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[Switchdev] How Kernel Implement SwitchDev(ii)

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Introduction

本篇文章主要會專注於 switchdev 本身的實作上，包含了其結構以及提供的 API 等。

Structure

Transaction

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struct switchdev_trans_item {
        struct list_head list;
        void *data;
        void (*destructor)(const void *data);
};

struct switchdev_trans {
        struct list_head item_list;
        bool ph_prepare;
};

static inline bool switchdev_trans_ph_prepare(struct switchdev_trans *trans)
{
        return trans && trans->ph_prepare;
}

static inline bool switchdev_trans_ph_commit(struct switchdev_trans *trans)
{
        return trans && !trans->ph_prepare;
}
  • Switchdev 實作了一種 trans 的機制，對於 hardware switch 進行一些寫入的動作，如 set/add 時，該動作會被拆成兩部份，分別是 prepare/commit 兩部分。
  • 一開始會先將 ph_prepare 給設定為 true，然後寫入的資料傳給 driver，讓 driver 知道這次的寫入只是用來確認可行性而已，如果 driver 確定可以寫入後，會將 ph_prepare 變為 false 後，再次要求 driver 將真正的資料給寫入。

Attribute

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enum switchdev_attr_id {
        SWITCHDEV_ATTR_ID_UNDEFINED,
        SWITCHDEV_ATTR_ID_PORT_PARENT_ID,
        SWITCHDEV_ATTR_ID_PORT_STP_STATE,
        SWITCHDEV_ATTR_ID_PORT_BRIDGE_FLAGS,
        SWITCHDEV_ATTR_ID_BRIDGE_AGEING_TIME,
        SWITCHDEV_ATTR_ID_BRIDGE_VLAN_FILTERING,
};

此 enum 用來定義 switch attribute 的種類，當 switch driver 收到一些如 get 的指令時，會根據該 attribute的種類回傳特定資料

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struct switchdev_attr {
        struct net_device *orig_dev;
        enum switchdev_attr_id id;
        u32 flags;
        union {
                struct netdev_phys_item_id ppid;        /* PORT_PARENT_ID */
                u8 stp_state;                           /* PORT_STP_STATE */
                unsigned long brport_flags;             /* PORT_BRIDGE_FLAGS */
                u32 ageing_time;                        /* BRIDGE_AGEING_TIME */
                bool vlan_filtering;                    /* BRIDGE_VLAN_FILTERING */
        } u;
};

實際上用來紀錄 switch attribute 的結構

  • net_device 來記錄是哪個目標 device
  • id 如前述所說的種類

  • flags 目前有三種值

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    #define SWITCHDEV_F_NO_RECURSE          BIT(0)
    #define SWITCHDEV_F_SKIP_EOPNOTSUPP     BIT(1)
    #define SWITCHDEV_F_DEFER               BIT(2)

  • u 則是用來存放該 id 所代表的值

Object

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enum switchdev_obj_id {
        SWITCHDEV_OBJ_ID_UNDEFINED,
        SWITCHDEV_OBJ_ID_PORT_VLAN,
        SWITCHDEV_OBJ_ID_IPV4_FIB,
        SWITCHDEV_OBJ_ID_PORT_FDB,
        SWITCHDEV_OBJ_ID_PORT_MDB,
};

此 enum 用來記錄該 switch object 的種類，

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struct switchdev_obj {
        struct net_device *orig_dev;
        enum switchdev_obj_id id;
        u32 flags;
};

此結構記錄 type， net_device 以及 flag，對應種類的數值因為太過於廣泛，所以此 structure 會再被其他的結構給包起來。

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struct switchdev_obj_port_vlan {
        struct switchdev_obj obj;
        u16 flags;
        u16 vid_begin;
        u16 vid_end;
};
struct switchdev_obj_ipv4_fib {
        struct switchdev_obj obj;
        u32 dst;
        int dst_len;
        struct fib_info fi;
        u8 tos;
        u8 type;
        u32 nlflags;
        u32 tb_id;
};
struct switchdev_obj_port_fdb {
        struct switchdev_obj obj;
        unsigned char addr[ETH_ALEN];
        u16 vid;
        u16 ndm_state;
};
struct switchdev_obj_port_mdb {
        struct switchdev_obj obj;
        unsigned char addr[ETH_ALEN];
        u16 vid;
};

由上面可以觀察到，目前已經實作了四種的 switchdev obj，分別是 vlan 的設定， L2 的 FDB/MDB 以及 L3 的 FIB.

