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   1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
   2     Copyright(c) 2017 Intel Corporation.
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   4 Traffic Management API
   5 ======================
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   8 Overview
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  11 This is the generic API for the Quality of Service (QoS) Traffic Management of
  12 Ethernet devices, which includes the following main features: hierarchical
  13 scheduling, traffic shaping, congestion management, packet marking. This API
  14 is agnostic of the underlying HW, SW or mixed HW-SW implementation.
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  16 Main features:
  17
  18 * Part of DPDK rte_ethdev API
  19 * Capability query API per port, per hierarchy level and per hierarchy node
  20 * Scheduling algorithms: Strict Priority (SP), Weighed Fair Queuing (WFQ)
  21 * Traffic shaping: single/dual rate, private (per node) and
  22   shared (by multiple nodes) shapers
  23 * Congestion management for hierarchy leaf nodes: algorithms of tail drop, head
  24   drop, WRED, private (per node) and shared (by multiple nodes) WRED contexts
  25 * Packet marking: IEEE 802.1q (VLAN DEI), IETF RFC 3168 (IPv4/IPv6 ECN for TCP
  26   and SCTP), IETF RFC 2597 (IPv4 / IPv6 DSCP)
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  29 Capability API
  30 --------------
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  32 The aim of these APIs is to advertise the capability information (i.e critical
  33 parameter values) that the TM implementation (HW/SW) is able to support for the
  34 application. The APIs supports the information disclosure at the TM level, at
  35 any hierarchical level of the TM and at any node level of the specific
  36 hierarchical level. Such information helps towards rapid understanding of
  37 whether a specific implementation does meet the needs to the user application.
  38
  39 At the TM level, users can get high level idea with the help of various
  40 parameters such as maximum number of nodes, maximum number of hierarchical
  41 levels, maximum number of shapers, maximum number of private shapers, type of
  42 scheduling algorithm (Strict Priority, Weighted Fair Queuing , etc.), etc.,
  43 supported by the implementation.
  44
  45 Likewise, users can query the capability of the TM at the hierarchical level to
  46 have more granular knowledge about the specific level. The various parameters
  47 such as maximum number of nodes at the level, maximum number of leaf/non-leaf
  48 nodes at the level, type of the shaper(dual rate, single rate) supported at
  49 the level if node is non-leaf type etc., are exposed as a result of
  50 hierarchical level capability query.
  51
  52 Finally, the node level capability API offers knowledge about the capability
  53 supported by the node at any specific level. The information whether the
  54 support is available for private shaper, dual rate shaper, maximum and minimum
  55 shaper rate, etc. is exposed by node level capability API.
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  58 Scheduling Algorithms
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  60
  61 The fundamental scheduling algorithms that are supported are Strict Priority
  62 (SP) and Weighted Fair Queuing (WFQ). The SP and WFQ algorithms are supported
  63 at the level of each node of the scheduling hierarchy, regardless of the node
  64 level/position in the tree. The SP algorithm is used to schedule between
  65 sibling nodes with different priority, while WFQ is used to schedule between
  66 groups of siblings that have the same priority.
  67
  68 Algorithms such as Weighed Round Robin (WRR), byte-level WRR, Deficit WRR
  69 (DWRR), etc are considered approximations of the ideal WFQ and are therefore
  70 assimilated to WFQ, although an associated implementation-dependent accuracy,
  71 performance and resource usage trade-off might exist.
  72
  73
  74 Traffic Shaping
  75 ---------------
  76
  77 The TM API provides support for single rate and dual rate shapers (rate
  78 limiters) for the hierarchy nodes, subject to the specific implementation
  79 support being available.
  80
  81 Each hierarchy node has zero or one private shaper (only one node using it)
  82 and/or zero, one or several shared shapers (multiple nodes use the same shaper
  83 instance). A private shaper is used to perform traffic shaping for a single
  84 node, while a shared shaper is used to perform traffic shaping for a group of
  85 nodes.
  86
  87 The configuration of private and shared shapers is done through the definition
  88 of shaper profiles. Any shaper profile (single rate or dual rate shaper) can be
  89 used by one or several shaper instances (either private or shared).
  90
  91 Single rate shapers use a single token bucket. Therefore, single rate shaper is
  92 configured by setting the rate of the committed bucket to zero, which
  93 effectively disables this bucket. The peak bucket is used to limit the rate
  94 and the burst size for the single rate shaper. Dual rate shapers use both the
  95 committed and the peak token buckets. The rate of the peak bucket has to be
  96 bigger than zero, as well as greater than or equal to the rate of the committed
  97 bucket.
  98
  99
 100 Congestion Management
 101 ---------------------
 102
 103 Congestion management is used to control the admission of packets into a packet
 104 queue or group of packet queues on congestion. The congestion management
 105 algorithms that are supported are: Tail Drop, Head Drop and Weighted Random
 106 Early Detection (WRED). They are made available for every leaf node in the
 107 hierarchy, subject to the specific implementation supporting them.
 108 On request of writing a new packet into the current queue while the queue is
 109 full, the Tail Drop algorithm drops the new packet while leaving the queue
 110 unmodified, as opposed to the Head Drop* algorithm, which drops the packet
 111 at the head of the queue (the oldest packet waiting in the queue) and admits
 112 the new packet at the tail of the queue.
 113
 114 The Random Early Detection (RED) algorithm works by proactively dropping more
 115 and more input packets as the queue occupancy builds up. When the queue is full
 116 or almost full, RED effectively works as Tail Drop. The Weighted RED (WRED)
 117 algorithm uses a separate set of RED thresholds for each packet color and uses
 118 separate set of RED thresholds for each packet color.
