Merge remote-tracking branches 'asoc/fix/adsp', 'asoc/fix/arizona', 'asoc/fix/atmel...
[linux-drm-fsl-dcu.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 Socket creation and destruction is also straight forward, and is done
127 the same way as in capturing described in the previous paragraph:
128
129  int fd = socket(PF_PACKET, mode, 0);
130
131 The protocol can optionally be 0 in case we only want to transmit
132 via this socket, which avoids an expensive call to packet_rcv().
133 In this case, you also need to bind(2) the TX_RING with sll_protocol = 0
134 set. Otherwise, htons(ETH_P_ALL) or any other protocol, for example.
135
136 Binding the socket to your network interface is mandatory (with zero copy) to
137 know the header size of frames used in the circular buffer.
138
139 As capture, each frame contains two parts:
140
141  --------------------
142 | struct tpacket_hdr | Header. It contains the status of
143 |                    | of this frame
144 |--------------------|
145 | data buffer        |
146 .                    .  Data that will be sent over the network interface.
147 .                    .
148  --------------------
149
150  bind() associates the socket to your network interface thanks to
151  sll_ifindex parameter of struct sockaddr_ll.
152
153  Initialization example:
154
155  struct sockaddr_ll my_addr;
156  struct ifreq s_ifr;
157  ...
158
159  strncpy (s_ifr.ifr_name, "eth0", sizeof(s_ifr.ifr_name));
160
161  /* get interface index of eth0 */
162  ioctl(this->socket, SIOCGIFINDEX, &s_ifr);
163
164  /* fill sockaddr_ll struct to prepare binding */
165  my_addr.sll_family = AF_PACKET;
166  my_addr.sll_protocol = htons(ETH_P_ALL);
167  my_addr.sll_ifindex =  s_ifr.ifr_ifindex;
168
169  /* bind socket to eth0 */
170  bind(this->socket, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr_ll));
171
172  A complete tutorial is available at: http://wiki.gnu-log.net/
173
174 By default, the user should put data at :
175  frame base + TPACKET_HDRLEN - sizeof(struct sockaddr_ll)
176
177 So, whatever you choose for the socket mode (SOCK_DGRAM or SOCK_RAW),
178 the beginning of the user data will be at :
179  frame base + TPACKET_ALIGN(sizeof(struct tpacket_hdr))
180
181 If you wish to put user data at a custom offset from the beginning of
182 the frame (for payload alignment with SOCK_RAW mode for instance) you
183 can set tp_net (with SOCK_DGRAM) or tp_mac (with SOCK_RAW). In order
184 to make this work it must be enabled previously with setsockopt()
185 and the PACKET_TX_HAS_OFF option.
186
187 --------------------------------------------------------------------------------
188 + PACKET_MMAP settings
189 --------------------------------------------------------------------------------
190
191 To setup PACKET_MMAP from user level code is done with a call like
192
193  - Capture process
194      setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_RX_RING, (void *) &req, sizeof(req))
195  - Transmission process
196      setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_TX_RING, (void *) &req, sizeof(req))
197
198 The most significant argument in the previous call is the req parameter, 
199 this parameter must to have the following structure:
200
201     struct tpacket_req
202     {
203         unsigned int    tp_block_size;  /* Minimal size of contiguous block */
204         unsigned int    tp_block_nr;    /* Number of blocks */
205         unsigned int    tp_frame_size;  /* Size of frame */
206         unsigned int    tp_frame_nr;    /* Total number of frames */
207     };
208
209 This structure is defined in /usr/include/linux/if_packet.h and establishes a 
210 circular buffer (ring) of unswappable memory.
211 Being mapped in the capture process allows reading the captured frames and 
212 related meta-information like timestamps without requiring a system call.
213
214 Frames are grouped in blocks. Each block is a physically contiguous
215 region of memory and holds tp_block_size/tp_frame_size frames. The total number 
216 of blocks is tp_block_nr. Note that tp_frame_nr is a redundant parameter because
217
218     frames_per_block = tp_block_size/tp_frame_size
219
220 indeed, packet_set_ring checks that the following condition is true
221
222     frames_per_block * tp_block_nr == tp_frame_nr
223
224 Lets see an example, with the following values:
225
226      tp_block_size= 4096
227      tp_frame_size= 2048
228      tp_block_nr  = 4
229      tp_frame_nr  = 8
230
231 we will get the following buffer structure:
232
233         block #1                 block #2         
234 +---------+---------+    +---------+---------+    
235 | frame 1 | frame 2 |    | frame 3 | frame 4 |    
236 +---------+---------+    +---------+---------+    
237
238         block #3                 block #4
239 +---------+---------+    +---------+---------+
240 | frame 5 | frame 6 |    | frame 7 | frame 8 |
241 +---------+---------+    +---------+---------+
242
243 A frame can be of any size with the only condition it can fit in a block. A block
244 can only hold an integer number of frames, or in other words, a frame cannot 
245 be spawned across two blocks, so there are some details you have to take into 
246 account when choosing the frame_size. See "Mapping and use of the circular 
247 buffer (ring)".
