Quelle  toeplitz.c   Sprache: C

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
/* Toeplitz test
 *
 * 1. Read packets and their rx_hash using PF_PACKET/TPACKET_V3
 * 2. Compute the rx_hash in software based on the packet contents
 * 3. Compare the two
 *
 * Optionally, either '-C $rx_irq_cpu_list' or '-r $rps_bitmap' may be given.
 *
 * If '-C $rx_irq_cpu_list' is given, also
 *
 * 4. Identify the cpu on which the packet arrived with PACKET_FANOUT_CPU
 * 5. Compute the rxqueue that RSS would select based on this rx_hash
 * 6. Using the $rx_irq_cpu_list map, identify the arriving cpu based on rxq irq
 * 7. Compare the cpus from 4 and 6
 *
 * Else if '-r $rps_bitmap' is given, also
 *
 * 4. Identify the cpu on which the packet arrived with PACKET_FANOUT_CPU
 * 5. Compute the cpu that RPS should select based on rx_hash and $rps_bitmap
 * 6. Compare the cpus from 4 and 5
 */

#define _GNU_SOURCE

#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <error.h>
#include <fcntl.h>
#include <getopt.h>
#include <linux/filter.h>
#include <linux/if_ether.h>
#include <linux/if_packet.h>
#include <net/if.h>
#include <netdb.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/ip6.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <netinet/udp.h>
#include <poll.h>
#include <stdbool.h>
#include <stddef.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/sysinfo.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#include "../kselftest.h"

#define TOEPLITZ_KEY_MIN_LEN 40
#define TOEPLITZ_KEY_MAX_LEN 60

#define TOEPLITZ_STR_LEN(K) (((K) * 3) - 1) /* hex encoded: AA:BB:CC:...:ZZ */
#define TOEPLITZ_STR_MIN_LEN TOEPLITZ_STR_LEN(TOEPLITZ_KEY_MIN_LEN)
#define TOEPLITZ_STR_MAX_LEN TOEPLITZ_STR_LEN(TOEPLITZ_KEY_MAX_LEN)

#define FOUR_TUPLE_MAX_LEN ((sizeof(struct in6_addr) * 2) + (sizeof(uint16_t) * 2))

#define RSS_MAX_CPUS (1 << 16) /* real constraint is PACKET_FANOUT_MAX */

#define RPS_MAX_CPUS 16UL /* must be a power of 2 */

/* configuration options (cmdline arguments) */
static uint16_t cfg_dport = 8000;
static int cfg_family =  AF_INET6;
static char *cfg_ifname = "eth0";
static int cfg_num_queues;
static int cfg_num_rps_cpus;
static bool cfg_sink;
static int cfg_type =  SOCK_STREAM;
static int cfg_timeout_msec = 1000;
static bool cfg_verbose;

/* global vars */
static int num_cpus;
static int ring_block_nr;
static int ring_block_sz;

/* stats */
static int frames_received;
static int frames_nohash;
static int frames_error;

#define log_verbose(args...) do { if (cfg_verbose) fprintf(stderr, args); } while (0)

/* tpacket ring */
struct ring_state {
 int fd;
 char *mmap;
 int idx;
 int cpu;
};

static unsigned int rx_irq_cpus[RSS_MAX_CPUS]; /* map from rxq to cpu */
static int rps_silo_to_cpu[RPS_MAX_CPUS];
static unsigned char toeplitz_key[TOEPLITZ_KEY_MAX_LEN];
static struct ring_state rings[RSS_MAX_CPUS];

static inline uint32_t toeplitz(const unsigned char *four_tuple,
    const unsigned char *key)
{
 int i, bit, ret = 0;
 uint32_t key32;

 key32 = ntohl(*((uint32_t *)key));
 key += 4;

 for (i = 0; i < FOUR_TUPLE_MAX_LEN; i++) {
  for (bit = 7; bit >= 0; bit--) {
   if (four_tuple[i] & (1 << bit))
    ret ^= key32;

