smb: client: Fix minor whitespace errors and warnings
[linux-modified.git] / Documentation / networking / scaling.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 =====================================
4 Scaling in the Linux Networking Stack
5 =====================================
6
7
8 Introduction
9 ============
10
11 This document describes a set of complementary techniques in the Linux
12 networking stack to increase parallelism and improve performance for
13 multi-processor systems.
14
15 The following technologies are described:
16
17 - RSS: Receive Side Scaling
18 - RPS: Receive Packet Steering
19 - RFS: Receive Flow Steering
20 - Accelerated Receive Flow Steering
21 - XPS: Transmit Packet Steering
22
23
24 RSS: Receive Side Scaling
25 =========================
26
27 Contemporary NICs support multiple receive and transmit descriptor queues
28 (multi-queue). On reception, a NIC can send different packets to different
29 queues to distribute processing among CPUs. The NIC distributes packets by
30 applying a filter to each packet that assigns it to one of a small number
31 of logical flows. Packets for each flow are steered to a separate receive
32 queue, which in turn can be processed by separate CPUs. This mechanism is
33 generally known as “Receive-side Scaling” (RSS). The goal of RSS and
34 the other scaling techniques is to increase performance uniformly.
35 Multi-queue distribution can also be used for traffic prioritization, but
36 that is not the focus of these techniques.
37
38 The filter used in RSS is typically a hash function over the network
39 and/or transport layer headers-- for example, a 4-tuple hash over
40 IP addresses and TCP ports of a packet. The most common hardware
41 implementation of RSS uses a 128-entry indirection table where each entry
42 stores a queue number. The receive queue for a packet is determined
43 by masking out the low order seven bits of the computed hash for the
44 packet (usually a Toeplitz hash), taking this number as a key into the
45 indirection table and reading the corresponding value.
46
47 Some advanced NICs allow steering packets to queues based on
48 programmable filters. For example, webserver bound TCP port 80 packets
49 can be directed to their own receive queue. Such “n-tuple” filters can
50 be configured from ethtool (--config-ntuple).
51
52
53 RSS Configuration
54 -----------------
55
56 The driver for a multi-queue capable NIC typically provides a kernel
57 module parameter for specifying the number of hardware queues to
58 configure. In the bnx2x driver, for instance, this parameter is called
59 num_queues. A typical RSS configuration would be to have one receive queue
60 for each CPU if the device supports enough queues, or otherwise at least
61 one for each memory domain, where a memory domain is a set of CPUs that
62 share a particular memory level (L1, L2, NUMA node, etc.).
63
64 The indirection table of an RSS device, which resolves a queue by masked
65 hash, is usually programmed by the driver at initialization. The
66 default mapping is to distribute the queues evenly in the table, but the
67 indirection table can be retrieved and modified at runtime using ethtool
68 commands (--show-rxfh-indir and --set-rxfh-indir). Modifying the
69 indirection table could be done to give different queues different
70 relative weights.
71
72
73 RSS IRQ Configuration
74 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
75
76 Each receive queue has a separate IRQ associated with it. The NIC triggers
77 this to notify a CPU when new packets arrive on the given queue. The
78 signaling path for PCIe devices uses message signaled interrupts (MSI-X),
79 that can route each interrupt to a particular CPU. The active mapping
80 of queues to IRQs can be determined from /proc/interrupts. By default,
81 an IRQ may be handled on any CPU. Because a non-negligible part of packet
82 processing takes place in receive interrupt handling, it is advantageous
83 to spread receive interrupts between CPUs. To manually adjust the IRQ
84 affinity of each interrupt see Documentation/core-api/irq/irq-affinity.rst. Some systems
85 will be running irqbalance, a daemon that dynamically optimizes IRQ
86 assignments and as a result may override any manual settings.
87
88
89 Suggested Configuration
90 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
91
92 RSS should be enabled when latency is a concern or whenever receive
93 interrupt processing forms a bottleneck. Spreading load between CPUs
94 decreases queue length. For low latency networking, the optimal setting
95 is to allocate as many queues as there are CPUs in the system (or the
96 NIC maximum, if lower). The most efficient high-rate configuration
97 is likely the one with the smallest number of receive queues where no
98 receive queue overflows due to a saturated CPU, because in default
99 mode with interrupt coalescing enabled, the aggregate number of
100 interrupts (and thus work) grows with each additional queue.
