Quelle  red.h   Sprache: C

/* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
#ifndef __NET_SCHED_RED_H
#define __NET_SCHED_RED_H

#include <linux/types.h>
#include <linux/bug.h>
#include <net/pkt_sched.h>
#include <net/inet_ecn.h>
#include <net/dsfield.h>
#include <linux/reciprocal_div.h>

/* Random Early Detection (RED) algorithm.
=======================================

Source: Sally Floyd and Van Jacobson, "Random Early Detection Gateways
for Congestion Avoidance", 1993, IEEE/ACM Transactions on Networking.

This file codes a "divisionless" version of RED algorithm
as written down in Fig.17 of the paper.

Short description.
------------------

When a new packet arrives we calculate the average queue length:

avg = (1-W)*avg + W*current_queue_len,

W is the filter time constant (chosen as 2^(-Wlog)), it controls
the inertia of the algorithm. To allow larger bursts, W should be
decreased.

if (avg > th_max) -> packet marked (dropped).
if (avg < th_min) -> packet passes.
if (th_min < avg < th_max) we calculate probability:

Pb = max_P * (avg - th_min)/(th_max-th_min)

and mark (drop) packet with this probability.
Pb changes from 0 (at avg==th_min) to max_P (avg==th_max).
max_P should be small (not 1), usually 0.01..0.02 is good value.

max_P is chosen as a number, so that max_P/(th_max-th_min)
is a negative power of two in order arithmetic to contain
only shifts.


Parameters, settable by user:
-----------------------------

qth_min - bytes (should be < qth_max/2)
qth_max - bytes (should be at least 2*qth_min and less limit)
Wlog         - bits (<32) log(1/W).
Plog         - bits (<32)

Plog is related to max_P by formula:

max_P = (qth_max-qth_min)/2^Plog;

F.e. if qth_max=128K and qth_min=32K, then Plog=22
corresponds to max_P=0.02

Scell_log
Stab

Lookup table for log((1-W)^(t/t_ave).


NOTES:

Upper bound on W.
-----------------

If you want to allow bursts of L packets of size S,
you should choose W:

L + 1 - th_min/S < (1-(1-W)^L)/W

th_min/S = 32         th_min/S = 4

log(W) L
-1 33
-2 35
-3 39
-4 46
-5 57
-6 75
-7 101
-8 135
-9 190
etc.
 */

/*
 * Adaptative RED : An Algorithm for Increasing the Robustness of RED's AQM
 * (Sally FLoyd, Ramakrishna Gummadi, and Scott Shenker) August 2001
 *
 * Every 500 ms:
 *  if (avg > target and max_p <= 0.5)
 *   increase max_p : max_p += alpha;
 *  else if (avg < target and max_p >= 0.01)
 *   decrease max_p : max_p *= beta;
 *
 * target :[qth_min + 0.4*(qth_min - qth_max),
 *          qth_min + 0.6*(qth_min - qth_max)].
 * alpha : min(0.01, max_p / 4)
 * beta : 0.9
 * max_P is a Q0.32 fixed point number (with 32 bits mantissa)
 * max_P between 0.01 and 0.5 (1% - 50%) [ Its no longer a negative power of two ]
 */
#define RED_ONE_PERCENT ((u32)DIV_ROUND_CLOSEST(1ULL<<32, 100))

#define MAX_P_MIN (1 * RED_ONE_PERCENT)
#define MAX_P_MAX (50 * RED_ONE_PERCENT)
#define MAX_P_ALPHA(val) min(MAX_P_MIN, val / 4)

#define RED_STAB_SIZE 256
#define RED_STAB_MASK (RED_STAB_SIZE - 1)

struct red_stats {
 u32  prob_drop; /* Early probability drops */
 u32  prob_mark; /* Early probability marks */
 u32  forced_drop; /* Forced drops, qavg > max_thresh */
 u32  forced_mark; /* Forced marks, qavg > max_thresh */
 u32  pdrop;          /* Drops due to queue limits */
};

struct red_parms {
 /* Parameters */
 u32  qth_min; /* Min avg length threshold: Wlog scaled */
 u32  qth_max; /* Max avg length threshold: Wlog scaled */
 u32  Scell_max;
 u32  max_P;  /* probability, [0 .. 1.0] 32 scaled */
 /* reciprocal_value(max_P / qth_delta) */
 struct reciprocal_value max_P_reciprocal;
 u32  qth_delta; /* max_th - min_th */
 u32  target_min; /* min_th + 0.4*(max_th - min_th) */
 u32  target_max; /* min_th + 0.6*(max_th - min_th) */
 u8  Scell_log;
 u8  Wlog;  /* log(W) */
 u8  Plog;  /* random number bits */
 u8  Stab[RED_STAB_SIZE];
};

struct red_vars {
 /* Variables */
 int  qcount;  /* Number of packets since last random
   number generation */
 u32  qR;  /* Cached random number */

