pkts = pbd->h1.num_pkts, i;
853         unsigned long bytes = 0;
854         struct tpacket3_hdr *ppd;
855
856         ppd = (struct tpacket3_hdr *) ((uint8_t *) pbd +
857                                        pbd->h1.offset_to_first_pkt);
858         for (i = 0; i < num_pkts; ++i) {
859                 bytes += ppd->tp_snaplen;
860                 display(ppd);
861
862                 ppd = (struct tpacket3_hdr *) ((uint8_t *) ppd +
863                                                ppd->tp_next_offset);
864         }
865
866         packets_total += num_pkts;
867         bytes_total += bytes;
868 }
869
870 static void flush_block(struct block_desc *pbd)
871 {
872         pbd->h1.block_status = TP_STATUS_KERNEL;
873 }
874
875 static void teardown_socket(struct ring *ring, int fd)
876 {
877         munmap(ring->map, ring->req.tp_block_size * ring->req.tp_block_nr);
878         free(ring->rd);
879         close(fd);
880 }
881
882 int main(int argc, char **argp)
883 {
884         int fd, err;
885         socklen_t len;
886         struct ring ring;
887         struct pollfd pfd;
888         unsigned int block_num = 0, blocks = 64;
889         struct block_desc *pbd;
890         struct tpacket_stats_v3 stats;
891
892         if (argc != 2) {
893                 fprintf(stderr, "Usage: %s INTERFACE\n", argp[0]);
894                 return EXIT_FAILURE;
895         }
896
897         signal(SIGINT, sighandler);
898
899         memset(&ring, 0, sizeof(ring));
900         fd = setup_socket(&ring, argp[argc - 1]);
901         assert(fd > 0);
902
903         memset(&pfd, 0, sizeof(pfd));
904         pfd.fd = fd;
905         pfd.events = POLLIN | POLLERR;
906         pfd.revents = 0;
907
908         while (likely(!sigint)) {
909                 pbd = (struct block_desc *) ring.rd[block_num].iov_base;
910
911                 if ((pbd->h1.block_status & TP_STATUS_USER) == 0) {
912                         poll(&pfd, 1, -1);
913                         continue;
914                 }
915
916                 walk_block(pbd, block_num);
917                 flush_block(pbd);
918                 block_num = (block_num + 1) % blocks;
919         }
920
921         len = sizeof(stats);
922         err = getsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_STATISTICS, &stats, &len);
923         if (err < 0) {
924                 perror("getsockopt");
925                 exit(1);
926         }
927
928         fflush(stdout);
929         printf("\nReceived %u packets, %lu bytes, %u dropped, freeze_q_cnt: %u\n",
930                stats.tp_packets, bytes_total, stats.tp_drops,
931                stats.tp_freeze_q_cnt);
932
933         teardown_socket(&ring, fd);
934         return 0;
935 }
936
937 -------------------------------------------------------------------------------
938 + PACKET_TIMESTAMP
939 -------------------------------------------------------------------------------
940
941 The PACKET_TIMESTAMP setting determines the source of the timestamp in
942 the packet meta information for mmap(2)ed RX_RING and TX_RINGs.  If your
943 NIC is capable of timestamping packets in hardware, you can request those
944 hardware timestamps to be used. Note: you may need to enable the generation
945 of hardware timestamps with SIOCSHWTSTAMP (see related information from
946 Documentation/networking/timestamping.txt).
947
948 PACKET_TIMESTAMP accepts the same integer bit field as
949 SO_TIMESTAMPING.  However, only the SOF_TIMESTAMPING_SYS_HARDWARE
950 and SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE values are recognized by
951 PACKET_TIMESTAMP.  SOF_TIMESTAMPING_SYS_HARDWARE takes precedence over
952 SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE if both bits are set.
953
954     int req = 0;
955     req |= SOF_TIMESTAMPING_SYS_HARDWARE;
956     setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_TIMESTAMP, (void *) &req, sizeof(req))
957
958 For the mmap(2)ed ring buffers, such timestamps are stored in the
959 tpacket{,2,3}_hdr structure's tp_sec and tp_{n,u}sec members. To determine
960 what kind of timestamp has been reported, the tp_status field is binary |'ed
961 with the following possible bits ...
962
963     TP_STATUS_TS_SYS_HARDWARE
964     TP_STATUS_TS_RAW_HARDWARE
965     TP_STATUS_TS_SOFTWARE
966
967 ... that are equivalent to its SOF_TIMESTAMPING_* counterparts. For the
968 RX_RING, if none of those 3 are set (i.e. PACKET_TIMESTAMP is not set),
969 then this means that a software fallback was invoked *within* PF_PACKET's
970 processing code (less precise).
971
972 Getting timestamps for the TX_RING works as follows: i) fill the ring frames,
973 ii) call sendto() e.g. in blocking mode, iii) wait for status of relevant
974 frames to be updated resp. the frame handed over to the application, iv) walk
975 through the frames to pick up the individual hw/sw timestamps.
976
977 Only (!) if transmit timestamping is enabled, then these bits are combined
978 with binary | with TP_STATUS_AVAILABLE, so you must check for that in your
979 application (e.g. !(tp_status & (TP_STATUS_SEND_REQUEST | TP_STATUS_SENDING))
980 in a first step to see if the frame belongs to the application, and then
981 one can extract the type of timestamp in a second step from tp_status)!
982
983 If you don't care about them, thus having it disabled, checking for
984 TP_STATUS_AVAILABLE resp. TP_STATUS_WRONG_FORMAT is sufficient. If in the
985 TX_RING part only TP_STATUS_AVAILABLE is set, then the tp_sec and tp_{n,u}sec
986 members do not contain a valid value. For TX_RINGs, by default no timestamp
987 is generated!
988
989 See include/linux/net_tstamp.h and Documentation/networking/timestamping
990 for more information on hardware timestamps.
991
992 -------------------------------------------------------------------------------
993 + Miscellaneous bits
994 -------------------------------------------------------------------------------
995
996 - Packet sockets work well together with Linux socket filters, thus you also
997   might want to have a look at Documentation/networking/filter.txt
998
999 --------------------------------------------------------------------------------
1000 + THANKS
1001 --------------------------------------------------------------------------------
1002    
1003    Jesse Brandeburg, for fixing my grammathical/spelling errors
1004