Linux 4.8.3
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / networking / dsa / dsa.txt
blobf20c884c048afe16409a566bb36c589b39864209
1 Distributed Switch Architecture
2 ===============================
4 Introduction
5 ============
7 This document describes the Distributed Switch Architecture (DSA) subsystem
8 design principles, limitations, interactions with other subsystems, and how to
9 develop drivers for this subsystem as well as a TODO for developers interested
10 in joining the effort.
12 Design principles
13 =================
15 The Distributed Switch Architecture is a subsystem which was primarily designed
16 to support Marvell Ethernet switches (MV88E6xxx, a.k.a Linkstreet product line)
17 using Linux, but has since evolved to support other vendors as well.
19 The original philosophy behind this design was to be able to use unmodified
20 Linux tools such as bridge, iproute2, ifconfig to work transparently whether
21 they configured/queried a switch port network device or a regular network
22 device.
24 An Ethernet switch is typically comprised of multiple front-panel ports, and one
25 or more CPU or management port. The DSA subsystem currently relies on the
26 presence of a management port connected to an Ethernet controller capable of
27 receiving Ethernet frames from the switch. This is a very common setup for all
28 kinds of Ethernet switches found in Small Home and Office products: routers,
29 gateways, or even top-of-the rack switches. This host Ethernet controller will
30 be later referred to as "master" and "cpu" in DSA terminology and code.
32 The D in DSA stands for Distributed, because the subsystem has been designed
33 with the ability to configure and manage cascaded switches on top of each other
34 using upstream and downstream Ethernet links between switches. These specific
35 ports are referred to as "dsa" ports in DSA terminology and code. A collection
36 of multiple switches connected to each other is called a "switch tree".
38 For each front-panel port, DSA will create specialized network devices which are
39 used as controlling and data-flowing endpoints for use by the Linux networking
40 stack. These specialized network interfaces are referred to as "slave" network
41 interfaces in DSA terminology and code.
43 The ideal case for using DSA is when an Ethernet switch supports a "switch tag"
44 which is a hardware feature making the switch insert a specific tag for each
45 Ethernet frames it received to/from specific ports to help the management
46 interface figure out:
48 - what port is this frame coming from
49 - what was the reason why this frame got forwarded
50 - how to send CPU originated traffic to specific ports
52 The subsystem does support switches not capable of inserting/stripping tags, but
53 the features might be slightly limited in that case (traffic separation relies
54 on Port-based VLAN IDs).
56 Note that DSA does not currently create network interfaces for the "cpu" and
57 "dsa" ports because:
59 - the "cpu" port is the Ethernet switch facing side of the management
60   controller, and as such, would create a duplication of feature, since you
61   would get two interfaces for the same conduit: master netdev, and "cpu" netdev
63 - the "dsa" port(s) are just conduits between two or more switches, and as such
64   cannot really be used as proper network interfaces either, only the
65   downstream, or the top-most upstream interface makes sense with that model
67 Switch tagging protocols
68 ------------------------
70 DSA currently supports 4 different tagging protocols, and a tag-less mode as
71 well. The different protocols are implemented in:
73 net/dsa/tag_trailer.c: Marvell's 4 trailer tag mode (legacy)
74 net/dsa/tag_dsa.c: Marvell's original DSA tag
75 net/dsa/tag_edsa.c: Marvell's enhanced DSA tag
76 net/dsa/tag_brcm.c: Broadcom's 4 bytes tag
78 The exact format of the tag protocol is vendor specific, but in general, they
79 all contain something which:
81 - identifies which port the Ethernet frame came from/should be sent to
82 - provides a reason why this frame was forwarded to the management interface
84 Master network devices
85 ----------------------
87 Master network devices are regular, unmodified Linux network device drivers for
88 the CPU/management Ethernet interface. Such a driver might occasionally need to
89 know whether DSA is enabled (e.g.: to enable/disable specific offload features),
90 but the DSA subsystem has been proven to work with industry standard drivers:
91 e1000e, mv643xx_eth etc. without having to introduce modifications to these
92 drivers. Such network devices are also often referred to as conduit network
93 devices since they act as a pipe between the host processor and the hardware
94 Ethernet switch.
96 Networking stack hooks
97 ----------------------
99 When a master netdev is used with DSA, a small hook is placed in in the
100 networking stack is in order to have the DSA subsystem process the Ethernet
101 switch specific tagging protocol. DSA accomplishes this by registering a
102 specific (and fake) Ethernet type (later becoming skb->protocol) with the
103 networking stack, this is also known as a ptype or packet_type. A typical
104 Ethernet Frame receive sequence looks like this:
106 Master network device (e.g.: e1000e):
108 Receive interrupt fires:
109 - receive function is invoked
110 - basic packet processing is done: getting length, status etc.
111 - packet is prepared to be processed by the Ethernet layer by calling
112   eth_type_trans
114 net/ethernet/eth.c:
116 eth_type_trans(skb, dev)
117         if (dev->dsa_ptr != NULL)
118                 -> skb->protocol = ETH_P_XDSA
120 drivers/net/ethernet/*:
122 netif_receive_skb(skb)
123         -> iterate over registered packet_type
124                 -> invoke handler for ETH_P_XDSA, calls dsa_switch_rcv()
126 net/dsa/dsa.c:
127         -> dsa_switch_rcv()
128                 -> invoke switch tag specific protocol handler in
129                    net/dsa/tag_*.c
131 net/dsa/tag_*.c:
132         -> inspect and strip switch tag protocol to determine originating port
133         -> locate per-port network device
134         -> invoke eth_type_trans() with the DSA slave network device
135         -> invoked netif_receive_skb()
137 Past this point, the DSA slave network devices get delivered regular Ethernet
138 frames that can be processed by the networking stack.