248
249 --------------------------------------------------------------------------------
250 + PACKET_MMAP setting constraints
251 --------------------------------------------------------------------------------
252
253 In kernel versions prior to 2.4.26 (for the 2.4 branch) and 2.6.5 (2.6 branch),
254 the PACKET_MMAP buffer could hold only 32768 frames in a 32 bit architecture or
255 16384 in a 64 bit architecture. For information on these kernel versions
256 see http://pusa.uv.es/~ulisses/packet_mmap/packet_mmap.pre-2.4.26_2.6.5.txt
257
258  Block size limit
259 ------------------
260
261 As stated earlier, each block is a contiguous physical region of memory. These 
262 memory regions are allocated with calls to the __get_free_pages() function. As 
263 the name indicates, this function allocates pages of memory, and the second
264 argument is "order" or a power of two number of pages, that is 
265 (for PAGE_SIZE == 4096) order=0 ==> 4096 bytes, order=1 ==> 8192 bytes, 
266 order=2 ==> 16384 bytes, etc. The maximum size of a 
267 region allocated by __get_free_pages is determined by the MAX_ORDER macro. More 
268 precisely the limit can be calculated as:
269
270    PAGE_SIZE << MAX_ORDER
271
272    In a i386 architecture PAGE_SIZE is 4096 bytes 
273    In a 2.4/i386 kernel MAX_ORDER is 10
274    In a 2.6/i386 kernel MAX_ORDER is 11
275
276 So get_free_pages can allocate as much as 4MB or 8MB in a 2.4/2.6 kernel 
277 respectively, with an i386 architecture.
278
279 User space programs can include /usr/include/sys/user.h and 
280 /usr/include/linux/mmzone.h to get PAGE_SIZE MAX_ORDER declarations.
281
282 The pagesize can also be determined dynamically with the getpagesize (2) 
283 system call. 
284
285  Block number limit
286 --------------------
287
288 To understand the constraints of PACKET_MMAP, we have to see the structure 
289 used to hold the pointers to each block.
290
291 Currently, this structure is a dynamically allocated vector with kmalloc 
292 called pg_vec, its size limits the number of blocks that can be allocated.
293
294     +---+---+---+---+
295     | x | x | x | x |
296     +---+---+---+---+
297       |   |   |   |
298       |   |   |   v
299       |   |   v  block #4
300       |   v  block #3
301       v  block #2
302      block #1
303
304 kmalloc allocates any number of bytes of physically contiguous memory from 
305 a pool of pre-determined sizes. This pool of memory is maintained by the slab 
306 allocator which is at the end the responsible for doing the allocation and 
307 hence which imposes the maximum memory that kmalloc can allocate. 
308
309 In a 2.4/2.6 kernel and the i386 architecture, the limit is 131072 bytes. The 
310 predetermined sizes that kmalloc uses can be checked in the "size-<bytes>" 
311 entries of /proc/slabinfo
312
313 In a 32 bit architecture, pointers are 4 bytes long, so the total number of 
314 pointers to blocks is
315
316      131072/4 = 32768 blocks
317
318  PACKET_MMAP buffer size calculator
319 ------------------------------------
320
321 Definitions:
322
323 <size-max>    : is the maximum size of allocable with kmalloc (see /proc/slabinfo)
324 <pointer size>: depends on the architecture -- sizeof(void *)
325 <page size>   : depends on the architecture -- PAGE_SIZE or getpagesize (2)
326 <max-order>   : is the value defined with MAX_ORDER
327 <frame size>  : it's an upper bound of frame's capture size (more on this later)
328
329 from these definitions we will derive 
330
331         <block number> = <size-max>/<pointer size>
332         <block size> = <pagesize> << <max-order>
333
334 so, the max buffer size is
335
336         <block number> * <block size>
337
338 and, the number of frames be
339
340         <block number> * <block size> / <frame size>
341
342 Suppose the following parameters, which apply for 2.6 kernel and an
343 i386 architecture:
344
345         <size-max> = 131072 bytes
346         <pointer size> = 4 bytes
347         <pagesize> = 4096 bytes
348         <max-order> = 11
349
350 and a value for <frame size> of 2048 bytes. These parameters will yield
351
352         <block number> = 131072/4 = 32768 blocks
353         <block size> = 4096 << 11 = 8 MiB.
