1 #ifndef __NET_SCHED_RED_H
2 #define __NET_SCHED_RED_H
4 #include <linux/types.h>
5 #include <linux/bug.h>
6 #include <net/pkt_sched.h>
7 #include <net/inet_ecn.h>
8 #include <net/dsfield.h>
9 #include <linux/reciprocal_div.h>
11 /*      Random Early Detection (RED) algorithm.
12         =======================================
14         Source: Sally Floyd and Van Jacobson, "Random Early Detection Gateways
15         for Congestion Avoidance", 1993, IEEE/ACM Transactions on Networking.
17         This file codes a "divisionless" version of RED algorithm
18         as written down in Fig.17 of the paper.
20         Short description.
21         ------------------
23         When a new packet arrives we calculate the average queue length:
25         avg = (1-W)*avg + W*current_queue_len,
27         W is the filter time constant (chosen as 2^(-Wlog)), it controls
28         the inertia of the algorithm. To allow larger bursts, W should be
29         decreased.
31         if (avg > th_max) -> packet marked (dropped).
32         if (avg < th_min) -> packet passes.
33         if (th_min < avg < th_max) we calculate probability:
35         Pb = max_P * (avg - th_min)/(th_max-th_min)
37         and mark (drop) packet with this probability.
38         Pb changes from 0 (at avg==th_min) to max_P (avg==th_max).
39         max_P should be small (not 1), usually 0.01..0.02 is good value.
41         max_P is chosen as a number, so that max_P/(th_max-th_min)
42         is a negative power of two in order arithmetics to contain
43         only shifts.
46         Parameters, settable by user:
47         -----------------------------
49         qth_min         - bytes (should be < qth_max/2)
50         qth_max         - bytes (should be at least 2*qth_min and less limit)
51         Wlog            - bits (<32) log(1/W).
52         Plog            - bits (<32)
54         Plog is related to max_P by formula:
56         max_P = (qth_max-qth_min)/2^Plog;
58         F.e. if qth_max=128K and qth_min=32K, then Plog=22
59         corresponds to max_P=0.02
61         Scell_log
62         Stab
64         Lookup table for log((1-W)^(t/t_ave).
67         NOTES:
69         Upper bound on W.
70         -----------------
72         If you want to allow bursts of L packets of size S,
73         you should choose W:
75         L + 1 - th_min/S < (1-(1-W)^L)/W
77         th_min/S = 32         th_min/S = 4
79         log(W)  L
80         -1      33
81         -2      35
82         -3      39
83         -4      46
84         -5      57
85         -6      75
86         -7      101
87         -8      135
88         -9      190
89         etc.
90  */
92 /*
93  * Adaptative RED : An Algorithm for Increasing the Robustness of RED's AQM
94  * (Sally FLoyd, Ramakrishna Gummadi, and Scott Shenker) August 2001
95  *
96  * Every 500 ms:
97  *  if (avg > target and max_p <= 0.5)
98  *   increase max_p : max_p += alpha;
99  *  else if (avg < target and max_p >= 0.01)
100  *   decrease max_p : max_p *= beta;
101  *
102  * target :[qth_min + 0.4*(qth_min - qth_max),
103  *          qth_min + 0.6*(qth_min - qth_max)].
104  * alpha : min(0.01, max_p / 4)
105  * beta : 0.9
106  * max_P is a Q0.32 fixed point number (with 32 bits mantissa)
107  * max_P between 0.01 and 0.5 (1% - 50%) [ Its no longer a negative power of two ]
108  */
109 #define RED_ONE_PERCENT ((u32)DIV_ROUND_CLOSEST(1ULL<<32, 100))
111 #define MAX_P_MIN (1 * RED_ONE_PERCENT)
112 #define MAX_P_MAX (50 * RED_ONE_PERCENT)
113 #define MAX_P_ALPHA(val) min(MAX_P_MIN, val / 4)
115 #define RED_STAB_SIZE   256
116 #define RED_STAB_MASK   (RED_STAB_SIZE - 1)
118 struct red_stats {
119         u32             prob_drop;      /* Early probability drops */
120         u32             prob_mark;      /* Early probability marks */
121         u32             forced_drop;    /* Forced drops, qavg > max_thresh */
122         u32             forced_mark;    /* Forced marks, qavg > max_thresh */
123         u32             pdrop;          /* Drops due to queue limits */
124         u32             other;          /* Drops due to drop() calls */
125 };
127 struct red_parms {
128         /* Parameters */
129         u32             qth_min;        /* Min avg length threshold: Wlog scaled */
130         u32             qth_max;        /* Max avg length threshold: Wlog scaled */
131         u32             Scell_max;
132         u32             max_P;          /* probability, [0 .. 1.0] 32 scaled */
133         u32             max_P_reciprocal; /* reciprocal_value(max_P / qth_delta) */
134         u32             qth_delta;      /* max_th - min_th */
135         u32             target_min;     /* min_th + 0.4*(max_th - min_th) */