 119
 120 Each hierarchy leaf node with WRED enabled as its congestion management mode
 121 has zero or one private WRED context (only one leaf node using it) and/or zero,
 122 one or several shared WRED contexts (multiple leaf nodes use the same WRED
 123 context). A private WRED context is used to perform congestion management for
 124 a single leaf node, while a shared WRED context is used to perform congestion
 125 management for a group of leaf nodes.
 126
 127 The configuration of WRED private and shared contexts is done through the
 128 definition of WRED profiles. Any WRED profile can be used by one or several
 129 WRED contexts (either private or shared).
 130
 131
 132 Packet Marking
 133 --------------
 134 The TM APIs have been provided to support various types of packet marking such
 135 as VLAN DEI packet marking (IEEE 802.1Q), IPv4/IPv6 ECN marking of TCP and SCTP
 136 packets (IETF RFC 3168) and IPv4/IPv6 DSCP packet marking (IETF RFC 2597).
 137 All VLAN frames of a given color get their DEI bit set if marking is enabled
 138 for this color. In case, when marking for a given color is not enabled, the
 139 DEI bit is left as is (either set or not).
 140
 141 All IPv4/IPv6 packets of a given color with ECN set to 2’b01 or 2’b10 carrying
 142 TCP or SCTP have their ECN set to 2’b11 if the marking feature is enabled for
 143 the current color, otherwise the ECN field is left as is.
 144
 145 All IPv4/IPv6 packets have their color marked into DSCP bits 3 and 4 as
 146 follows: green mapped to Low Drop Precedence (2’b01), yellow to Medium (2’b10)
 147 and red to High (2’b11). Marking needs to be explicitly enabled for each color;
 148 when not enabled for a given color, the DSCP field of all packets with that
 149 color is left as is.
 150
 151
 152 Steps to Setup the Hierarchy
 153 ----------------------------
 154
 155 The TM hierarchical tree consists of leaf nodes and non-leaf nodes. Each leaf
 156 node sits on top of a scheduling queue of the current Ethernet port. Therefore,
 157 the leaf nodes have predefined IDs in the range of 0... (N-1), where N is the
 158 number of scheduling queues of the current Ethernet port. The non-leaf nodes
 159 have their IDs generated by the application outside of the above range, which
 160 is reserved for leaf nodes.
 161
 162 Each non-leaf node has multiple inputs (its children nodes) and single output
 163 (which is input to its parent node). It arbitrates its inputs using Strict
 164 Priority (SP) and Weighted Fair Queuing (WFQ) algorithms to schedule input
 165 packets to its output while observing its shaping (rate limiting) constraints.
 166
 167 The children nodes with different priorities are scheduled using the SP
 168 algorithm based on their priority, with 0 as the highest priority. Children
 169 with the same priority are scheduled using the WFQ algorithm according to their
 170 weights. The WFQ weight of a given child node is relative to the sum of the
 171 weights of all its sibling nodes that have the same priority, with 1 as the
 172 lowest weight. For each SP priority, the WFQ weight mode can be set as either
 173 byte-based or packet-based.
 174
 175
 176 Initial Hierarchy Specification
 177 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 178
 179 The hierarchy is specified by incrementally adding nodes to build up the
 180 scheduling tree. The first node that is added to the hierarchy becomes the root
 181 node and all the nodes that are subsequently added have to be added as
 182 descendants of the root node. The parent of the root node has to be specified
 183 as RTE_TM_NODE_ID_NULL and there can only be one node with this parent ID
 184 (i.e. the root node). The unique ID that is assigned to each node when the node
 185 is created is further used to update the node configuration or to connect
 186 children nodes to it.
 187
 188 During this phase, some limited checks on the hierarchy specification can be
 189 conducted, usually limited in scope to the current node, its parent node and
 190 its sibling nodes. At this time, since the hierarchy is not fully defined,
 191 there is typically no real action performed by the underlying implementation.
 192
 193
 194 Hierarchy Commit
 195 ~~~~~~~~~~~~~~~~
 196
 197 The hierarchy commit API is called during the port initialization phase (before
 198 the Ethernet port is started) to freeze the start-up hierarchy.  This function
 199 typically performs the following steps:
 200
 201 * It validates the start-up hierarchy that was previously defined for the
 202   current port through successive node add API invocations.
 203 * Assuming successful validation, it performs all the necessary implementation
 204   specific operations to install the specified hierarchy on the current port,
 205   with immediate effect once the port is started.
 206
 207 This function fails when the currently configured hierarchy is not supported by
 208 the Ethernet port, in which case the user can abort or try out another
 209 hierarchy configuration (e.g. a hierarchy with less leaf nodes), which can be
 210 built from scratch or by modifying the existing hierarchy configuration. Note
 211 that this function can still fail due to other causes (e.g. not enough memory
 212 available in the system, etc.), even though the specified hierarchy is
 213 supported in principle by the current port.
 214
 215
 216 Run-Time Hierarchy Updates
 217 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 218
 219 The TM API provides support for on-the-fly changes to the scheduling hierarchy,
 220 thus operations such as node add/delete, node suspend/resume, parent node
 221 update, etc., can be invoked after the Ethernet port has been started, subject
 222 to the specific implementation supporting them. The set of dynamic updates
 223 supported by the implementation is advertised through the port capability set.