   key32 <<= 1;
   key32 |= !!(key[0] & (1 << bit));
  }
  key++;
 }

 return ret;
}

/* Compare computed cpu with arrival cpu from packet_fanout_cpu */
static void verify_rss(uint32_t rx_hash, int cpu)
{
 int queue = rx_hash % cfg_num_queues;

 log_verbose(" rxq %d (cpu %d)", queue, rx_irq_cpus[queue]);
 if (rx_irq_cpus[queue] != cpu) {
  log_verbose(". error: rss cpu mismatch (%d)", cpu);
  frames_error++;
 }
}

static void verify_rps(uint64_t rx_hash, int cpu)
{
 int silo = (rx_hash * cfg_num_rps_cpus) >> 32;

 log_verbose(" silo %d (cpu %d)", silo, rps_silo_to_cpu[silo]);
 if (rps_silo_to_cpu[silo] != cpu) {
  log_verbose(". error: rps cpu mismatch (%d)", cpu);
  frames_error++;
 }
}

static void log_rxhash(int cpu, uint32_t rx_hash,
         const char *addrs, int addr_len)
{
 char saddr[INET6_ADDRSTRLEN], daddr[INET6_ADDRSTRLEN];
 uint16_t *ports;

 if (!inet_ntop(cfg_family, addrs, saddr, sizeof(saddr)) ||
     !inet_ntop(cfg_family, addrs + addr_len, daddr, sizeof(daddr)))
  error(1, 0, "address parse error");

 ports = (void *)addrs + (addr_len * 2);
 log_verbose("cpu %d: rx_hash 0x%08x [saddr %s daddr %s sport %02hu dport %02hu]",
      cpu, rx_hash, saddr, daddr,
      ntohs(ports[0]), ntohs(ports[1]));
}

/* Compare computed rxhash with rxhash received from tpacket_v3 */
static void verify_rxhash(const char *pkt, uint32_t rx_hash, int cpu)
{
 unsigned char four_tuple[FOUR_TUPLE_MAX_LEN] = {0};
 uint32_t rx_hash_sw;
 const char *addrs;
 int addr_len;

 if (cfg_family == AF_INET) {
  addr_len = sizeof(struct in_addr);
  addrs = pkt + offsetof(struct iphdr, saddr);
 } else {
  addr_len = sizeof(struct in6_addr);
  addrs = pkt + offsetof(struct ip6_hdr, ip6_src);
 }

 memcpy(four_tuple, addrs, (addr_len * 2) + (sizeof(uint16_t) * 2));
 rx_hash_sw = toeplitz(four_tuple, toeplitz_key);

 if (cfg_verbose)
  log_rxhash(cpu, rx_hash, addrs, addr_len);

 if (rx_hash != rx_hash_sw) {
  log_verbose(" != expected 0x%x\n", rx_hash_sw);
  frames_error++;
  return;
 }

 log_verbose(" OK");
 if (cfg_num_queues)
  verify_rss(rx_hash, cpu);
 else if (cfg_num_rps_cpus)
  verify_rps(rx_hash, cpu);
 log_verbose("\n");
}

static char *recv_frame(const struct ring_state *ring, char *frame)
{
 struct tpacket3_hdr *hdr = (void *)frame;

 if (hdr->hv1.tp_rxhash)
  verify_rxhash(frame + hdr->tp_net, hdr->hv1.tp_rxhash,
         ring->cpu);
 else
  frames_nohash++;

 return frame + hdr->tp_next_offset;
}

/* A single TPACKET_V3 block can hold multiple frames */
static bool recv_block(struct ring_state *ring)
{
 struct tpacket_block_desc *block;
 char *frame;
 int i;

 block = (void *)(ring->mmap + ring->idx * ring_block_sz);
 if (!(block->hdr.bh1.block_status & TP_STATUS_USER))
  return false;