101
102 Per-cpu load can be observed using the mpstat utility, but note that on
103 processors with hyperthreading (HT), each hyperthread is represented as
104 a separate CPU. For interrupt handling, HT has shown no benefit in
105 initial tests, so limit the number of queues to the number of CPU cores
106 in the system.
107
108 Dedicated RSS contexts
109 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
110
111 Modern NICs support creating multiple co-existing RSS configurations
112 which are selected based on explicit matching rules. This can be very
113 useful when application wants to constrain the set of queues receiving
114 traffic for e.g. a particular destination port or IP address.
115 The example below shows how to direct all traffic to TCP port 22
116 to queues 0 and 1.
117
118 To create an additional RSS context use::
119
120   # ethtool -X eth0 hfunc toeplitz context new
121   New RSS context is 1
122
123 Kernel reports back the ID of the allocated context (the default, always
124 present RSS context has ID of 0). The new context can be queried and
125 modified using the same APIs as the default context::
126
127   # ethtool -x eth0 context 1
128   RX flow hash indirection table for eth0 with 13 RX ring(s):
129     0:      0     1     2     3     4     5     6     7
130     8:      8     9    10    11    12     0     1     2
131   [...]
132   # ethtool -X eth0 equal 2 context 1
133   # ethtool -x eth0 context 1
134   RX flow hash indirection table for eth0 with 13 RX ring(s):
135     0:      0     1     0     1     0     1     0     1
136     8:      0     1     0     1     0     1     0     1
137   [...]
138
139 To make use of the new context direct traffic to it using an n-tuple
140 filter::
141
142   # ethtool -N eth0 flow-type tcp6 dst-port 22 context 1
143   Added rule with ID 1023
144
145 When done, remove the context and the rule::
146
147   # ethtool -N eth0 delete 1023
148   # ethtool -X eth0 context 1 delete
149
150
151 RPS: Receive Packet Steering
152 ============================
153
154 Receive Packet Steering (RPS) is logically a software implementation of
155 RSS. Being in software, it is necessarily called later in the datapath.
156 Whereas RSS selects the queue and hence CPU that will run the hardware
157 interrupt handler, RPS selects the CPU to perform protocol processing
158 above the interrupt handler. This is accomplished by placing the packet
159 on the desired CPU’s backlog queue and waking up the CPU for processing.
160 RPS has some advantages over RSS:
161
162 1) it can be used with any NIC
163 2) software filters can easily be added to hash over new protocols
164 3) it does not increase hardware device interrupt rate (although it does
165    introduce inter-processor interrupts (IPIs))
166
167 RPS is called during bottom half of the receive interrupt handler, when
168 a driver sends a packet up the network stack with netif_rx() or
169 netif_receive_skb(). These call the get_rps_cpu() function, which
170 selects the queue that should process a packet.
171
172 The first step in determining the target CPU for RPS is to calculate a
173 flow hash over the packet’s addresses or ports (2-tuple or 4-tuple hash
174 depending on the protocol). This serves as a consistent hash of the
175 associated flow of the packet. The hash is either provided by hardware
176 or will be computed in the stack. Capable hardware can pass the hash in
177 the receive descriptor for the packet; this would usually be the same
178 hash used for RSS (e.g. computed Toeplitz hash). The hash is saved in
179 skb->hash and can be used elsewhere in the stack as a hash of the
180 packet’s flow.
181
182 Each receive hardware queue has an associated list of CPUs to which
183 RPS may enqueue packets for processing. For each received packet,
184 an index into the list is computed from the flow hash modulo the size
185 of the list. The indexed CPU is the target for processing the packet,
186 and the packet is queued to the tail of that CPU’s backlog queue. At
187 the end of the bottom half routine, IPIs are sent to any CPUs for which
188 packets have been queued to their backlog queue. The IPI wakes backlog
189 processing on the remote CPU, and any queued packets are then processed
190 up the networking stack.