 unsigned long qavg;  /* Average queue length: Wlog scaled */
 ktime_t  qidlestart; /* Start of current idle period */
};

static inline u32 red_maxp(u8 Plog)
{
 return Plog < 32 ? (~0U >> Plog) : ~0U;
}

static inline void red_set_vars(struct red_vars *v)
{
 /* Reset average queue length, the value is strictly bound
 * to the parameters below, resetting hurts a bit but leaving
 * it might result in an unreasonable qavg for a while. --TGR
 */
 v->qavg  = 0;

 v->qcount = -1;
}

static inline bool red_check_params(u32 qth_min, u32 qth_max, u8 Wlog,
        u8 Scell_log, u8 *stab)
{
 if (fls(qth_min) + Wlog >= 32)
  return false;
 if (fls(qth_max) + Wlog >= 32)
  return false;
 if (Scell_log >= 32)
  return false;
 if (qth_max < qth_min)
  return false;
 if (stab) {
  int i;

  for (i = 0; i < RED_STAB_SIZE; i++)
   if (stab[i] >= 32)
    return false;
 }
 return true;
}

static inline int red_get_flags(unsigned char qopt_flags,
    unsigned char historic_mask,
    struct nlattr *flags_attr,
    unsigned char supported_mask,
    struct nla_bitfield32 *p_flags,
    unsigned char *p_userbits,
    struct netlink_ext_ack *extack)
{
 struct nla_bitfield32 flags;

 if (qopt_flags && flags_attr) {
  NL_SET_ERR_MSG_MOD(extack, "flags should be passed either through qopt, or through a dedicated attribute");
  return -EINVAL;
 }

 if (flags_attr) {
  flags = nla_get_bitfield32(flags_attr);
 } else {
  flags.selector = historic_mask;
  flags.value = qopt_flags & historic_mask;
 }

 *p_flags = flags;
 *p_userbits = qopt_flags & ~historic_mask;
 return 0;
}

static inline int red_validate_flags(unsigned char flags,
         struct netlink_ext_ack *extack)
{
 if ((flags & TC_RED_NODROP) && !(flags & TC_RED_ECN)) {
  NL_SET_ERR_MSG_MOD(extack, "nodrop mode is only meaningful with ECN");
  return -EINVAL;
 }

 return 0;
}

static inline void red_set_parms(struct red_parms *p,
     u32 qth_min, u32 qth_max, u8 Wlog, u8 Plog,
     u8 Scell_log, u8 *stab, u32 max_P)
{
 int delta = qth_max - qth_min;
 u32 max_p_delta;

 WRITE_ONCE(p->qth_min, qth_min << Wlog);
 WRITE_ONCE(p->qth_max, qth_max << Wlog);
 WRITE_ONCE(p->Wlog, Wlog);
 WRITE_ONCE(p->Plog, Plog);
 if (delta <= 0)
  delta = 1;
 p->qth_delta = delta;
 if (!max_P) {
  max_P = red_maxp(Plog);
  max_P *= delta; /* max_P = (qth_max - qth_min)/2^Plog */
 }
 WRITE_ONCE(p->max_P, max_P);
 max_p_delta = max_P / delta;
 max_p_delta = max(max_p_delta, 1U);
 p->max_P_reciprocal  = reciprocal_value(max_p_delta);

 /* RED Adaptative target :
 * [min_th + 0.4*(min_th - max_th),
 *  min_th + 0.6*(min_th - max_th)].
 */
 delta /= 5;
 p->target_min = qth_min + 2*delta;
 p->target_max = qth_min + 3*delta;

 WRITE_ONCE(p->Scell_log, Scell_log);
 p->Scell_max = (255 << Scell_log);

 if (stab)
  memcpy(p->Stab, stab, sizeof(p->Stab));
}

static inline int red_is_idling(const struct red_vars *v)
{
 return v->qidlestart != 0;
}

static inline void red_start_of_idle_period(struct red_vars *v)
{
 v->qidlestart = ktime_get();
}

static inline void red_end_of_idle_period(struct red_vars *v)
{
 v->qidlestart = 0;
}

static inline void red_restart(struct red_vars *v)
{
 red_end_of_idle_period(v);
 v->qavg = 0;
 v->qcount = -1;
}

static inline unsigned long red_calc_qavg_from_idle_time(const struct red_parms *p,
        const struct red_vars *v)
{
 s64 delta = ktime_us_delta(ktime_get(), v->qidlestart);
 long us_idle = min_t(s64, delta, p->Scell_max);
 int  shift;