Operation

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/**
 * struct switchdev_ops - switchdev operations
 *
 * @switchdev_port_attr_get: Get a port attribute (see switchdev_attr).
 *
 * @switchdev_port_attr_set: Set a port attribute (see switchdev_attr).
 *
 * @switchdev_port_obj_add: Add an object to port (see switchdev_obj_*).
 *
 * @switchdev_port_obj_del: Delete an object from port (see switchdev_obj_*).
 *
 * @switchdev_port_obj_dump: Dump port objects (see switchdev_obj_*).
 */
struct switchdev_ops {
        int     (*switchdev_port_attr_get)(struct net_device *dev,
                                           struct switchdev_attr *attr);
        int     (*switchdev_port_attr_set)(struct net_device *dev,
                                           const struct switchdev_attr *attr,
                                           struct switchdev_trans *trans);
        int     (*switchdev_port_obj_add)(struct net_device *dev,
                                          const struct switchdev_obj *obj,
                                          struct switchdev_trans *trans);
        int     (*switchdev_port_obj_del)(struct net_device *dev,
                                          const struct switchdev_obj *obj);
        int     (*switchdev_port_obj_dump)(struct net_device *dev,
                                           struct switchdev_obj *obj,
                                           switchdev_obj_dump_cb_t *cb);
};

此結構被加入到 struct net_device內，所以 hardware switch driver 在創建 net_divce 時，要順便對該結構進行初始化，這樣對應的 function pointer 才有辦法在適當的時機被執行，這部分可以參考 rocker driver。

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dev->switchdev_ops = &rocker_port_switchdev_ops;

Notifier

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enum switchdev_notifier_type {
        SWITCHDEV_FDB_ADD = 1,
        SWITCHDEV_FDB_DEL,
};

struct switchdev_notifier_info {
        struct net_device *dev;
};

struct switchdev_notifier_fdb_info {
        struct switchdev_notifier_info info; /* must be first */
        const unsigned char *addr;
        u16 vid;
};

Notifier 是用來讓 hardware switch 通知 linux kernel 用的，目前只有實作 FDB 的部分。
當 hardware switch 的 FDB offload 有變化時(ADD/DEL)，要透過這個方式一路通知道 linux kernel 去，這樣的話使用 brctl show 指令去看的時候，就可以看到即時的狀態變化。

Implementation

SwitchDev Port Attribute

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int switchdev_port_attr_get(struct net_device *dev,
                            struct switchdev_attr *attr);
int switchdev_port_attr_set(struct net_device *dev,
                            const struct switchdev_attr *attr);

這兩個 function 是用來處理 attribute 的，其處理邏輯類似，基本上都按照下列走法

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const struct switchdev_ops *ops = dev->switchdev_ops;

if (ops && ops->switchdev_port_attr_get)
	return ops->switchdev_port_attr_get(dev, attr);

if (attr->flags & SWITCHDEV_F_NO_RECURSE)
	return err;

netdev_for_each_lower_dev(dev, lower_dev, iter) {
	/* do something */
}
  1. 先判斷該 device 是否有實作 switchdev_ops,若有的話則直接呼叫 fptr 來處理.
    • 參考 rocker driver.
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static const struct switchdev_ops rocker_port_switchdev_ops = {
	.switchdev_port_attr_get        = rocker_port_attr_get,
	.switchdev_port_attr_set        = rocker_port_attr_set,
}
...
dev->switchdev_ops = &rocker_port_switchdev_ops;
...
  1. 判斷該 device 是否有被設定不需要遞迴往下尋找，若有的話則直接結束
  2. 因為 switch port 可能是屬於 bond/team/vlan 等 device 底下，所以若直接操作上層的 device 是沒有辦法碰到 switch port 的，這邊會使用 netdev_for_each_lower_dev 來嘗試抓取到底下所有的 device。
    • 對於 get/set 來說，會針對底下每個 device 嘗試去 get/set 其 attribute.

SwitchDev Port Object operation

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int switchdev_port_obj_add(struct net_device *dev,
                           const struct switchdev_obj *obj);
int switchdev_port_obj_del(struct net_device *dev,
                           const struct switchdev_obj *obj);
int switchdev_port_obj_dump(struct net_device *dev, struct switchdev_obj *obj,
                            switchdev_obj_dump_cb_t *cb);

這三個 function 都是用來處理 object 的，其運作邏輯也類似

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const struct switchdev_ops *ops = dev->switchdev_ops;

if (ops && ops->switchdev_port_obj_add)
                return ops->switchdev_port_obj_add(dev, obj, trans);
netdev_for_each_lower_dev(dev, lower_dev, iter) {
	/* do something */
}

  1. 先檢查該 device 是否有實作 switchdev_ops,若有就呼叫對應的 function 來處理
  2. 遞迴存取底下所有的 device (bond/team/vlan), 針對每個 device 都跑一次對應的結果。
  3. obj_dump 的部分還會傳入一個 call back function, 目前看到的只有兩個實作，分別是 switchdev_port_obj_dump 以及 switchdev_port_vlan_dump_cb。 兩者都要搭配另外一個 `switchdev_port_xxx_dump** 的結構來使用，目前感覺用途不是很 general.
    • fdb 的 dump 與 rfnetlink 有關係，要搭配 ndo_fdb_dump 使用。user space tool 透過 netlink 來問 fdb 的資料時，會透過此 cb 將對應的內容填入到 netlink header 中，最後再一路送回 user space 去檢查。
      • vlan 的部分則是 rfnetlink 在使用的，會先呼叫到 ndo_bridge_getlink, 最後跑到 ndo_dflt_bridge_getlink 才會使用，ndo (network device operation) 的 netlink 操作有必要再多花一些時間去瞭解了。