354
355 and hence the buffer will have a 262144 MiB size. So it can hold 
356 262144 MiB / 2048 bytes = 134217728 frames
357
358 Actually, this buffer size is not possible with an i386 architecture. 
359 Remember that the memory is allocated in kernel space, in the case of 
360 an i386 kernel's memory size is limited to 1GiB.
361
362 All memory allocations are not freed until the socket is closed. The memory 
363 allocations are done with GFP_KERNEL priority, this basically means that 
364 the allocation can wait and swap other process' memory in order to allocate 
365 the necessary memory, so normally limits can be reached.
366
367  Other constraints
368 -------------------
369
370 If you check the source code you will see that what I draw here as a frame
371 is not only the link level frame. At the beginning of each frame there is a 
372 header called struct tpacket_hdr used in PACKET_MMAP to hold link level's frame
373 meta information like timestamp. So what we draw here a frame it's really 
374 the following (from include/linux/if_packet.h):
375
376 /*
377    Frame structure:
378
379    - Start. Frame must be aligned to TPACKET_ALIGNMENT=16
380    - struct tpacket_hdr
381    - pad to TPACKET_ALIGNMENT=16
382    - struct sockaddr_ll
383    - Gap, chosen so that packet data (Start+tp_net) aligns to 
384      TPACKET_ALIGNMENT=16
385    - Start+tp_mac: [ Optional MAC header ]
386    - Start+tp_net: Packet data, aligned to TPACKET_ALIGNMENT=16.
387    - Pad to align to TPACKET_ALIGNMENT=16
388  */
389  
390  The following are conditions that are checked in packet_set_ring
391
392    tp_block_size must be a multiple of PAGE_SIZE (1)
393    tp_frame_size must be greater than TPACKET_HDRLEN (obvious)
394    tp_frame_size must be a multiple of TPACKET_ALIGNMENT
395    tp_frame_nr   must be exactly frames_per_block*tp_block_nr
396
397 Note that tp_block_size should be chosen to be a power of two or there will
398 be a waste of memory.
399
400 --------------------------------------------------------------------------------
401 + Mapping and use of the circular buffer (ring)
402 --------------------------------------------------------------------------------
403
404 The mapping of the buffer in the user process is done with the conventional 
405 mmap function. Even the circular buffer is compound of several physically
406 discontiguous blocks of memory, they are contiguous to the user space, hence
407 just one call to mmap is needed:
408
409     mmap(0, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
410
411 If tp_frame_size is a divisor of tp_block_size frames will be 
412 contiguously spaced by tp_frame_size bytes. If not, each
413 tp_block_size/tp_frame_size frames there will be a gap between 
414 the frames. This is because a frame cannot be spawn across two
415 blocks. 
416
417 At the beginning of each frame there is an status field (see 
418 struct tpacket_hdr). If this field is 0 means that the frame is ready
419 to be used for the kernel, If not, there is a frame the user can read 
420 and the following flags apply:
421
422 +++ Capture process:
423      from include/linux/if_packet.h
424
425      #define TP_STATUS_COPY          2 
426      #define TP_STATUS_LOSING        4 
427      #define TP_STATUS_CSUMNOTREADY  8 
428
429 TP_STATUS_COPY        : This flag indicates that the frame (and associated
430                         meta information) has been truncated because it's 
431                         larger than tp_frame_size. This packet can be 
432                         read entirely with recvfrom().
433                         
434                         In order to make this work it must to be
435                         enabled previously with setsockopt() and 
436                         the PACKET_COPY_THRESH option. 
437
438                         The number of frames than can be buffered to 
439                         be read with recvfrom is limited like a normal socket.
440                         See the SO_RCVBUF option in the socket (7) man page.
441
442 TP_STATUS_LOSING      : indicates there were packet drops from last time 
443                         statistics where checked with getsockopt() and
444                         the PACKET_STATISTICS option.