136         u32             target_max;     /* min_th + 0.6*(max_th - min_th) */
137         u8              Scell_log;
138         u8              Wlog;           /* log(W)               */
139         u8              Plog;           /* random number bits   */
140         u8              Stab[RED_STAB_SIZE];
141 };
143 struct red_vars {
144         /* Variables */
145         int             qcount;         /* Number of packets since last random
146                                            number generation */
147         u32             qR;             /* Cached random number */
149         unsigned long   qavg;           /* Average queue length: Wlog scaled */
150         ktime_t         qidlestart;     /* Start of current idle period */
151 };
153 static inline u32 red_maxp(u8 Plog)
154 {
155         return Plog < 32 ? (~0U >> Plog) : ~0U;
156 }
158 static inline void red_set_vars(struct red_vars *v)
159 {
160         /* Reset average queue length, the value is strictly bound
161          * to the parameters below, reseting hurts a bit but leaving
162          * it might result in an unreasonable qavg for a while. --TGR
163          */
164         v->qavg         = 0;
166         v->qcount       = -1;
167 }
169 static inline void red_set_parms(struct red_parms *p,
170                                  u32 qth_min, u32 qth_max, u8 Wlog, u8 Plog,
171                                  u8 Scell_log, u8 *stab, u32 max_P)
172 {
173         int delta = qth_max - qth_min;
174         u32 max_p_delta;
176         p->qth_min      = qth_min << Wlog;
177         p->qth_max      = qth_max << Wlog;
178         p->Wlog         = Wlog;
179         p->Plog         = Plog;
180         if (delta < 0)
181                 delta = 1;
182         p->qth_delta    = delta;
183         if (!max_P) {
184                 max_P = red_maxp(Plog);
185                 max_P *= delta; /* max_P = (qth_max - qth_min)/2^Plog */
186         }
187         p->max_P = max_P;
188         max_p_delta = max_P / delta;
189         max_p_delta = max(max_p_delta, 1U);
190         p->max_P_reciprocal  = reciprocal_value(max_p_delta);
192         /* RED Adaptative target :
193          * [min_th + 0.4*(min_th - max_th),
194          *  min_th + 0.6*(min_th - max_th)].
195          */
196         delta /= 5;
197         p->target_min = qth_min + 2*delta;
198         p->target_max = qth_min + 3*delta;
200         p->Scell_log    = Scell_log;
201         p->Scell_max    = (255 << Scell_log);
203         if (stab)
204                 memcpy(p->Stab, stab, sizeof(p->Stab));
205 }
207 static inline int red_is_idling(const struct red_vars *v)
208 {
209         return v->qidlestart.tv64 != 0;
210 }
212 static inline void red_start_of_idle_period(struct red_vars *v)
213 {
214         v->qidlestart = ktime_get();
215 }
217 static inline void red_end_of_idle_period(struct red_vars *v)
218 {
219         v->qidlestart.tv64 = 0;
220 }
222 static inline void red_restart(struct red_vars *v)
223 {
224         red_end_of_idle_period(v);
225         v->qavg = 0;
226         v->qcount = -1;
227 }
229 static inline unsigned long red_calc_qavg_from_idle_time(const struct red_parms *p,
230                                                          const struct red_vars *v)
231 {
232         s64 delta = ktime_us_delta(ktime_get(), v->qidlestart);
233         long us_idle = min_t(s64, delta, p->Scell_max);
234         int  shift;
236         /*
237          * The problem: ideally, average length queue recalcultion should
238          * be done over constant clock intervals. This is too expensive, so
239          * that the calculation is driven by outgoing packets.
240          * When the queue is idle we have to model this clock by hand.
241          *
242          * SF+VJ proposed to "generate":
243          *
244          *      m = idletime / (average_pkt_size / bandwidth)
245          *
246          * dummy packets as a burst after idle time, i.e.
247          *
248          *      v->qavg *= (1-W)^m
249          *
250          * This is an apparently overcomplicated solution (f.e. we have to
251          * precompute a table to make this calculation in reasonable time)
252          * I believe that a simpler model may be used here,
253          * but it is field for experiments.
254          */
256         shift = p->Stab[(us_idle >> p->Scell_log) & RED_STAB_MASK];
258         if (shift)
259                 return v->qavg >> shift;
260         else {
261                 /* Approximate initial part of exponent with linear function:
262                  *
263                  *      (1-W)^m ~= 1-mW + ...
264                  *
265                  * Seems, it is the best solution to
266                  * problem of too coarse exponent tabulation.