 frame = (char *)block;
 frame += block->hdr.bh1.offset_to_first_pkt;

 for (i = 0; i < block->hdr.bh1.num_pkts; i++) {
  frame = recv_frame(ring, frame);
  frames_received++;
 }

 block->hdr.bh1.block_status = TP_STATUS_KERNEL;
 ring->idx = (ring->idx + 1) % ring_block_nr;

 return true;
}

/* simple test: sleep once unconditionally and then process all rings */
static void process_rings(void)
{
 int i;

 usleep(1000 * cfg_timeout_msec);

 for (i = 0; i < num_cpus; i++)
  do {} while (recv_block(&rings[i]));

 fprintf(stderr, "count: pass=%u nohash=%u fail=%u\n",
  frames_received - frames_nohash - frames_error,
  frames_nohash, frames_error);
}

static char *setup_ring(int fd)
{
 struct tpacket_req3 req3 = {0};
 void *ring;

 req3.tp_retire_blk_tov = cfg_timeout_msec / 8;
 req3.tp_feature_req_word = TP_FT_REQ_FILL_RXHASH;

 req3.tp_frame_size = 2048;
 req3.tp_frame_nr = 1 << 10;
 req3.tp_block_nr = 16;

 req3.tp_block_size = req3.tp_frame_size * req3.tp_frame_nr;
 req3.tp_block_size /= req3.tp_block_nr;

 if (setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_RX_RING, &req3, sizeof(req3)))
  error(1, errno, "setsockopt PACKET_RX_RING");

 ring_block_sz = req3.tp_block_size;
 ring_block_nr = req3.tp_block_nr;

 ring = mmap(0, req3.tp_block_size * req3.tp_block_nr,
      PROT_READ | PROT_WRITE,
      MAP_SHARED | MAP_LOCKED | MAP_POPULATE, fd, 0);
 if (ring == MAP_FAILED)
  error(1, 0, "mmap failed");

 return ring;
}

static void __set_filter(int fd, int off_proto, uint8_t proto, int off_dport)
{
 struct sock_filter filter[] = {
  BPF_STMT(BPF_LD  + BPF_B   + BPF_ABS, SKF_AD_OFF + SKF_AD_PKTTYPE),
  BPF_JUMP(BPF_JMP + BPF_JEQ + BPF_K, PACKET_HOST, 0, 4),
  BPF_STMT(BPF_LD  + BPF_B   + BPF_ABS, off_proto),
  BPF_JUMP(BPF_JMP + BPF_JEQ + BPF_K, proto, 0, 2),
  BPF_STMT(BPF_LD  + BPF_H   + BPF_ABS, off_dport),
  BPF_JUMP(BPF_JMP + BPF_JEQ + BPF_K, cfg_dport, 1, 0),
  BPF_STMT(BPF_RET + BPF_K, 0),
  BPF_STMT(BPF_RET + BPF_K, 0xFFFF),
 };
 struct sock_fprog prog = {};

 prog.filter = filter;
 prog.len = ARRAY_SIZE(filter);
 if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_FILTER, &prog, sizeof(prog)))
  error(1, errno, "setsockopt filter");
}

/* filter on transport protocol and destination port */
static void set_filter(int fd)
{
 const int off_dport = offsetof(struct tcphdr, dest); /* same for udp */
 uint8_t proto;

 proto = cfg_type == SOCK_STREAM ? IPPROTO_TCP : IPPROTO_UDP;
 if (cfg_family == AF_INET)
  __set_filter(fd, offsetof(struct iphdr, protocol), proto,
        sizeof(struct iphdr) + off_dport);
 else
  __set_filter(fd, offsetof(struct ip6_hdr, ip6_nxt), proto,
        sizeof(struct ip6_hdr) + off_dport);
}