445
446 TP_STATUS_CSUMNOTREADY: currently it's used for outgoing IP packets which 
447                         its checksum will be done in hardware. So while
448                         reading the packet we should not try to check the 
449                         checksum. 
450
451 for convenience there are also the following defines:
452
453      #define TP_STATUS_KERNEL        0
454      #define TP_STATUS_USER          1
455
456 The kernel initializes all frames to TP_STATUS_KERNEL, when the kernel
457 receives a packet it puts in the buffer and updates the status with
458 at least the TP_STATUS_USER flag. Then the user can read the packet,
459 once the packet is read the user must zero the status field, so the kernel 
460 can use again that frame buffer.
461
462 The user can use poll (any other variant should apply too) to check if new
463 packets are in the ring:
464
465     struct pollfd pfd;
466
467     pfd.fd = fd;
468     pfd.revents = 0;
469     pfd.events = POLLIN|POLLRDNORM|POLLERR;
470
471     if (status == TP_STATUS_KERNEL)
472         retval = poll(&pfd, 1, timeout);
473
474 It doesn't incur in a race condition to first check the status value and 
475 then poll for frames.
476
477 ++ Transmission process
478 Those defines are also used for transmission:
479
480      #define TP_STATUS_AVAILABLE        0 // Frame is available
481      #define TP_STATUS_SEND_REQUEST     1 // Frame will be sent on next send()
482      #define TP_STATUS_SENDING          2 // Frame is currently in transmission
483      #define TP_STATUS_WRONG_FORMAT     4 // Frame format is not correct
484
485 First, the kernel initializes all frames to TP_STATUS_AVAILABLE. To send a
486 packet, the user fills a data buffer of an available frame, sets tp_len to
487 current data buffer size and sets its status field to TP_STATUS_SEND_REQUEST.
488 This can be done on multiple frames. Once the user is ready to transmit, it
489 calls send(). Then all buffers with status equal to TP_STATUS_SEND_REQUEST are
490 forwarded to the network device. The kernel updates each status of sent
491 frames with TP_STATUS_SENDING until the end of transfer.
492 At the end of each transfer, buffer status returns to TP_STATUS_AVAILABLE.
493
494     header->tp_len = in_i_size;
495     header->tp_status = TP_STATUS_SEND_REQUEST;
496     retval = send(this->socket, NULL, 0, 0);
497
498 The user can also use poll() to check if a buffer is available:
499 (status == TP_STATUS_SENDING)
500
501     struct pollfd pfd;
502     pfd.fd = fd;
503     pfd.revents = 0;
504     pfd.events = POLLOUT;
505     retval = poll(&pfd, 1, timeout);
506
507 -------------------------------------------------------------------------------
508 + What TPACKET versions are available and when to use them?
509 -------------------------------------------------------------------------------
510
511  int val = tpacket_version;
512  setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_VERSION, &val, sizeof(val));
513  getsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_VERSION, &val, sizeof(val));
514
515 where 'tpacket_version' can be TPACKET_V1 (default), TPACKET_V2, TPACKET_V3.
516
517 TPACKET_V1:
518         - Default if not otherwise specified by setsockopt(2)
519         - RX_RING, TX_RING available
520         - VLAN metadata information available for packets
521           (TP_STATUS_VLAN_VALID)
522
523 TPACKET_V1 --> TPACKET_V2:
524         - Made 64 bit clean due to unsigned long usage in TPACKET_V1
525           structures, thus this also works on 64 bit kernel with 32 bit
526           userspace and the like
527         - Timestamp resolution in nanoseconds instead of microseconds
528         - RX_RING, TX_RING available
529         - How to switch to TPACKET_V2:
530                 1. Replace struct tpacket_hdr by struct tpacket2_hdr
531                 2. Query header len and save
532                 3. Set protocol version to 2, set up ring as usual
533                 4. For getting the sockaddr_ll,
534                    use (void *)hdr + TPACKET_ALIGN(hdrlen) instead of
535                    (void *)hdr + TPACKET_ALIGN(sizeof(struct tpacket_hdr))
536
537 TPACKET_V2 --> TPACKET_V3:
538         - Flexible buffer implementation:
539                 1. Blocks can be configured with non-static frame-size
540                 2. Read/poll is at a block-level (as opposed to packet-level)
541                 3. Added poll timeout to avoid indefinite user-space wait
542                    on idle links
543                 4. Added user-configurable knobs:
544                         4.1 block::timeout
545                         4.2 tpkt_hdr::sk_rxhash
546         - RX Hash data available in user space
547         - Currently only RX_RING available
548
549 -------------------------------------------------------------------------------
550 + AF_PACKET fanout mode
551 -------------------------------------------------------------------------------
552
553 In the AF_PACKET fanout mode, packet reception can be load balanced among
554 processes. This also works in combination with mmap(2) on packet sockets.
