Merge branch 'for-linus' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/ebiederm...
[cascardo/linux.git] / Documentation / networking / timestamping.txt
1
2 1. Control Interfaces
3
4 The interfaces for receiving network packages timestamps are:
5
6 * SO_TIMESTAMP
7   Generates a timestamp for each incoming packet in (not necessarily
8   monotonic) system time. Reports the timestamp via recvmsg() in a
9   control message as struct timeval (usec resolution).
10
11 * SO_TIMESTAMPNS
12   Same timestamping mechanism as SO_TIMESTAMP, but reports the
13   timestamp as struct timespec (nsec resolution).
14
15 * IP_MULTICAST_LOOP + SO_TIMESTAMP[NS]
16   Only for multicast:approximate transmit timestamp obtained by
17   reading the looped packet receive timestamp.
18
19 * SO_TIMESTAMPING
20   Generates timestamps on reception, transmission or both. Supports
21   multiple timestamp sources, including hardware. Supports generating
22   timestamps for stream sockets.
23
24
25 1.1 SO_TIMESTAMP:
26
27 This socket option enables timestamping of datagrams on the reception
28 path. Because the destination socket, if any, is not known early in
29 the network stack, the feature has to be enabled for all packets. The
30 same is true for all early receive timestamp options.
31
32 For interface details, see `man 7 socket`.
33
34
35 1.2 SO_TIMESTAMPNS:
36
37 This option is identical to SO_TIMESTAMP except for the returned data type.
38 Its struct timespec allows for higher resolution (ns) timestamps than the
39 timeval of SO_TIMESTAMP (ms).
40
41
42 1.3 SO_TIMESTAMPING:
43
44 Supports multiple types of timestamp requests. As a result, this
45 socket option takes a bitmap of flags, not a boolean. In
46
47   err = setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_TIMESTAMPING, (void *) val, &val);
48
49 val is an integer with any of the following bits set. Setting other
50 bit returns EINVAL and does not change the current state.
51
52
53 1.3.1 Timestamp Generation
54
55 Some bits are requests to the stack to try to generate timestamps. Any
56 combination of them is valid. Changes to these bits apply to newly
57 created packets, not to packets already in the stack. As a result, it
58 is possible to selectively request timestamps for a subset of packets
59 (e.g., for sampling) by embedding an send() call within two setsockopt
60 calls, one to enable timestamp generation and one to disable it.
61 Timestamps may also be generated for reasons other than being
62 requested by a particular socket, such as when receive timestamping is
63 enabled system wide, as explained earlier.
64
65 SOF_TIMESTAMPING_RX_HARDWARE:
66   Request rx timestamps generated by the network adapter.
67
68 SOF_TIMESTAMPING_RX_SOFTWARE:
69   Request rx timestamps when data enters the kernel. These timestamps
70   are generated just after a device driver hands a packet to the
71   kernel receive stack.
72
73 SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE:
74   Request tx timestamps generated by the network adapter.
75
76 SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE:
77   Request tx timestamps when data leaves the kernel. These timestamps
78   are generated in the device driver as close as possible, but always
79   prior to, passing the packet to the network interface. Hence, they
80   require driver support and may not be available for all devices.
81
82 SOF_TIMESTAMPING_TX_SCHED:
83   Request tx timestamps prior to entering the packet scheduler. Kernel
84   transmit latency is, if long, often dominated by queuing delay. The
85   difference between this timestamp and one taken at
86   SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE will expose this latency independent
87   of protocol processing. The latency incurred in protocol
88   processing, if any, can be computed by subtracting a userspace
89   timestamp taken immediately before send() from this timestamp. On
90   machines with virtual devices where a transmitted packet travels
91   through multiple devices and, hence, multiple packet schedulers,
92   a timestamp is generated at each layer. This allows for fine
93   grained measurement of queuing delay.
94
95 SOF_TIMESTAMPING_TX_ACK:
96   Request tx timestamps when all data in the send buffer has been
97   acknowledged. This only makes sense for reliable protocols. It is
98   currently only implemented for TCP. For that protocol, it may
99   over-report measurement, because the timestamp is generated when all
100   data up to and including the buffer at send() was acknowledged: the
101   cumulative acknowledgment. The mechanism ignores SACK and FACK.
102
103
104 1.3.2 Timestamp Reporting
105
106 The other three bits control which timestamps will be reported in a
107 generated control message. Changes to the bits take immediate
108 effect at the timestamp reporting locations in the stack. Timestamps
109 are only reported for packets that also have the relevant timestamp
110 generation request set.