 /*
 * The problem: ideally, average length queue recalculation should
 * be done over constant clock intervals. This is too expensive, so
 * that the calculation is driven by outgoing packets.
 * When the queue is idle we have to model this clock by hand.
 *
 * SF+VJ proposed to "generate":
 *
 * m = idletime / (average_pkt_size / bandwidth)
 *
 * dummy packets as a burst after idle time, i.e.
 *
 *  v->qavg *= (1-W)^m
 *
 * This is an apparently overcomplicated solution (f.e. we have to
 * precompute a table to make this calculation in reasonable time)
 * I believe that a simpler model may be used here,
 * but it is field for experiments.
 */

 shift = p->Stab[(us_idle >> p->Scell_log) & RED_STAB_MASK];

 if (shift)
  return v->qavg >> shift;
 else {
  /* Approximate initial part of exponent with linear function:
 *
 *  (1-W)^m ~= 1-mW + ...
 *
 * Seems, it is the best solution to
 * problem of too coarse exponent tabulation.
 */
  us_idle = (v->qavg * (u64)us_idle) >> p->Scell_log;

  if (us_idle < (v->qavg >> 1))
   return v->qavg - us_idle;
  else
   return v->qavg >> 1;
 }
}

static inline unsigned long red_calc_qavg_no_idle_time(const struct red_parms *p,
             const struct red_vars *v,
             unsigned int backlog)
{
 /*
 * NOTE: v->qavg is fixed point number with point at Wlog.
 * The formula below is equivalent to floating point
 * version:
 *
 *  qavg = qavg*(1-W) + backlog*W;
 *
 * --ANK (980924)
 */
 return v->qavg + (backlog - (v->qavg >> p->Wlog));
}

static inline unsigned long red_calc_qavg(const struct red_parms *p,
       const struct red_vars *v,
       unsigned int backlog)
{
 if (!red_is_idling(v))
  return red_calc_qavg_no_idle_time(p, v, backlog);
 else
  return red_calc_qavg_from_idle_time(p, v);
}


static inline u32 red_random(const struct red_parms *p)
{
 return reciprocal_divide(get_random_u32(), p->max_P_reciprocal);
}

static inline int red_mark_probability(const struct red_parms *p,
           const struct red_vars *v,
           unsigned long qavg)
{
 /* The formula used below causes questions.

   OK. qR is random number in the interval
(0..1/max_P)*(qth_max-qth_min)
   i.e. 0..(2^Plog). If we used floating point
   arithmetic, it would be: (2^Plog)*rnd_num,
   where rnd_num is less 1.

   Taking into account, that qavg have fixed
   point at Wlog, two lines
   below have the following floating point equivalent:

   max_P*(qavg - qth_min)/(qth_max-qth_min) < rnd/qcount

   Any questions? --ANK (980924)
 */
 return !(((qavg - p->qth_min) >> p->Wlog) * v->qcount < v->qR);
}

enum {
 RED_BELOW_MIN_THRESH,
 RED_BETWEEN_TRESH,
 RED_ABOVE_MAX_TRESH,
};

static inline int red_cmp_thresh(const struct red_parms *p, unsigned long qavg)
{
 if (qavg < p->qth_min)
  return RED_BELOW_MIN_THRESH;
 else if (qavg >= p->qth_max)
  return RED_ABOVE_MAX_TRESH;
 else
  return RED_BETWEEN_TRESH;
}

enum {
 RED_DONT_MARK,
 RED_PROB_MARK,
 RED_HARD_MARK,
};

static inline int red_action(const struct red_parms *p,
        struct red_vars *v,
        unsigned long qavg)
{
 switch (red_cmp_thresh(p, qavg)) {
  case RED_BELOW_MIN_THRESH:
   v->qcount = -1;
   return RED_DONT_MARK;

  case RED_BETWEEN_TRESH:
   if (++v->qcount) {
    if (red_mark_probability(p, v, qavg)) {
     v->qcount = 0;
     v->qR = red_random(p);
     return RED_PROB_MARK;
    }
   } else
    v->qR = red_random(p);

   return RED_DONT_MARK;

  case RED_ABOVE_MAX_TRESH:
   v->qcount = -1;
   return RED_HARD_MARK;
 }

 BUG();
 return RED_DONT_MARK;
}

static inline void red_adaptative_algo(struct red_parms *p, struct red_vars *v)
{
 unsigned long qavg;
 u32 max_p_delta;

 qavg = v->qavg;
 if (red_is_idling(v))
  qavg = red_calc_qavg_from_idle_time(p, v);

 /* v->qavg is fixed point number with point at Wlog */
 qavg >>= p->Wlog;

 if (qavg > p->target_max && p->max_P <= MAX_P_MAX)
  p->max_P += MAX_P_ALPHA(p->max_P); /* maxp = maxp + alpha */
 else if (qavg < p->target_min && p->max_P >= MAX_P_MIN)
  p->max_P = (p->max_P/10)*9; /* maxp = maxp * Beta */

 max_p_delta = DIV_ROUND_CLOSEST(p->max_P, p->qth_delta);
 max_p_delta = max(max_p_delta, 1U);
 p->max_P_reciprocal = reciprocal_value(max_p_delta);
}
#endif