555
556 Currently implemented fanout policies are:
557
558   - PACKET_FANOUT_HASH: schedule to socket by skb's rxhash
559   - PACKET_FANOUT_LB: schedule to socket by round-robin
560   - PACKET_FANOUT_CPU: schedule to socket by CPU packet arrives on
561   - PACKET_FANOUT_RND: schedule to socket by random selection
562   - PACKET_FANOUT_ROLLOVER: if one socket is full, rollover to another
563
564 Minimal example code by David S. Miller (try things like "./test eth0 hash",
565 "./test eth0 lb", etc.):
566
567 #include <stddef.h>
568 #include <stdlib.h>
569 #include <stdio.h>
570 #include <string.h>
571
572 #include <sys/types.h>
573 #include <sys/wait.h>
574 #include <sys/socket.h>
575 #include <sys/ioctl.h>
576
577 #include <unistd.h>
578
579 #include <linux/if_ether.h>
580 #include <linux/if_packet.h>
581
582 #include <net/if.h>
583
584 static const char *device_name;
585 static int fanout_type;
586 static int fanout_id;
587
588 #ifndef PACKET_FANOUT
589 # define PACKET_FANOUT                  18
590 # define PACKET_FANOUT_HASH             0
591 # define PACKET_FANOUT_LB               1
592 #endif
593
594 static int setup_socket(void)
595 {
596         int err, fd = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_IP));
597         struct sockaddr_ll ll;
598         struct ifreq ifr;
599         int fanout_arg;
600
601         if (fd < 0) {
602                 perror("socket");
603                 return EXIT_FAILURE;
604         }
605
606         memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
607         strcpy(ifr.ifr_name, device_name);
608         err = ioctl(fd, SIOCGIFINDEX, &ifr);
609         if (err < 0) {
610                 perror("SIOCGIFINDEX");
611                 return EXIT_FAILURE;
612         }
613
614         memset(&ll, 0, sizeof(ll));
615         ll.sll_family = AF_PACKET;
616         ll.sll_ifindex = ifr.ifr_ifindex;
617         err = bind(fd, (struct sockaddr *) &ll, sizeof(ll));
618         if (err < 0) {
619                 perror("bind");
620                 return EXIT_FAILURE;
621         }
622
623         fanout_arg = (fanout_id | (fanout_type << 16));
624         err = setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_FANOUT,
625                          &fanout_arg, sizeof(fanout_arg));
626         if (err) {
627                 perror("setsockopt");
628                 return EXIT_FAILURE;
629         }
630
631         return fd;
632 }
633
634 static void fanout_thread(void)
635 {
636         int fd = setup_socket();
637         int limit = 10000;
638
639         if (fd < 0)
640                 exit(fd);
641
642         while (limit-- > 0) {
643                 char buf[1600];
644                 int err;
645
646                 err = read(fd, buf, sizeof(buf));
647                 if (err < 0) {
648                         perror("read");
649                         exit(EXIT_FAILURE);
650                 }
651                 if ((limit % 10) == 0)
652                         fprintf(stdout, "(%d) \n", getpid());
653         }
654
655         fprintf(stdout, "%d: Received 10000 packets\n", getpid());
656
657         close(fd);
658         exit(0);
659 }
660
661 int main(int argc, char **argp)
662 {
663         int fd, err;
664         int i;
665
666         if (argc != 3) {
667                 fprintf(stderr, "Usage: %s INTERFACE {hash|lb}\n", argp[0]);
668                 return EXIT_FAILURE;
669         }
670
671         if (!strcmp(argp[2], "hash"))
672                 fanout_type = PACKET_FANOUT_HASH;
673         else if (!strcmp(argp[2], "lb"))
674                 fanout_type = PACKET_FANOUT_LB;
675         else {
676                 fprintf(stderr, "Unknown fanout type [%s]\n", argp[2]);
677                 exit(EXIT_FAILURE);
678         }
679
680         device_name = argp[1];
681         fanout_id = getpid() & 0xffff;
682
683         for (i = 0; i < 4; i++) {
684                 pid_t pid = fork();
685
686                 switch (pid) {
687                 case 0:
688                         fanout_thread();
689
690                 case -1:
691                         perror("fork");
692                         exit(EXIT_FAILURE);
693                 }
694         }
695
696         for (i = 0; i < 4; i++) {
697                 int status;
698
699                 wait(&status);
700         }
701
702         return 0;
703 }
704
705 -------------------------------------------------------------------------------
706 + AF_PACKET TPACKET_V3 example
707 -------------------------------------------------------------------------------
708
709 AF_PACKET's TPACKET_V3 ring buffer can be configured to use non-static frame
710 sizes by doing it's own memory management. It is based on blocks where polling
711 works on a per block basis instead of per ring as in TPACKET_V2 and predecessor.