191
192
193 RPS Configuration
194 -----------------
195
196 RPS requires a kernel compiled with the CONFIG_RPS kconfig symbol (on
197 by default for SMP). Even when compiled in, RPS remains disabled until
198 explicitly configured. The list of CPUs to which RPS may forward traffic
199 can be configured for each receive queue using a sysfs file entry::
200
201   /sys/class/net/<dev>/queues/rx-<n>/rps_cpus
202
203 This file implements a bitmap of CPUs. RPS is disabled when it is zero
204 (the default), in which case packets are processed on the interrupting
205 CPU. Documentation/core-api/irq/irq-affinity.rst explains how CPUs are assigned to
206 the bitmap.
207
208
209 Suggested Configuration
210 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
211
212 For a single queue device, a typical RPS configuration would be to set
213 the rps_cpus to the CPUs in the same memory domain of the interrupting
214 CPU. If NUMA locality is not an issue, this could also be all CPUs in
215 the system. At high interrupt rate, it might be wise to exclude the
216 interrupting CPU from the map since that already performs much work.
217
218 For a multi-queue system, if RSS is configured so that a hardware
219 receive queue is mapped to each CPU, then RPS is probably redundant
220 and unnecessary. If there are fewer hardware queues than CPUs, then
221 RPS might be beneficial if the rps_cpus for each queue are the ones that
222 share the same memory domain as the interrupting CPU for that queue.
223
224
225 RPS Flow Limit
226 --------------
227
228 RPS scales kernel receive processing across CPUs without introducing
229 reordering. The trade-off to sending all packets from the same flow
230 to the same CPU is CPU load imbalance if flows vary in packet rate.
231 In the extreme case a single flow dominates traffic. Especially on
232 common server workloads with many concurrent connections, such
233 behavior indicates a problem such as a misconfiguration or spoofed
234 source Denial of Service attack.
235
236 Flow Limit is an optional RPS feature that prioritizes small flows
237 during CPU contention by dropping packets from large flows slightly
238 ahead of those from small flows. It is active only when an RPS or RFS
239 destination CPU approaches saturation.  Once a CPU's input packet
240 queue exceeds half the maximum queue length (as set by sysctl
241 net.core.netdev_max_backlog), the kernel starts a per-flow packet
242 count over the last 256 packets. If a flow exceeds a set ratio (by
243 default, half) of these packets when a new packet arrives, then the
244 new packet is dropped. Packets from other flows are still only
245 dropped once the input packet queue reaches netdev_max_backlog.
246 No packets are dropped when the input packet queue length is below
247 the threshold, so flow limit does not sever connections outright:
248 even large flows maintain connectivity.
249
250
251 Interface
252 ~~~~~~~~~
253
254 Flow limit is compiled in by default (CONFIG_NET_FLOW_LIMIT), but not
255 turned on. It is implemented for each CPU independently (to avoid lock
256 and cache contention) and toggled per CPU by setting the relevant bit
257 in sysctl net.core.flow_limit_cpu_bitmap. It exposes the same CPU
258 bitmap interface as rps_cpus (see above) when called from procfs::
259
260   /proc/sys/net/core/flow_limit_cpu_bitmap
261
262 Per-flow rate is calculated by hashing each packet into a hashtable
263 bucket and incrementing a per-bucket counter. The hash function is
264 the same that selects a CPU in RPS, but as the number of buckets can
265 be much larger than the number of CPUs, flow limit has finer-grained
266 identification of large flows and fewer false positives. The default
267 table has 4096 buckets. This value can be modified through sysctl::
268
269   net.core.flow_limit_table_len
270
271 The value is only consulted when a new table is allocated. Modifying
272 it does not update active tables.
273
274
275 Suggested Configuration
276 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
277
278 Flow limit is useful on systems with many concurrent connections,
279 where a single connection taking up 50% of a CPU indicates a problem.
280 In such environments, enable the feature on all CPUs that handle
281 network rx interrupts (as set in /proc/irq/N/smp_affinity).
282
283 The feature depends on the input packet queue length to exceed
284 the flow limit threshold (50%) + the flow history length (256).
285 Setting net.core.netdev_max_backlog to either 1000 or 10000
286 performed well in experiments.