267                  */
268                 us_idle = (v->qavg * (u64)us_idle) >> p->Scell_log;
270                 if (us_idle < (v->qavg >> 1))
271                         return v->qavg - us_idle;
272                 else
273                         return v->qavg >> 1;
274         }
275 }
277 static inline unsigned long red_calc_qavg_no_idle_time(const struct red_parms *p,
278                                                        const struct red_vars *v,
279                                                        unsigned int backlog)
280 {
281         /*
282          * NOTE: v->qavg is fixed point number with point at Wlog.
283          * The formula below is equvalent to floating point
284          * version:
285          *
286          *      qavg = qavg*(1-W) + backlog*W;
287          *
288          * --ANK (980924)
289          */
290         return v->qavg + (backlog - (v->qavg >> p->Wlog));
291 }
293 static inline unsigned long red_calc_qavg(const struct red_parms *p,
294                                           const struct red_vars *v,
295                                           unsigned int backlog)
296 {
297         if (!red_is_idling(v))
298                 return red_calc_qavg_no_idle_time(p, v, backlog);
299         else
300                 return red_calc_qavg_from_idle_time(p, v);
301 }
304 static inline u32 red_random(const struct red_parms *p)
305 {
306         return reciprocal_divide(net_random(), p->max_P_reciprocal);
307 }
309 static inline int red_mark_probability(const struct red_parms *p,
310                                        const struct red_vars *v,
311                                        unsigned long qavg)
312 {
313         /* The formula used below causes questions.
315            OK. qR is random number in the interval
316                 (0..1/max_P)*(qth_max-qth_min)
317            i.e. 0..(2^Plog). If we used floating point
318            arithmetics, it would be: (2^Plog)*rnd_num,
319            where rnd_num is less 1.
321            Taking into account, that qavg have fixed
322            point at Wlog, two lines
323            below have the following floating point equivalent:
325            max_P*(qavg - qth_min)/(qth_max-qth_min) < rnd/qcount
327            Any questions? --ANK (980924)
328          */
329         return !(((qavg - p->qth_min) >> p->Wlog) * v->qcount < v->qR);
330 }
332 enum {
333         RED_BELOW_MIN_THRESH,
334         RED_BETWEEN_TRESH,
335         RED_ABOVE_MAX_TRESH,
336 };
338 static inline int red_cmp_thresh(const struct red_parms *p, unsigned long qavg)
339 {
340         if (qavg < p->qth_min)
341                 return RED_BELOW_MIN_THRESH;
342         else if (qavg >= p->qth_max)
343                 return RED_ABOVE_MAX_TRESH;
344         else
345                 return RED_BETWEEN_TRESH;
346 }
348 enum {
349         RED_DONT_MARK,
350         RED_PROB_MARK,
351         RED_HARD_MARK,
352 };
354 static inline int red_action(const struct red_parms *p,
355                              struct red_vars *v,
356                              unsigned long qavg)
357 {
358         switch (red_cmp_thresh(p, qavg)) {
359                 case RED_BELOW_MIN_THRESH:
360                         v->qcount = -1;
361                         return RED_DONT_MARK;
363                 case RED_BETWEEN_TRESH:
364                         if (++v->qcount) {
365                                 if (red_mark_probability(p, v, qavg)) {
366                                         v->qcount = 0;
367                                         v->qR = red_random(p);
368                                         return RED_PROB_MARK;
369                                 }
370                         } else
371                                 v->qR = red_random(p);
373                         return RED_DONT_MARK;
375                 case RED_ABOVE_MAX_TRESH:
376                         v->qcount = -1;
377                         return RED_HARD_MARK;
378         }
380         BUG();
381         return RED_DONT_MARK;
382 }
384 static inline void red_adaptative_algo(struct red_parms *p, struct red_vars *v)
385 {
386         unsigned long qavg;
387         u32 max_p_delta;
389         qavg = v->qavg;
390         if (red_is_idling(v))
391                 qavg = red_calc_qavg_from_idle_time(p, v);
393         /* v->qavg is fixed point number with point at Wlog */
394         qavg >>= p->Wlog;
396         if (qavg > p->target_max && p->max_P <= MAX_P_MAX)
397                 p->max_P += MAX_P_ALPHA(p->max_P); /* maxp = maxp + alpha */
398         else if (qavg < p->target_min && p->max_P >= MAX_P_MIN)
399                 p->max_P = (p->max_P/10)*9; /* maxp = maxp * Beta */
401         max_p_delta = DIV_ROUND_CLOSEST(p->max_P, p->qth_delta);
402         max_p_delta = max(max_p_delta, 1U);
403         p->max_P_reciprocal = reciprocal_value(max_p_delta);
404 }
405 #endif