b08e27261ff9473be312d8475425adf90eb897ce
[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. This option
134   embeds a counter that is incremented at send() time, to order
135   timestamps within a flow.
136
137   This option is implemented only for transmit timestamps. There, the
138   timestamp is always looped along with a struct sock_extended_err.
139   The option modifies field ee_data to pass an id that is unique
140   among all possibly concurrently outstanding timestamp requests for
141   that socket. In practice, it is a monotonically increasing u32
142   (that wraps).
143
144   In datagram sockets, the counter increments on each send call. In
145   stream sockets, it increments with every byte.
146
147
148 SOF_TIMESTAMPING_OPT_CMSG:
149
150   Support recv() cmsg for all timestamped packets. Control messages
151   are already supported unconditionally on all packets with receive
152   timestamps and on IPv6 packets with transmit timestamp. This option
153   extends them to IPv4 packets with transmit timestamp. One use case
154   is to correlate packets with their egress device, by enabling socket
155   option IP_PKTINFO simultaneously.
156
157
158 1.4 Bytestream Timestamps
159
160 The SO_TIMESTAMPING interface supports timestamping of bytes in a
161 bytestream. Each request is interpreted as a request for when the
162 entire contents of the buffer has passed a timestamping point. That
163 is, for streams option SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE will record
164 when all bytes have reached the device driver, regardless of how
165 many packets the data has been converted into.
166
167 In general, bytestreams have no natural delimiters and therefore
168 correlating a timestamp with data is non-trivial. A range of bytes
169 may be split across segments, any segments may be merged (possibly
170 coalescing sections of previously segmented buffers associated with
171 independent send() calls). Segments can be reordered and the same
172 byte range can coexist in multiple segments for protocols that
173 implement retransmissions.
174
175 It is essential that all timestamps implement the same semantics,
176 regardless of these possible transformations, as otherwise they are
177 incomparable. Handling "rare" corner cases differently from the
178 simple case (a 1:1 mapping from buffer to skb) is insufficient
179 because performance debugging often needs to focus on such outliers.
180
181 In practice, timestamps can be correlated with segments of a
182 bytestream consistently, if both semantics of the timestamp and the
183 timing of measurement are chosen correctly. This challenge is no
184 different from deciding on a strategy for IP fragmentation. There, the
185 definition is that only the first fragment is timestamped. For
186 bytestreams, we chose that a timestamp is generated only when all
187 bytes have passed a point. SOF_TIMESTAMPING_TX_ACK as defined is easy to
188 implement and reason about. An implementation that has to take into
189 account SACK would be more complex due to possible transmission holes
190 and out of order arrival.
191
192 On the host, TCP can also break the simple 1:1 mapping from buffer to
193 skbuff as a result of Nagle, cork, autocork, segmentation and GSO. The
194 implementation ensures correctness in all cases by tracking the
195 individual last byte passed to send(), even if it is no longer the
196 last byte after an skbuff extend or merge operation. It stores the
197 relevant sequence number in skb_shinfo(skb)->tskey. Because an skbuff
198 has only one such field, only one timestamp can be generated.
199
200 In rare cases, a timestamp request can be missed if two requests are
201 collapsed onto the same skb. A process can detect this situation by
202 enabling SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID and comparing the byte offset at
203 send time with the value returned for each timestamp. It can prevent
204 the situation by always flushing the TCP stack in between requests,
205 for instance by enabling TCP_NODELAY and disabling TCP_CORK and
206 autocork.
207
208 These precautions ensure that the timestamp is generated only when all
209 bytes have passed a timestamp point, assuming that the network stack
210 itself does not reorder the segments. The stack indeed tries to avoid
211 reordering. The one exception is under administrator control: it is
212 possible to construct a packet scheduler configuration that delays
213 segments from the same stream differently. Such a setup would be
214 unusual.
215
216
217 2 Data Interfaces
218
219 Timestamps are read using the ancillary data feature of recvmsg().
220 See `man 3 cmsg` for details of this interface. The socket manual
221 page (`man 7 socket`) describes how timestamps generated with
222 SO_TIMESTAMP and SO_TIMESTAMPNS records can be retrieved.
223
224
225 2.1 SCM_TIMESTAMPING records
226
227 These timestamps are returned in a control message with cmsg_level
228 SOL_SOCKET, cmsg_type SCM_TIMESTAMPING, and payload of type
229
230 struct scm_timestamping {
231         struct timespec ts[3];
232 };
233
234 The structure can return up to three timestamps. This is a legacy
235 feature. Only one field is non-zero at any time. Most timestamps
236 are passed in ts[0]. Hardware timestamps are passed in ts[2].