287
288
289 RFS: Receive Flow Steering
290 ==========================
291
292 While RPS steers packets solely based on hash, and thus generally
293 provides good load distribution, it does not take into account
294 application locality. This is accomplished by Receive Flow Steering
295 (RFS). The goal of RFS is to increase datacache hitrate by steering
296 kernel processing of packets to the CPU where the application thread
297 consuming the packet is running. RFS relies on the same RPS mechanisms
298 to enqueue packets onto the backlog of another CPU and to wake up that
299 CPU.
300
301 In RFS, packets are not forwarded directly by the value of their hash,
302 but the hash is used as index into a flow lookup table. This table maps
303 flows to the CPUs where those flows are being processed. The flow hash
304 (see RPS section above) is used to calculate the index into this table.
305 The CPU recorded in each entry is the one which last processed the flow.
306 If an entry does not hold a valid CPU, then packets mapped to that entry
307 are steered using plain RPS. Multiple table entries may point to the
308 same CPU. Indeed, with many flows and few CPUs, it is very likely that
309 a single application thread handles flows with many different flow hashes.
310
311 rps_sock_flow_table is a global flow table that contains the *desired* CPU
312 for flows: the CPU that is currently processing the flow in userspace.
313 Each table value is a CPU index that is updated during calls to recvmsg
314 and sendmsg (specifically, inet_recvmsg(), inet_sendmsg() and
315 tcp_splice_read()).
316
317 When the scheduler moves a thread to a new CPU while it has outstanding
318 receive packets on the old CPU, packets may arrive out of order. To
319 avoid this, RFS uses a second flow table to track outstanding packets
320 for each flow: rps_dev_flow_table is a table specific to each hardware
321 receive queue of each device. Each table value stores a CPU index and a
322 counter. The CPU index represents the *current* CPU onto which packets
323 for this flow are enqueued for further kernel processing. Ideally, kernel
324 and userspace processing occur on the same CPU, and hence the CPU index
325 in both tables is identical. This is likely false if the scheduler has
326 recently migrated a userspace thread while the kernel still has packets
327 enqueued for kernel processing on the old CPU.
328
329 The counter in rps_dev_flow_table values records the length of the current
330 CPU's backlog when a packet in this flow was last enqueued. Each backlog
331 queue has a head counter that is incremented on dequeue. A tail counter
332 is computed as head counter + queue length. In other words, the counter
333 in rps_dev_flow[i] records the last element in flow i that has
334 been enqueued onto the currently designated CPU for flow i (of course,
335 entry i is actually selected by hash and multiple flows may hash to the
336 same entry i).
337
338 And now the trick for avoiding out of order packets: when selecting the
339 CPU for packet processing (from get_rps_cpu()) the rps_sock_flow table
340 and the rps_dev_flow table of the queue that the packet was received on
341 are compared. If the desired CPU for the flow (found in the
342 rps_sock_flow table) matches the current CPU (found in the rps_dev_flow
343 table), the packet is enqueued onto that CPU’s backlog. If they differ,
344 the current CPU is updated to match the desired CPU if one of the
345 following is true:
346
347   - The current CPU's queue head counter >= the recorded tail counter
348     value in rps_dev_flow[i]
349   - The current CPU is unset (>= nr_cpu_ids)
350   - The current CPU is offline
351
352 After this check, the packet is sent to the (possibly updated) current
353 CPU. These rules aim to ensure that a flow only moves to a new CPU when
354 there are no packets outstanding on the old CPU, as the outstanding
355 packets could arrive later than those about to be processed on the new
356 CPU.
357
358
359 RFS Configuration
360 -----------------
361
362 RFS is only available if the kconfig symbol CONFIG_RPS is enabled (on
363 by default for SMP). The functionality remains disabled until explicitly
364 configured. The number of entries in the global flow table is set through::
365
366   /proc/sys/net/core/rps_sock_flow_entries
367
368 The number of entries in the per-queue flow table are set through::
369
370   /sys/class/net/<dev>/queues/rx-<n>/rps_flow_cnt
371
372
373 Suggested Configuration
374 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
375
376 Both of these need to be set before RFS is enabled for a receive queue.
377 Values for both are rounded up to the nearest power of two. The
378 suggested flow count depends on the expected number of active connections
379 at any given time, which may be significantly less than the number of open
380 connections. We have found that a value of 32768 for rps_sock_flow_entries
381 works fairly well on a moderately loaded server.