712
713 It is said that TPACKET_V3 brings the following benefits:
714  *) ~15 - 20% reduction in CPU-usage
715  *) ~20% increase in packet capture rate
716  *) ~2x increase in packet density
717  *) Port aggregation analysis
718  *) Non static frame size to capture entire packet payload
719
720 So it seems to be a good candidate to be used with packet fanout.
721
722 Minimal example code by Daniel Borkmann based on Chetan Loke's lolpcap (compile
723 it with gcc -Wall -O2 blob.c, and try things like "./a.out eth0", etc.):
724
725 /* Written from scratch, but kernel-to-user space API usage
726  * dissected from lolpcap:
727  *  Copyright 2011, Chetan Loke <loke.chetan@gmail.com>
728  *  License: GPL, version 2.0
729  */
730
731 #include <stdio.h>
732 #include <stdlib.h>
733 #include <stdint.h>
734 #include <string.h>
735 #include <assert.h>
736 #include <net/if.h>
737 #include <arpa/inet.h>
738 #include <netdb.h>
739 #include <poll.h>
740 #include <unistd.h>
741 #include <signal.h>
742 #include <inttypes.h>
743 #include <sys/socket.h>
744 #include <sys/mman.h>
745 #include <linux/if_packet.h>
746 #include <linux/if_ether.h>
747 #include <linux/ip.h>
748
749 #ifndef likely
750 # define likely(x)              __builtin_expect(!!(x), 1)
751 #endif
752 #ifndef unlikely
753 # define unlikely(x)            __builtin_expect(!!(x), 0)
754 #endif
755
756 struct block_desc {
757         uint32_t version;
758         uint32_t offset_to_priv;
759         struct tpacket_hdr_v1 h1;
760 };
761
762 struct ring {
763         struct iovec *rd;
764         uint8_t *map;
765         struct tpacket_req3 req;
766 };
767
768 static unsigned long packets_total = 0, bytes_total = 0;
769 static sig_atomic_t sigint = 0;
770
771 static void sighandler(int num)
772 {
773         sigint = 1;
774 }
775
776 static int setup_socket(struct ring *ring, char *netdev)
777 {
778         int err, i, fd, v = TPACKET_V3;
779         struct sockaddr_ll ll;
780         unsigned int blocksiz = 1 << 22, framesiz = 1 << 11;
781         unsigned int blocknum = 64;
782
783         fd = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL));
784         if (fd < 0) {
785                 perror("socket");
786                 exit(1);
787         }
788
789         err = setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_VERSION, &v, sizeof(v));
790         if (err < 0) {
791                 perror("setsockopt");
792                 exit(1);
793         }
794
795         memset(&ring->req, 0, sizeof(ring->req));
796         ring->req.tp_block_size = blocksiz;
797         ring->req.tp_frame_size = framesiz;
798         ring->req.tp_block_nr = blocknum;
799         ring->req.tp_frame_nr = (blocksiz * blocknum) / framesiz;
800         ring->req.tp_retire_blk_tov = 60;
801         ring->req.tp_feature_req_word = TP_FT_REQ_FILL_RXHASH;
802
803         err = setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_RX_RING, &ring->req,
804                          sizeof(ring->req));
805         if (err < 0) {
806                 perror("setsockopt");
807                 exit(1);
808         }
809
810         ring->map = mmap(NULL, ring->req.tp_block_size * ring->req.tp_block_nr,
811                          PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_LOCKED, fd, 0);
812         if (ring->map == MAP_FAILED) {
813                 perror("mmap");
814                 exit(1);
815         }
816
817         ring->rd = malloc(ring->req.tp_block_nr * sizeof(*ring->rd));
818         assert(ring->rd);
819         for (i = 0; i < ring->req.tp_block_nr; ++i) {
820                 ring->rd[i].iov_base = ring->map + (i * ring->req.tp_block_size);
821                 ring->rd[i].iov_len = ring->req.tp_block_size;
822         }
823
824         memset(&ll, 0, sizeof(ll));
825         ll.sll_family = PF_PACKET;
826         ll.sll_protocol = htons(ETH_P_ALL);
827         ll.sll_ifindex = if_nametoindex(netdev);