111
112 SOF_TIMESTAMPING_SOFTWARE:
113   Report any software timestamps when available.
114
115 SOF_TIMESTAMPING_SYS_HARDWARE:
116   This option is deprecated and ignored.
117
118 SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE:
119   Report hardware timestamps as generated by
120   SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE when available.
121
122
123 1.3.3 Timestamp Options
124
125 The interface supports the options
126
127 SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID:
128
129   Generate a unique identifier along with each packet. A process can
130   have multiple concurrent timestamping requests outstanding. Packets
131   can be reordered in the transmit path, for instance in the packet
132   scheduler. In that case timestamps will be queued onto the error
133   queue out of order from the original send() calls. It is not always
134   possible to uniquely match timestamps to the original send() calls
135   based on timestamp order or payload inspection alone, then.
136
137   This option associates each packet at send() with a unique
138   identifier and returns that along with the timestamp. The identifier
139   is derived from a per-socket u32 counter (that wraps). For datagram
140   sockets, the counter increments with each sent packet. For stream
141   sockets, it increments with every byte.
142
143   The counter starts at zero. It is initialized the first time that
144   the socket option is enabled. It is reset each time the option is
145   enabled after having been disabled. Resetting the counter does not
146   change the identifiers of existing packets in the system.
147
148   This option is implemented only for transmit timestamps. There, the
149   timestamp is always looped along with a struct sock_extended_err.
150   The option modifies field ee_data to pass an id that is unique
151   among all possibly concurrently outstanding timestamp requests for
152   that socket.
153
154
155 SOF_TIMESTAMPING_OPT_CMSG:
156
157   Support recv() cmsg for all timestamped packets. Control messages
158   are already supported unconditionally on all packets with receive
159   timestamps and on IPv6 packets with transmit timestamp. This option
160   extends them to IPv4 packets with transmit timestamp. One use case
161   is to correlate packets with their egress device, by enabling socket
162   option IP_PKTINFO simultaneously.
163
164
165 1.4 Bytestream Timestamps
166
167 The SO_TIMESTAMPING interface supports timestamping of bytes in a
168 bytestream. Each request is interpreted as a request for when the
169 entire contents of the buffer has passed a timestamping point. That
170 is, for streams option SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE will record
171 when all bytes have reached the device driver, regardless of how
172 many packets the data has been converted into.
173
174 In general, bytestreams have no natural delimiters and therefore
175 correlating a timestamp with data is non-trivial. A range of bytes
176 may be split across segments, any segments may be merged (possibly
177 coalescing sections of previously segmented buffers associated with
178 independent send() calls). Segments can be reordered and the same
179 byte range can coexist in multiple segments for protocols that
180 implement retransmissions.
181
182 It is essential that all timestamps implement the same semantics,
183 regardless of these possible transformations, as otherwise they are
184 incomparable. Handling "rare" corner cases differently from the
185 simple case (a 1:1 mapping from buffer to skb) is insufficient
186 because performance debugging often needs to focus on such outliers.
187
188 In practice, timestamps can be correlated with segments of a
189 bytestream consistently, if both semantics of the timestamp and the
190 timing of measurement are chosen correctly. This challenge is no
191 different from deciding on a strategy for IP fragmentation. There, the
192 definition is that only the first fragment is timestamped. For
193 bytestreams, we chose that a timestamp is generated only when all
194 bytes have passed a point. SOF_TIMESTAMPING_TX_ACK as defined is easy to
195 implement and reason about. An implementation that has to take into
196 account SACK would be more complex due to possible transmission holes
197 and out of order arrival.
198
199 On the host, TCP can also break the simple 1:1 mapping from buffer to
200 skbuff as a result of Nagle, cork, autocork, segmentation and GSO. The
201 implementation ensures correctness in all cases by tracking the
202 individual last byte passed to send(), even if it is no longer the
203 last byte after an skbuff extend or merge operation. It stores the
204 relevant sequence number in skb_shinfo(skb)->tskey. Because an skbuff
205 has only one such field, only one timestamp can be generated.
206
207 In rare cases, a timestamp request can be missed if two requests are
208 collapsed onto the same skb. A process can detect this situation by
209 enabling SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID and comparing the byte offset at
210 send time with the value returned for each timestamp. It can prevent
211 the situation by always flushing the TCP stack in between requests,
212 for instance by enabling TCP_NODELAY and disabling TCP_CORK and
213 autocork.
214
215 These precautions ensure that the timestamp is generated only when all
216 bytes have passed a timestamp point, assuming that the network stack
217 itself does not reorder the segments. The stack indeed tries to avoid
218 reordering. The one exception is under administrator control: it is
219 possible to construct a packet scheduler configuration that delays
220 segments from the same stream differently. Such a setup would be
221 unusual.