382
383 For a single queue device, the rps_flow_cnt value for the single queue
384 would normally be configured to the same value as rps_sock_flow_entries.
385 For a multi-queue device, the rps_flow_cnt for each queue might be
386 configured as rps_sock_flow_entries / N, where N is the number of
387 queues. So for instance, if rps_sock_flow_entries is set to 32768 and there
388 are 16 configured receive queues, rps_flow_cnt for each queue might be
389 configured as 2048.
390
391
392 Accelerated RFS
393 ===============
394
395 Accelerated RFS is to RFS what RSS is to RPS: a hardware-accelerated load
396 balancing mechanism that uses soft state to steer flows based on where
397 the application thread consuming the packets of each flow is running.
398 Accelerated RFS should perform better than RFS since packets are sent
399 directly to a CPU local to the thread consuming the data. The target CPU
400 will either be the same CPU where the application runs, or at least a CPU
401 which is local to the application thread’s CPU in the cache hierarchy.
402
403 To enable accelerated RFS, the networking stack calls the
404 ndo_rx_flow_steer driver function to communicate the desired hardware
405 queue for packets matching a particular flow. The network stack
406 automatically calls this function every time a flow entry in
407 rps_dev_flow_table is updated. The driver in turn uses a device specific
408 method to program the NIC to steer the packets.
409
410 The hardware queue for a flow is derived from the CPU recorded in
411 rps_dev_flow_table. The stack consults a CPU to hardware queue map which
412 is maintained by the NIC driver. This is an auto-generated reverse map of
413 the IRQ affinity table shown by /proc/interrupts. Drivers can use
414 functions in the cpu_rmap (“CPU affinity reverse map”) kernel library
415 to populate the map. For each CPU, the corresponding queue in the map is
416 set to be one whose processing CPU is closest in cache locality.
417
418
419 Accelerated RFS Configuration
420 -----------------------------
421
422 Accelerated RFS is only available if the kernel is compiled with
423 CONFIG_RFS_ACCEL and support is provided by the NIC device and driver.
424 It also requires that ntuple filtering is enabled via ethtool. The map
425 of CPU to queues is automatically deduced from the IRQ affinities
426 configured for each receive queue by the driver, so no additional
427 configuration should be necessary.
428
429
430 Suggested Configuration
431 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
432
433 This technique should be enabled whenever one wants to use RFS and the
434 NIC supports hardware acceleration.
435
436
437 XPS: Transmit Packet Steering
438 =============================
439
440 Transmit Packet Steering is a mechanism for intelligently selecting
441 which transmit queue to use when transmitting a packet on a multi-queue
442 device. This can be accomplished by recording two kinds of maps, either
443 a mapping of CPU to hardware queue(s) or a mapping of receive queue(s)
444 to hardware transmit queue(s).
445
446 1. XPS using CPUs map
447
448 The goal of this mapping is usually to assign queues
449 exclusively to a subset of CPUs, where the transmit completions for
450 these queues are processed on a CPU within this set. This choice
451 provides two benefits. First, contention on the device queue lock is
452 significantly reduced since fewer CPUs contend for the same queue
453 (contention can be eliminated completely if each CPU has its own
454 transmit queue). Secondly, cache miss rate on transmit completion is
455 reduced, in particular for data cache lines that hold the sk_buff
456 structures.
457
458 2. XPS using receive queues map
459
460 This mapping is used to pick transmit queue based on the receive
461 queue(s) map configuration set by the administrator. A set of receive
462 queues can be mapped to a set of transmit queues (many:many), although
463 the common use case is a 1:1 mapping. This will enable sending packets
464 on the same queue associations for transmit and receive. This is useful for
465 busy polling multi-threaded workloads where there are challenges in
466 associating a given CPU to a given application thread. The application
467 threads are not pinned to CPUs and each thread handles packets
468 received on a single queue. The receive queue number is cached in the
469 socket for the connection. In this model, sending the packets on the same
470 transmit queue corresponding to the associated receive queue has benefits
471 in keeping the CPU overhead low. Transmit completion work is locked into
472 the same queue-association that a given application is polling on. This
473 avoids the overhead of triggering an interrupt on another CPU. When the
474 application cleans up the packets during the busy poll, transmit completion
475 may be processed along with it in the same thread context and so result in
476 reduced latency.