/* drop everything: used temporarily during setup */
static void set_filter_null(int fd)
{
 struct sock_filter filter[] = {
  BPF_STMT(BPF_RET + BPF_K, 0),
 };
 struct sock_fprog prog = {};

 prog.filter = filter;
 prog.len = ARRAY_SIZE(filter);
 if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_FILTER, &prog, sizeof(prog)))
  error(1, errno, "setsockopt filter");
}

static int create_ring(char **ring)
{
 struct fanout_args args = {
  .id = 1,
  .type_flags = PACKET_FANOUT_CPU,
  .max_num_members = RSS_MAX_CPUS
 };
 struct sockaddr_ll ll = { 0 };
 int fd, val;

 fd = socket(PF_PACKET, SOCK_DGRAM, 0);
 if (fd == -1)
  error(1, errno, "socket creation failed");

 val = TPACKET_V3;
 if (setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_VERSION, &val, sizeof(val)))
  error(1, errno, "setsockopt PACKET_VERSION");
 *ring = setup_ring(fd);

 /* block packets until all rings are added to the fanout group:
  * else packets can arrive during setup and get misclassified
 */
 set_filter_null(fd);

 ll.sll_family = AF_PACKET;
 ll.sll_ifindex = if_nametoindex(cfg_ifname);
 ll.sll_protocol = cfg_family == AF_INET ? htons(ETH_P_IP) :
        htons(ETH_P_IPV6);
 if (bind(fd, (void *)&ll, sizeof(ll)))
  error(1, errno, "bind");

 /* must come after bind: verifies all programs in group match */
 if (setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_FANOUT, &args, sizeof(args))) {
  /* on failure, retry using old API if that is sufficient:
   * it has a hard limit of 256 sockets, so only try if
   * (a) only testing rxhash, not RSS or (b) <= 256 cpus.
   * in this API, the third argument is left implicit.
 */
  if (cfg_num_queues || num_cpus > 256 ||
      setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_FANOUT,
          &args, sizeof(uint32_t)))
   error(1, errno, "setsockopt PACKET_FANOUT cpu");
 }

 return fd;
}

/* setup inet(6) socket to blackhole the test traffic, if arg '-s' */
static int setup_sink(void)
{
 int fd, val;

 fd = socket(cfg_family, cfg_type, 0);
 if (fd == -1)
  error(1, errno, "socket %d.%d", cfg_family, cfg_type);

 val = 1 << 20;
 if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUFFORCE, &val, sizeof(val)))
  error(1, errno, "setsockopt rcvbuf");

 return fd;
}

static void setup_rings(void)
{
 int i;

 for (i = 0; i < num_cpus; i++) {
  rings[i].cpu = i;
  rings[i].fd = create_ring(&rings[i].mmap);
 }

 /* accept packets once all rings in the fanout group are up */
 for (i = 0; i < num_cpus; i++)
  set_filter(rings[i].fd);
}

static void cleanup_rings(void)
{
 int i;

 for (i = 0; i < num_cpus; i++) {
  if (munmap(rings[i].mmap, ring_block_nr * ring_block_sz))
   error(1, errno, "munmap");
  if (close(rings[i].fd))
   error(1, errno, "close");
 }
}

static void parse_cpulist(const char *arg)
{
 do {
  rx_irq_cpus[cfg_num_queues++] = strtol(arg, NULL, 10);

  arg = strchr(arg, ',');
  if (!arg)
   break;
  arg++;   // skip ','
 } while (1);
}

static void show_cpulist(void)
{
 int i;

 for (i = 0; i < cfg_num_queues; i++)
  fprintf(stderr, "rxq %d: cpu %d\n", i, rx_irq_cpus[i]);
}

static void show_silos(void)
{
 int i;

 for (i = 0; i < cfg_num_rps_cpus; i++)
  fprintf(stderr, "silo %d: cpu %d\n", i, rps_silo_to_cpu[i]);
}

static void parse_toeplitz_key(const char *str, int slen, unsigned char *key)
{
 int i, ret, off;