222
223
224 2 Data Interfaces
225
226 Timestamps are read using the ancillary data feature of recvmsg().
227 See `man 3 cmsg` for details of this interface. The socket manual
228 page (`man 7 socket`) describes how timestamps generated with
229 SO_TIMESTAMP and SO_TIMESTAMPNS records can be retrieved.
230
231
232 2.1 SCM_TIMESTAMPING records
233
234 These timestamps are returned in a control message with cmsg_level
235 SOL_SOCKET, cmsg_type SCM_TIMESTAMPING, and payload of type
236
237 struct scm_timestamping {
238         struct timespec ts[3];
239 };
240
241 The structure can return up to three timestamps. This is a legacy
242 feature. Only one field is non-zero at any time. Most timestamps
243 are passed in ts[0]. Hardware timestamps are passed in ts[2].
244
245 ts[1] used to hold hardware timestamps converted to system time.
246 Instead, expose the hardware clock device on the NIC directly as
247 a HW PTP clock source, to allow time conversion in userspace and
248 optionally synchronize system time with a userspace PTP stack such
249 as linuxptp. For the PTP clock API, see Documentation/ptp/ptp.txt.
250
251 2.1.1 Transmit timestamps with MSG_ERRQUEUE
252
253 For transmit timestamps the outgoing packet is looped back to the
254 socket's error queue with the send timestamp(s) attached. A process
255 receives the timestamps by calling recvmsg() with flag MSG_ERRQUEUE
256 set and with a msg_control buffer sufficiently large to receive the
257 relevant metadata structures. The recvmsg call returns the original
258 outgoing data packet with two ancillary messages attached.
259
260 A message of cm_level SOL_IP(V6) and cm_type IP(V6)_RECVERR
261 embeds a struct sock_extended_err. This defines the error type. For
262 timestamps, the ee_errno field is ENOMSG. The other ancillary message
263 will have cm_level SOL_SOCKET and cm_type SCM_TIMESTAMPING. This
264 embeds the struct scm_timestamping.
265
266
267 2.1.1.2 Timestamp types
268
269 The semantics of the three struct timespec are defined by field
270 ee_info in the extended error structure. It contains a value of
271 type SCM_TSTAMP_* to define the actual timestamp passed in
272 scm_timestamping.
273
274 The SCM_TSTAMP_* types are 1:1 matches to the SOF_TIMESTAMPING_*
275 control fields discussed previously, with one exception. For legacy
276 reasons, SCM_TSTAMP_SND is equal to zero and can be set for both
277 SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE and SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE. It
278 is the first if ts[2] is non-zero, the second otherwise, in which
279 case the timestamp is stored in ts[0].
280
281
282 2.1.1.3 Fragmentation
283
284 Fragmentation of outgoing datagrams is rare, but is possible, e.g., by
285 explicitly disabling PMTU discovery. If an outgoing packet is fragmented,
286 then only the first fragment is timestamped and returned to the sending
287 socket.
288
289
290 2.1.1.4 Packet Payload
291
292 The calling application is often not interested in receiving the whole
293 packet payload that it passed to the stack originally: the socket
294 error queue mechanism is just a method to piggyback the timestamp on.
295 In this case, the application can choose to read datagrams with a
296 smaller buffer, possibly even of length 0. The payload is truncated
297 accordingly. Until the process calls recvmsg() on the error queue,
298 however, the full packet is queued, taking up budget from SO_RCVBUF.
299
300
301 2.1.1.5 Blocking Read
302
303 Reading from the error queue is always a non-blocking operation. To
304 block waiting on a timestamp, use poll or select. poll() will return
305 POLLERR in pollfd.revents if any data is ready on the error queue.
306 There is no need to pass this flag in pollfd.events. This flag is
307 ignored on request. See also `man 2 poll`.
308
309
310 2.1.2 Receive timestamps
311
312 On reception, there is no reason to read from the socket error queue.
313 The SCM_TIMESTAMPING ancillary data is sent along with the packet data
314 on a normal recvmsg(). Since this is not a socket error, it is not
315 accompanied by a message SOL_IP(V6)/IP(V6)_RECVERROR. In this case,
316 the meaning of the three fields in struct scm_timestamping is
317 implicitly defined. ts[0] holds a software timestamp if set, ts[1]
318 is again deprecated and ts[2] holds a hardware timestamp if set.