477
478 XPS is configured per transmit queue by setting a bitmap of
479 CPUs/receive-queues that may use that queue to transmit. The reverse
480 mapping, from CPUs to transmit queues or from receive-queues to transmit
481 queues, is computed and maintained for each network device. When
482 transmitting the first packet in a flow, the function get_xps_queue() is
483 called to select a queue. This function uses the ID of the receive queue
484 for the socket connection for a match in the receive queue-to-transmit queue
485 lookup table. Alternatively, this function can also use the ID of the
486 running CPU as a key into the CPU-to-queue lookup table. If the
487 ID matches a single queue, that is used for transmission. If multiple
488 queues match, one is selected by using the flow hash to compute an index
489 into the set. When selecting the transmit queue based on receive queue(s)
490 map, the transmit device is not validated against the receive device as it
491 requires expensive lookup operation in the datapath.
492
493 The queue chosen for transmitting a particular flow is saved in the
494 corresponding socket structure for the flow (e.g. a TCP connection).
495 This transmit queue is used for subsequent packets sent on the flow to
496 prevent out of order (ooo) packets. The choice also amortizes the cost
497 of calling get_xps_queues() over all packets in the flow. To avoid
498 ooo packets, the queue for a flow can subsequently only be changed if
499 skb->ooo_okay is set for a packet in the flow. This flag indicates that
500 there are no outstanding packets in the flow, so the transmit queue can
501 change without the risk of generating out of order packets. The
502 transport layer is responsible for setting ooo_okay appropriately. TCP,
503 for instance, sets the flag when all data for a connection has been
504 acknowledged.
505
506 XPS Configuration
507 -----------------
508
509 XPS is only available if the kconfig symbol CONFIG_XPS is enabled (on by
510 default for SMP). If compiled in, it is driver dependent whether, and
511 how, XPS is configured at device init. The mapping of CPUs/receive-queues
512 to transmit queue can be inspected and configured using sysfs:
513
514 For selection based on CPUs map::
515
516   /sys/class/net/<dev>/queues/tx-<n>/xps_cpus
517
518 For selection based on receive-queues map::
519
520   /sys/class/net/<dev>/queues/tx-<n>/xps_rxqs
521
522
523 Suggested Configuration
524 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
525
526 For a network device with a single transmission queue, XPS configuration
527 has no effect, since there is no choice in this case. In a multi-queue
528 system, XPS is preferably configured so that each CPU maps onto one queue.
529 If there are as many queues as there are CPUs in the system, then each
530 queue can also map onto one CPU, resulting in exclusive pairings that
531 experience no contention. If there are fewer queues than CPUs, then the
532 best CPUs to share a given queue are probably those that share the cache
533 with the CPU that processes transmit completions for that queue
534 (transmit interrupts).
535
536 For transmit queue selection based on receive queue(s), XPS has to be
537 explicitly configured mapping receive-queue(s) to transmit queue(s). If the
538 user configuration for receive-queue map does not apply, then the transmit
539 queue is selected based on the CPUs map.
540
541
542 Per TX Queue rate limitation
543 ============================
544
545 These are rate-limitation mechanisms implemented by HW, where currently
546 a max-rate attribute is supported, by setting a Mbps value to::
547
548   /sys/class/net/<dev>/queues/tx-<n>/tx_maxrate
549
550 A value of zero means disabled, and this is the default.
551
552
553 Further Information
554 ===================
555 RPS and RFS were introduced in kernel 2.6.35. XPS was incorporated into
556 2.6.38. Original patches were submitted by Tom Herbert
557 (therbert@google.com)
558
559 Accelerated RFS was introduced in 2.6.35. Original patches were
560 submitted by Ben Hutchings (bwh@kernel.org)
561
562 Authors:
563
564 - Tom Herbert (therbert@google.com)
565 - Willem de Bruijn (willemb@google.com)