237
238 ts[1] used to hold hardware timestamps converted to system time.
239 Instead, expose the hardware clock device on the NIC directly as
240 a HW PTP clock source, to allow time conversion in userspace and
241 optionally synchronize system time with a userspace PTP stack such
242 as linuxptp. For the PTP clock API, see Documentation/ptp/ptp.txt.
243
244 2.1.1 Transmit timestamps with MSG_ERRQUEUE
245
246 For transmit timestamps the outgoing packet is looped back to the
247 socket's error queue with the send timestamp(s) attached. A process
248 receives the timestamps by calling recvmsg() with flag MSG_ERRQUEUE
249 set and with a msg_control buffer sufficiently large to receive the
250 relevant metadata structures. The recvmsg call returns the original
251 outgoing data packet with two ancillary messages attached.
252
253 A message of cm_level SOL_IP(V6) and cm_type IP(V6)_RECVERR
254 embeds a struct sock_extended_err. This defines the error type. For
255 timestamps, the ee_errno field is ENOMSG. The other ancillary message
256 will have cm_level SOL_SOCKET and cm_type SCM_TIMESTAMPING. This
257 embeds the struct scm_timestamping.
258
259
260 2.1.1.2 Timestamp types
261
262 The semantics of the three struct timespec are defined by field
263 ee_info in the extended error structure. It contains a value of
264 type SCM_TSTAMP_* to define the actual timestamp passed in
265 scm_timestamping.
266
267 The SCM_TSTAMP_* types are 1:1 matches to the SOF_TIMESTAMPING_*
268 control fields discussed previously, with one exception. For legacy
269 reasons, SCM_TSTAMP_SND is equal to zero and can be set for both
270 SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE and SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE. It
271 is the first if ts[2] is non-zero, the second otherwise, in which
272 case the timestamp is stored in ts[0].
273
274
275 2.1.1.3 Fragmentation
276
277 Fragmentation of outgoing datagrams is rare, but is possible, e.g., by
278 explicitly disabling PMTU discovery. If an outgoing packet is fragmented,
279 then only the first fragment is timestamped and returned to the sending
280 socket.
281
282
283 2.1.1.4 Packet Payload
284
285 The calling application is often not interested in receiving the whole
286 packet payload that it passed to the stack originally: the socket
287 error queue mechanism is just a method to piggyback the timestamp on.
288 In this case, the application can choose to read datagrams with a
289 smaller buffer, possibly even of length 0. The payload is truncated
290 accordingly. Until the process calls recvmsg() on the error queue,
291 however, the full packet is queued, taking up budget from SO_RCVBUF.
292
293
294 2.1.1.5 Blocking Read
295
296 Reading from the error queue is always a non-blocking operation. To
297 block waiting on a timestamp, use poll or select. poll() will return
298 POLLERR in pollfd.revents if any data is ready on the error queue.
299 There is no need to pass this flag in pollfd.events. This flag is
300 ignored on request. See also `man 2 poll`.
301
302
303 2.1.2 Receive timestamps
304
305 On reception, there is no reason to read from the socket error queue.
306 The SCM_TIMESTAMPING ancillary data is sent along with the packet data
307 on a normal recvmsg(). Since this is not a socket error, it is not
308 accompanied by a message SOL_IP(V6)/IP(V6)_RECVERROR. In this case,
309 the meaning of the three fields in struct scm_timestamping is
310 implicitly defined. ts[0] holds a software timestamp if set, ts[1]
311 is again deprecated and ts[2] holds a hardware timestamp if set.
312
313
314 3. Hardware Timestamping configuration: SIOCSHWTSTAMP and SIOCGHWTSTAMP
315
316 Hardware time stamping must also be initialized for each device driver
317 that is expected to do hardware time stamping. The parameter is defined in
318 /include/linux/net_tstamp.h as:
319
320 struct hwtstamp_config {
321         int flags;      /* no flags defined right now, must be zero */
322         int tx_type;    /* HWTSTAMP_TX_* */
323         int rx_filter;  /* HWTSTAMP_FILTER_* */
324 };
325
326 Desired behavior is passed into the kernel and to a specific device by
327 calling ioctl(SIOCSHWTSTAMP) with a pointer to a struct ifreq whose
328 ifr_data points to a struct hwtstamp_config. The tx_type and
329 rx_filter are hints to the driver what it is expected to do. If
330 the requested fine-grained filtering for incoming packets is not
331 supported, the driver may time stamp more than just the requested types
332 of packets.