319
320
321 3. Hardware Timestamping configuration: SIOCSHWTSTAMP and SIOCGHWTSTAMP
322
323 Hardware time stamping must also be initialized for each device driver
324 that is expected to do hardware time stamping. The parameter is defined in
325 /include/linux/net_tstamp.h as:
326
327 struct hwtstamp_config {
328         int flags;      /* no flags defined right now, must be zero */
329         int tx_type;    /* HWTSTAMP_TX_* */
330         int rx_filter;  /* HWTSTAMP_FILTER_* */
331 };
332
333 Desired behavior is passed into the kernel and to a specific device by
334 calling ioctl(SIOCSHWTSTAMP) with a pointer to a struct ifreq whose
335 ifr_data points to a struct hwtstamp_config. The tx_type and
336 rx_filter are hints to the driver what it is expected to do. If
337 the requested fine-grained filtering for incoming packets is not
338 supported, the driver may time stamp more than just the requested types
339 of packets.
340
341 A driver which supports hardware time stamping shall update the struct
342 with the actual, possibly more permissive configuration. If the
343 requested packets cannot be time stamped, then nothing should be
344 changed and ERANGE shall be returned (in contrast to EINVAL, which
345 indicates that SIOCSHWTSTAMP is not supported at all).
346
347 Only a processes with admin rights may change the configuration. User
348 space is responsible to ensure that multiple processes don't interfere
349 with each other and that the settings are reset.
350
351 Any process can read the actual configuration by passing this
352 structure to ioctl(SIOCGHWTSTAMP) in the same way.  However, this has
353 not been implemented in all drivers.
354
355 /* possible values for hwtstamp_config->tx_type */
356 enum {
357         /*
358          * no outgoing packet will need hardware time stamping;
359          * should a packet arrive which asks for it, no hardware
360          * time stamping will be done
361          */
362         HWTSTAMP_TX_OFF,
363
364         /*
365          * enables hardware time stamping for outgoing packets;
366          * the sender of the packet decides which are to be
367          * time stamped by setting SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE
368          * before sending the packet
369          */
370         HWTSTAMP_TX_ON,
371 };
372
373 /* possible values for hwtstamp_config->rx_filter */
374 enum {
375         /* time stamp no incoming packet at all */
376         HWTSTAMP_FILTER_NONE,
377
378         /* time stamp any incoming packet */
379         HWTSTAMP_FILTER_ALL,
380
381         /* return value: time stamp all packets requested plus some others */
382         HWTSTAMP_FILTER_SOME,
383
384         /* PTP v1, UDP, any kind of event packet */
385         HWTSTAMP_FILTER_PTP_V1_L4_EVENT,
386
387         /* for the complete list of values, please check
388          * the include file /include/linux/net_tstamp.h
389          */
390 };
391
392 3.1 Hardware Timestamping Implementation: Device Drivers
393
394 A driver which supports hardware time stamping must support the
395 SIOCSHWTSTAMP ioctl and update the supplied struct hwtstamp_config with
396 the actual values as described in the section on SIOCSHWTSTAMP.  It
397 should also support SIOCGHWTSTAMP.
398
399 Time stamps for received packets must be stored in the skb. To get a pointer
400 to the shared time stamp structure of the skb call skb_hwtstamps(). Then
401 set the time stamps in the structure:
402
403 struct skb_shared_hwtstamps {
404         /* hardware time stamp transformed into duration
405          * since arbitrary point in time
406          */
407         ktime_t hwtstamp;
408 };
409
410 Time stamps for outgoing packets are to be generated as follows:
411 - In hard_start_xmit(), check if (skb_shinfo(skb)->tx_flags & SKBTX_HW_TSTAMP)
412   is set no-zero. If yes, then the driver is expected to do hardware time
413   stamping.
414 - If this is possible for the skb and requested, then declare
415   that the driver is doing the time stamping by setting the flag
416   SKBTX_IN_PROGRESS in skb_shinfo(skb)->tx_flags , e.g. with
417
418       skb_shinfo(skb)->tx_flags |= SKBTX_IN_PROGRESS;
419
420   You might want to keep a pointer to the associated skb for the next step
421   and not free the skb. A driver not supporting hardware time stamping doesn't
422   do that. A driver must never touch sk_buff::tstamp! It is used to store
423   software generated time stamps by the network subsystem.
424 - Driver should call skb_tx_timestamp() as close to passing sk_buff to hardware
425   as possible. skb_tx_timestamp() provides a software time stamp if requested
426   and hardware timestamping is not possible (SKBTX_IN_PROGRESS not set).
427 - As soon as the driver has sent the packet and/or obtained a
428   hardware time stamp for it, it passes the time stamp back by
429   calling skb_hwtstamp_tx() with the original skb, the raw
430   hardware time stamp. skb_hwtstamp_tx() clones the original skb and
431   adds the timestamps, therefore the original skb has to be freed now.
432   If obtaining the hardware time stamp somehow fails, then the driver
433   should not fall back to software time stamping. The rationale is that
434   this would occur at a later time in the processing pipeline than other
435   software time stamping and therefore could lead to unexpected deltas
436   between time stamps.