828         ll.sll_hatype = 0;
829         ll.sll_pkttype = 0;
830         ll.sll_halen = 0;
831
832         err = bind(fd, (struct sockaddr *) &ll, sizeof(ll));
833         if (err < 0) {
834                 perror("bind");
835                 exit(1);
836         }
837
838         return fd;
839 }
840
841 static void display(struct tpacket3_hdr *ppd)
842 {
843         struct ethhdr *eth = (struct ethhdr *) ((uint8_t *) ppd + ppd->tp_mac);
844         struct iphdr *ip = (struct iphdr *) ((uint8_t *) eth + ETH_HLEN);
845
846         if (eth->h_proto == htons(ETH_P_IP)) {
847                 struct sockaddr_in ss, sd;
848                 char sbuff[NI_MAXHOST], dbuff[NI_MAXHOST];
849
850                 memset(&ss, 0, sizeof(ss));
851                 ss.sin_family = PF_INET;
852                 ss.sin_addr.s_addr = ip->saddr;
853                 getnameinfo((struct sockaddr *) &ss, sizeof(ss),
854                             sbuff, sizeof(sbuff), NULL, 0, NI_NUMERICHOST);
855
856                 memset(&sd, 0, sizeof(sd));
857                 sd.sin_family = PF_INET;
858                 sd.sin_addr.s_addr = ip->daddr;
859                 getnameinfo((struct sockaddr *) &sd, sizeof(sd),
860                             dbuff, sizeof(dbuff), NULL, 0, NI_NUMERICHOST);
861
862                 printf("%s -> %s, ", sbuff, dbuff);
863         }
864
865         printf("rxhash: 0x%x\n", ppd->hv1.tp_rxhash);
866 }
867
868 static void walk_block(struct block_desc *pbd, const int block_num)
869 {
870         int num_pkts = pbd->h1.num_pkts, i;
871         unsigned long bytes = 0;
872         struct tpacket3_hdr *ppd;
873
874         ppd = (struct tpacket3_hdr *) ((uint8_t *) pbd +
875                                        pbd->h1.offset_to_first_pkt);
876         for (i = 0; i < num_pkts; ++i) {
877                 bytes += ppd->tp_snaplen;
878                 display(ppd);
879
880                 ppd = (struct tpacket3_hdr *) ((uint8_t *) ppd +
881                                                ppd->tp_next_offset);
882         }
883
884         packets_total += num_pkts;
885         bytes_total += bytes;
886 }
887
888 static void flush_block(struct block_desc *pbd)
889 {
890         pbd->h1.block_status = TP_STATUS_KERNEL;
891 }
892
893 static void teardown_socket(struct ring *ring, int fd)
894 {
895         munmap(ring->map, ring->req.tp_block_size * ring->req.tp_block_nr);
896         free(ring->rd);
897         close(fd);
898 }
899
900 int main(int argc, char **argp)
901 {
902         int fd, err;
903         socklen_t len;
904         struct ring ring;
905         struct pollfd pfd;
906         unsigned int block_num = 0, blocks = 64;
907         struct block_desc *pbd;
908         struct tpacket_stats_v3 stats;
909
910         if (argc != 2) {
911                 fprintf(stderr, "Usage: %s INTERFACE\n", argp[0]);
912                 return EXIT_FAILURE;
913         }
914
915         signal(SIGINT, sighandler);
916
917         memset(&ring, 0, sizeof(ring));
918         fd = setup_socket(&ring, argp[argc - 1]);
919         assert(fd > 0);
920
921         memset(&pfd, 0, sizeof(pfd));
922         pfd.fd = fd;
923         pfd.events = POLLIN | POLLERR;
924         pfd.revents = 0;
925
926         while (likely(!sigint)) {
927                 pbd = (struct block_desc *) ring.rd[block_num].iov_base;
928
929                 if ((pbd->h1.block_status & TP_STATUS_USER) == 0) {
930                         poll(&pfd, 1, -1);
931                         continue;
932                 }
933
934                 walk_block(pbd, block_num);
935                 flush_block(pbd);
936                 block_num = (block_num + 1) % blocks;
937         }
938
939         len = sizeof(stats);
940         err = getsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_STATISTICS, &stats, &len);
941         if (err < 0) {
942                 perror("getsockopt");
943                 exit(1);
944         }