333
334 A driver which supports hardware time stamping shall update the struct
335 with the actual, possibly more permissive configuration. If the
336 requested packets cannot be time stamped, then nothing should be
337 changed and ERANGE shall be returned (in contrast to EINVAL, which
338 indicates that SIOCSHWTSTAMP is not supported at all).
339
340 Only a processes with admin rights may change the configuration. User
341 space is responsible to ensure that multiple processes don't interfere
342 with each other and that the settings are reset.
343
344 Any process can read the actual configuration by passing this
345 structure to ioctl(SIOCGHWTSTAMP) in the same way.  However, this has
346 not been implemented in all drivers.
347
348 /* possible values for hwtstamp_config->tx_type */
349 enum {
350         /*
351          * no outgoing packet will need hardware time stamping;
352          * should a packet arrive which asks for it, no hardware
353          * time stamping will be done
354          */
355         HWTSTAMP_TX_OFF,
356
357         /*
358          * enables hardware time stamping for outgoing packets;
359          * the sender of the packet decides which are to be
360          * time stamped by setting SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE
361          * before sending the packet
362          */
363         HWTSTAMP_TX_ON,
364 };
365
366 /* possible values for hwtstamp_config->rx_filter */
367 enum {
368         /* time stamp no incoming packet at all */
369         HWTSTAMP_FILTER_NONE,
370
371         /* time stamp any incoming packet */
372         HWTSTAMP_FILTER_ALL,
373
374         /* return value: time stamp all packets requested plus some others */
375         HWTSTAMP_FILTER_SOME,
376
377         /* PTP v1, UDP, any kind of event packet */
378         HWTSTAMP_FILTER_PTP_V1_L4_EVENT,
379
380         /* for the complete list of values, please check
381          * the include file /include/linux/net_tstamp.h
382          */
383 };
384
385 3.1 Hardware Timestamping Implementation: Device Drivers
386
387 A driver which supports hardware time stamping must support the
388 SIOCSHWTSTAMP ioctl and update the supplied struct hwtstamp_config with
389 the actual values as described in the section on SIOCSHWTSTAMP.  It
390 should also support SIOCGHWTSTAMP.
391
392 Time stamps for received packets must be stored in the skb. To get a pointer
393 to the shared time stamp structure of the skb call skb_hwtstamps(). Then
394 set the time stamps in the structure:
395
396 struct skb_shared_hwtstamps {
397         /* hardware time stamp transformed into duration
398          * since arbitrary point in time
399          */
400         ktime_t hwtstamp;
401 };
402
403 Time stamps for outgoing packets are to be generated as follows:
404 - In hard_start_xmit(), check if (skb_shinfo(skb)->tx_flags & SKBTX_HW_TSTAMP)
405   is set no-zero. If yes, then the driver is expected to do hardware time
406   stamping.
407 - If this is possible for the skb and requested, then declare
408   that the driver is doing the time stamping by setting the flag
409   SKBTX_IN_PROGRESS in skb_shinfo(skb)->tx_flags , e.g. with
410
411       skb_shinfo(skb)->tx_flags |= SKBTX_IN_PROGRESS;
412
413   You might want to keep a pointer to the associated skb for the next step
414   and not free the skb. A driver not supporting hardware time stamping doesn't
415   do that. A driver must never touch sk_buff::tstamp! It is used to store
416   software generated time stamps by the network subsystem.
417 - Driver should call skb_tx_timestamp() as close to passing sk_buff to hardware
418   as possible. skb_tx_timestamp() provides a software time stamp if requested
419   and hardware timestamping is not possible (SKBTX_IN_PROGRESS not set).
420 - As soon as the driver has sent the packet and/or obtained a
421   hardware time stamp for it, it passes the time stamp back by
422   calling skb_hwtstamp_tx() with the original skb, the raw
423   hardware time stamp. skb_hwtstamp_tx() clones the original skb and
424   adds the timestamps, therefore the original skb has to be freed now.
425   If obtaining the hardware time stamp somehow fails, then the driver
426   should not fall back to software time stamping. The rationale is that
427   this would occur at a later time in the processing pipeline than other
428   software time stamping and therefore could lead to unexpected deltas
429   between time stamps.