Documentation/networking/checksum-offloads.rst

   1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
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   3 =================
   4 Checksum Offloads
   5 =================
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   8 Introduction
   9 ============
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  11 This document describes a set of techniques in the Linux networking stack to
  12 take advantage of checksum offload capabilities of various NICs.
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  14 The following technologies are described:
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  16 * TX Checksum Offload
  17 * LCO: Local Checksum Offload
  18 * RCO: Remote Checksum Offload
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  20 Things that should be documented here but aren't yet:
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  22 * RX Checksum Offload
  23 * CHECKSUM_UNNECESSARY conversion
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  26 TX Checksum Offload
  27 ===================
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  29 The interface for offloading a transmit checksum to a device is explained in
  30 detail in comments near the top of include/linux/skbuff.h.
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  32 In brief, it allows to request the device fill in a single ones-complement
  33 checksum defined by the sk_buff fields skb->csum_start and skb->csum_offset.
  34 The device should compute the 16-bit ones-complement checksum (i.e. the
  35 'IP-style' checksum) from csum_start to the end of the packet, and fill in the
  36 result at (csum_start + csum_offset).
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  38 Because csum_offset cannot be negative, this ensures that the previous value of
  39 the checksum field is included in the checksum computation, thus it can be used
  40 to supply any needed corrections to the checksum (such as the sum of the
  41 pseudo-header for UDP or TCP).
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  43 This interface only allows a single checksum to be offloaded.  Where
  44 encapsulation is used, the packet may have multiple checksum fields in
  45 different header layers, and the rest will have to be handled by another
  46 mechanism such as LCO or RCO.
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  48 CRC32c can also be offloaded using this interface, by means of filling
  49 skb->csum_start and skb->csum_offset as described above, and setting
  50 skb->csum_not_inet: see skbuff.h comment (section 'D') for more details.
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  52 No offloading of the IP header checksum is performed; it is always done in
  53 software.  This is OK because when we build the IP header, we obviously have it
  54 in cache, so summing it isn't expensive.  It's also rather short.
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  56 The requirements for GSO are more complicated, because when segmenting an
  57 encapsulated packet both the inner and outer checksums may need to be edited or
  58 recomputed for each resulting segment.  See the skbuff.h comment (section 'E')
  59 for more details.
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  61 A driver declares its offload capabilities in netdev->hw_features; see
  62 Documentation/networking/netdev-features.txt for more.  Note that a device
  63 which only advertises NETIF_F_IP[V6]_CSUM must still obey the csum_start and
  64 csum_offset given in the SKB; if it tries to deduce these itself in hardware
  65 (as some NICs do) the driver should check that the values in the SKB match
  66 those which the hardware will deduce, and if not, fall back to checksumming in
  67 software instead (with skb_csum_hwoffload_help() or one of the
  68 skb_checksum_help() / skb_crc32c_csum_help functions, as mentioned in
  69 include/linux/skbuff.h).
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  71 The stack should, for the most part, assume that checksum offload is supported
  72 by the underlying device.  The only place that should check is
  73 validate_xmit_skb(), and the functions it calls directly or indirectly.  That
  74 function compares the offload features requested by the SKB (which may include
  75 other offloads besides TX Checksum Offload) and, if they are not supported or
  76 enabled on the device (determined by netdev->features), performs the
  77 corresponding offload in software.  In the case of TX Checksum Offload, that
  78 means calling skb_csum_hwoffload_help(skb, features).
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  81 LCO: Local Checksum Offload
  82 ===========================
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  84 LCO is a technique for efficiently computing the outer checksum of an
  85 encapsulated datagram when the inner checksum is due to be offloaded.
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  87 The ones-complement sum of a correctly checksummed TCP or UDP packet is equal
  88 to the complement of the sum of the pseudo header, because everything else gets
  89 'cancelled out' by the checksum field.  This is because the sum was
  90 complemented before being written to the checksum field.
  91
  92 More generally, this holds in any case where the 'IP-style' ones complement
  93 checksum is used, and thus any checksum that TX Checksum Offload supports.
  94
  95 That is, if we have set up TX Checksum Offload with a start/offset pair, we
  96 know that after the device has filled in that checksum, the ones complement sum
  97 from csum_start to the end of the packet will be equal to the complement of
  98 whatever value we put in the checksum field beforehand.  This allows us to
  99 compute the outer checksum without looking at the payload: we simply stop
 100 summing when we get to csum_start, then add the complement of the 16-bit word
 101 at (csum_start + csum_offset).
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 103 Then, when the true inner checksum is filled in (either by hardware or by
 104 skb_checksum_help()), the outer checksum will become correct by virtue of the
 105 arithmetic.
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 107 LCO is performed by the stack when constructing an outer UDP header for an
 108 encapsulation such as VXLAN or GENEVE, in udp_set_csum().  Similarly for the
 109 IPv6 equivalents, in udp6_set_csum().
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 111 It is also performed when constructing an IPv4 GRE header, in
 112 net/ipv4/ip_gre.c:build_header().  It is *not* currently performed when
 113 constructing an IPv6 GRE header; the GRE checksum is computed over the whole
 114 packet in net/ipv6/ip6_gre.c:ip6gre_xmit2(), but it should be possible to use
 115 LCO here as IPv6 GRE still uses an IP-style checksum.
 116
 117 All of the LCO implementations use a helper function lco_csum(), in
 118 include/linux/skbuff.h.
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 120 LCO can safely be used for nested encapsulations; in this case, the outer
 121 encapsulation layer will sum over both its own header and the 'middle' header.
 122 This does mean that the 'middle' header will get summed multiple times, but
 123 there doesn't seem to be a way to avoid that without incurring bigger costs
 124 (e.g. in SKB bloat).
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 127 RCO: Remote Checksum Offload
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 130 RCO is a technique for eliding the inner checksum of an encapsulated datagram,
 131 allowing the outer checksum to be offloaded.  It does, however, involve a
 132 change to the encapsulation protocols, which the receiver must also support.
 133 For this reason, it is disabled by default.
 134
 135 RCO is detailed in the following Internet-Drafts:
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 137 * https://tools.ietf.org/html/draft-herbert-remotecsumoffload-00
 138 * https://tools.ietf.org/html/draft-herbert-vxlan-rco-00
 139
 140 In Linux, RCO is implemented individually in each encapsulation protocol, and
 141 most tunnel types have flags controlling its use.  For instance, VXLAN has the
 142 flag VXLAN_F_REMCSUM_TX (per struct vxlan_rdst) to indicate that RCO should be
 143 used when transmitting to a given remote destination.