945
946         fflush(stdout);
947         printf("\nReceived %u packets, %lu bytes, %u dropped, freeze_q_cnt: %u\n",
948                stats.tp_packets, bytes_total, stats.tp_drops,
949                stats.tp_freeze_q_cnt);
950
951         teardown_socket(&ring, fd);
952         return 0;
953 }
954
955 -------------------------------------------------------------------------------
956 + PACKET_TIMESTAMP
957 -------------------------------------------------------------------------------
958
959 The PACKET_TIMESTAMP setting determines the source of the timestamp in
960 the packet meta information for mmap(2)ed RX_RING and TX_RINGs.  If your
961 NIC is capable of timestamping packets in hardware, you can request those
962 hardware timestamps to be used. Note: you may need to enable the generation
963 of hardware timestamps with SIOCSHWTSTAMP (see related information from
964 Documentation/networking/timestamping.txt).
965
966 PACKET_TIMESTAMP accepts the same integer bit field as
967 SO_TIMESTAMPING.  However, only the SOF_TIMESTAMPING_SYS_HARDWARE
968 and SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE values are recognized by
969 PACKET_TIMESTAMP.  SOF_TIMESTAMPING_SYS_HARDWARE takes precedence over
970 SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE if both bits are set.
971
972     int req = 0;
973     req |= SOF_TIMESTAMPING_SYS_HARDWARE;
974     setsockopt(fd, SOL_PACKET, PACKET_TIMESTAMP, (void *) &req, sizeof(req))
975
976 For the mmap(2)ed ring buffers, such timestamps are stored in the
977 tpacket{,2,3}_hdr structure's tp_sec and tp_{n,u}sec members. To determine
978 what kind of timestamp has been reported, the tp_status field is binary |'ed
979 with the following possible bits ...
980
981     TP_STATUS_TS_SYS_HARDWARE
982     TP_STATUS_TS_RAW_HARDWARE
983     TP_STATUS_TS_SOFTWARE
984
985 ... that are equivalent to its SOF_TIMESTAMPING_* counterparts. For the
986 RX_RING, if none of those 3 are set (i.e. PACKET_TIMESTAMP is not set),
987 then this means that a software fallback was invoked *within* PF_PACKET's
988 processing code (less precise).
989
990 Getting timestamps for the TX_RING works as follows: i) fill the ring frames,
991 ii) call sendto() e.g. in blocking mode, iii) wait for status of relevant
992 frames to be updated resp. the frame handed over to the application, iv) walk
993 through the frames to pick up the individual hw/sw timestamps.
994
995 Only (!) if transmit timestamping is enabled, then these bits are combined
996 with binary | with TP_STATUS_AVAILABLE, so you must check for that in your
997 application (e.g. !(tp_status & (TP_STATUS_SEND_REQUEST | TP_STATUS_SENDING))
998 in a first step to see if the frame belongs to the application, and then
999 one can extract the type of timestamp in a second step from tp_status)!
1000
1001 If you don't care about them, thus having it disabled, checking for
1002 TP_STATUS_AVAILABLE resp. TP_STATUS_WRONG_FORMAT is sufficient. If in the
1003 TX_RING part only TP_STATUS_AVAILABLE is set, then the tp_sec and tp_{n,u}sec
1004 members do not contain a valid value. For TX_RINGs, by default no timestamp
1005 is generated!
1006
1007 See include/linux/net_tstamp.h and Documentation/networking/timestamping
1008 for more information on hardware timestamps.
1009
1010 -------------------------------------------------------------------------------
1011 + Miscellaneous bits
1012 -------------------------------------------------------------------------------
1013
1014 - Packet sockets work well together with Linux socket filters, thus you also
1015   might want to have a look at Documentation/networking/filter.txt
1016
1017 --------------------------------------------------------------------------------
1018 + THANKS
1019 --------------------------------------------------------------------------------
1020    
1021    Jesse Brandeburg, for fixing my grammathical/spelling errors
1022