 if (slen < TOEPLITZ_STR_MIN_LEN ||
     slen > TOEPLITZ_STR_MAX_LEN + 1)
  error(1, 0, "invalid toeplitz key");

 for (i = 0, off = 0; off < slen; i++, off += 3) {
  ret = sscanf(str + off, "%hhx", &key[i]);
  if (ret != 1)
   error(1, 0, "key parse error at %d off %d len %d",
         i, off, slen);
 }
}

static void parse_rps_bitmap(const char *arg)
{
 unsigned long bitmap;
 int i;

 bitmap = strtoul(arg, NULL, 0);

 if (bitmap & ~(RPS_MAX_CPUS - 1))
  error(1, 0, "rps bitmap 0x%lx out of bounds 0..%lu",
        bitmap, RPS_MAX_CPUS - 1);

 for (i = 0; i < RPS_MAX_CPUS; i++)
  if (bitmap & 1UL << i)
   rps_silo_to_cpu[cfg_num_rps_cpus++] = i;
}

static void parse_opts(int argc, char **argv)
{
 static struct option long_options[] = {
     {"dport", required_argument, 0, 'd'},
     {"cpus", required_argument, 0, 'C'},
     {"key", required_argument, 0, 'k'},
     {"iface", required_argument, 0, 'i'},
     {"ipv4", no_argument, 0, '4'},
     {"ipv6", no_argument, 0, '6'},
     {"sink", no_argument, 0, 's'},
     {"tcp", no_argument, 0, 't'},
     {"timeout", required_argument, 0, 'T'},
     {"udp", no_argument, 0, 'u'},
     {"verbose", no_argument, 0, 'v'},
     {"rps", required_argument, 0, 'r'},
     {0, 0, 0, 0}
 };
 bool have_toeplitz = false;
 int index, c;

 while ((c = getopt_long(argc, argv, "46C:d:i:k:r:stT:uv", long_options, &index)) != -1) {
  switch (c) {
  case '4':
   cfg_family = AF_INET;
   break;
  case '6':
   cfg_family = AF_INET6;
   break;
  case 'C':
   parse_cpulist(optarg);
   break;
  case 'd':
   cfg_dport = strtol(optarg, NULL, 0);
   break;
  case 'i':
   cfg_ifname = optarg;
   break;
  case 'k':
   parse_toeplitz_key(optarg, strlen(optarg),
        toeplitz_key);
   have_toeplitz = true;
   break;
  case 'r':
   parse_rps_bitmap(optarg);
   break;
  case 's':
   cfg_sink = true;
   break;
  case 't':
   cfg_type = SOCK_STREAM;
   break;
  case 'T':
   cfg_timeout_msec = strtol(optarg, NULL, 0);
   break;
  case 'u':
   cfg_type = SOCK_DGRAM;
   break;
  case 'v':
   cfg_verbose = true;
   break;

  default:
   error(1, 0, "unknown option %c", optopt);
   break;
  }
 }

 if (!have_toeplitz)
  error(1, 0, "Must supply rss key ('-k')");

 num_cpus = get_nprocs();
 if (num_cpus > RSS_MAX_CPUS)
  error(1, 0, "increase RSS_MAX_CPUS");

 if (cfg_num_queues && cfg_num_rps_cpus)
  error(1, 0,
        "Can't supply both RSS cpus ('-C') and RPS map ('-r')");
 if (cfg_verbose) {
  show_cpulist();
  show_silos();
 }
}

int main(int argc, char **argv)
{
 const int min_tests = 10;
 int fd_sink = -1;

 parse_opts(argc, argv);

 if (cfg_sink)
  fd_sink = setup_sink();

 setup_rings();
 process_rings();
 cleanup_rings();

 if (cfg_sink && close(fd_sink))
  error(1, errno, "close sink");

 if (frames_received - frames_nohash < min_tests)
  error(1, 0, "too few frames for verification");

 return frames_error;
}