Port Bridge

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int switchdev_port_bridge_getlink(struct sk_buff *skb, u32 pid, u32 seq,
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                                  int nlflags);
int switchdev_port_bridge_setlink(struct net_device *dev,
                                  struct nlmsghdr *nlh, u16 flags);
int switchdev_port_bridge_dellink(struct net_device *dev,
                                  struct nlmsghdr *nlh, u16 flags);

這三個 function 是用來操作 bridge port attribute 的，基本上都是被設定成 ndo_bridge_xxx 的 handler。
目前可以參考的範例應該是使用 br 這個與 ip 類似的 user-space tool.
詳細說明可以參考此 link

FDB Operations

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int switchdev_port_fdb_add(struct ndmsg *ndm, struct nlattr *tb[],
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                           u16 vid, u16 nlm_flags);
int switchdev_port_fdb_del(struct ndmsg *ndm, struct nlattr *tb[],
                           struct net_device *dev, const unsigned char *addr,
                           u16 vid);
int switchdev_port_fdb_dump(struct sk_buff *skb, struct netlink_callback *cb,
                            struct net_device *dev,
                            struct net_device *filter_dev, int idx);

這三個 function 是用來操作 fdb 的，當上層走 rtnetlink 中的 ndo_fdb_xxx type 時，就會觸發對應的 function handler，這些 function 最後都會呼叫到對應的 switchdev_port_obj_xxx。

關於整個 FDB 的操作，可以用下列這張圖來總結

  • 藍線代表的是 Notifer，當 Rocket 在 FDB 有任何變更時，會一路通知到 Linux Kernel 去，以確保 FDB 資料一致。
  • 圖中紅線代表的是走 ndo 系列的 netlink event，會直接跟 Rocker 溝通，因此透過 br 此指令去修改 FDB entry時，會先走紅線到 Rocker 去，接者走藍線去通知 Kernel 同步 FDB。
  • 當透過brctl指令去操作時，這邊目前能做的只有部分 attribute/obj 的修改，如 STP 的狀態，此時則會一路從 switchdev 的核心傳到 Rocker 去處理。
  • 基本上 MDB 的操作則簡單很多，與 FIB 比較類似。

FIB Operations

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int switchdev_fib_ipv4_add(u32 dst, int dst_len, struct fib_info *fi,
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int switchdev_fib_ipv4_del(u32 dst, int dst_len, struct fib_info *fi,
                           u8 tos, u8 type, u32 tb_id);
void switchdev_fib_ipv4_abort(struct fib_info *fi);
  • 這三個 function 是用來操作 IPv4 FIB offload 的，不同於 FDB，此 offload rule 本身的學習只能靠 linux kernl 來管理，當 kernel 決定要針對特定 FIB route 處理時，會呼叫上述的 add/del 將相關的 FIB router 給加入到 hardware switch 中。
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err = switchdev_fib_ipv4_add(key, plen, fi,
      new_fa->fa_tos,
      cfg->fc_type,
      cfg->fc_nlflags,
      tb->tb_id);
if (err) {
      switchdev_fib_ipv4_abort(fi);
      kmem_cache_free(fn_alias_kmem, new_fa);
      goto out;
}
  • 當執行失敗的時候，會呼叫 abort 將 rules 給全部清空，並且將 IPv4 offload 給關閉
    • 這部分還有待加強，由註解也可以看出來
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/* There was a problem installing this route to the offload
* device.  For now, until we come up with more refined
* policy handling, abruptly end IPv4 fib offloading for
* for entire net by flushing offload device(s) of all
* IPv4 routes, and mark IPv4 fib offloading broken from
* this point forward.
*/
  • 而目前在加入 rules 的部分，也有針對條件去篩選，並非所有的 FIB 都會被加入
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    #ifdef CONFIG_IP_MULTIPLE_TABLES
            if (fi->fib_net->ipv4.fib_has_custom_rules)
                    return 0;
    #endif

            if (fi->fib_net->ipv4.fib_offload_disabled)
                    return 0;

關於整個 FIB 的操作，可以用下列這張圖來總結

  • 相對於 FDB，非常的簡單，只有 kernel 主動去加入 Rocker 而已
  • 目前 ndo_xxx_ooo 系列的操作中，還沒有看到 FIB 相關的，大部分都是 bridge/vlan/macvlan 等。

Notifier

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int register_switchdev_notifier(struct notifier_block *nb);
int unregister_switchdev_notifier(struct notifier_block *nb);
int call_switchdev_notifiers(unsigned long val, struct net_device *dev,
                             struct switchdev_notifier_info *info);
  • 基本上就是用讓 hardware switch driver 呼叫的，當 switchdevb 有任何更動需要讓上層知道時就會呼叫 call_switchdev_notifiers，此時所有透過 register_switchdev_notifier 註冊的 handler 都會去處理
  • 目前有透過的 register_switchdev_notifier 註冊的只有 bridge(br.c), 目的是用來同步 FIB 資訊。
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