140 Slave network devices
141 ---------------------
143 Slave network devices created by DSA are stacked on top of their master network
144 device, each of these network interfaces will be responsible for being a
145 controlling and data-flowing end-point for each front-panel port of the switch.
146 These interfaces are specialized in order to:
148 - insert/remove the switch tag protocol (if it exists) when sending traffic
149   to/from specific switch ports
150 - query the switch for ethtool operations: statistics, link state,
151   Wake-on-LAN, register dumps...
152 - external/internal PHY management: link, auto-negotiation etc.
154 These slave network devices have custom net_device_ops and ethtool_ops function
155 pointers which allow DSA to introduce a level of layering between the networking
156 stack/ethtool, and the switch driver implementation.
158 Upon frame transmission from these slave network devices, DSA will look up which
159 switch tagging protocol is currently registered with these network devices, and
160 invoke a specific transmit routine which takes care of adding the relevant
161 switch tag in the Ethernet frames.
163 These frames are then queued for transmission using the master network device
164 ndo_start_xmit() function, since they contain the appropriate switch tag, the
165 Ethernet switch will be able to process these incoming frames from the
166 management interface and delivers these frames to the physical switch port.
168 Graphical representation
169 ------------------------
171 Summarized, this is basically how DSA looks like from a network device
172 perspective:
175                         |---------------------------
176                         | CPU network device (eth0)|
177                         ----------------------------
178                         | <tag added by switch     |
179                         |                          |
180                         |                          |
181                         |        tag added by CPU> |
182                 |--------------------------------------------|
183                 | Switch driver                              |
184                 |--------------------------------------------|
185                     ||        ||         ||
186                 |-------|  |-------|  |-------|
187                 | sw0p0 |  | sw0p1 |  | sw0p2 |
188                 |-------|  |-------|  |-------|
190 Slave MDIO bus
191 --------------
193 In order to be able to read to/from a switch PHY built into it, DSA creates a
194 slave MDIO bus which allows a specific switch driver to divert and intercept
195 MDIO reads/writes towards specific PHY addresses. In most MDIO-connected
196 switches, these functions would utilize direct or indirect PHY addressing mode
197 to return standard MII registers from the switch builtin PHYs, allowing the PHY
198 library and/or to return link status, link partner pages, auto-negotiation
199 results etc..
201 For Ethernet switches which have both external and internal MDIO busses, the
202 slave MII bus can be utilized to mux/demux MDIO reads and writes towards either
203 internal or external MDIO devices this switch might be connected to: internal
204 PHYs, external PHYs, or even external switches.
206 Data structures
207 ---------------
209 DSA data structures are defined in include/net/dsa.h as well as
210 net/dsa/dsa_priv.h.
212 dsa_chip_data: platform data configuration for a given switch device, this
213 structure describes a switch device's parent device, its address, as well as
214 various properties of its ports: names/labels, and finally a routing table
215 indication (when cascading switches)
217 dsa_platform_data: platform device configuration data which can reference a
218 collection of dsa_chip_data structure if multiples switches are cascaded, the
219 master network device this switch tree is attached to needs to be referenced
221 dsa_switch_tree: structure assigned to the master network device under
222 "dsa_ptr", this structure references a dsa_platform_data structure as well as
223 the tagging protocol supported by the switch tree, and which receive/transmit
224 function hooks should be invoked, information about the directly attached switch
225 is also provided: CPU port. Finally, a collection of dsa_switch are referenced
226 to address individual switches in the tree.
228 dsa_switch: structure describing a switch device in the tree, referencing a
229 dsa_switch_tree as a backpointer, slave network devices, master network device,
230 and a reference to the backing dsa_switch_driver
232 dsa_switch_driver: structure referencing function pointers, see below for a full
233 description.
235 Design limitations
236 ==================
238 DSA is a platform device driver
239 -------------------------------
241 DSA is implemented as a DSA platform device driver which is convenient because
242 it will register the entire DSA switch tree attached to a master network device
243 in one-shot, facilitating the device creation and simplifying the device driver
244 model a bit, this comes however with a number of limitations:
246 - building DSA and its switch drivers as modules is currently not working
247 - the device driver parenting does not necessarily reflect the original
248   bus/device the switch can be created from
249 - supporting non-MDIO and non-MMIO (platform) switches is not possible
251 Limits on the number of devices and ports
252 -----------------------------------------
254 DSA currently limits the number of maximum switches within a tree to 4
255 (DSA_MAX_SWITCHES), and the number of ports per switch to 12 (DSA_MAX_PORTS).
256 These limits could be extended to support larger configurations would this need
257 arise.
259 Lack of CPU/DSA network devices
260 -------------------------------
262 DSA does not currently create slave network devices for the CPU or DSA ports, as
263 described before. This might be an issue in the following cases:
265 - inability to fetch switch CPU port statistics counters using ethtool, which
266   can make it harder to debug MDIO switch connected using xMII interfaces
268 - inability to configure the CPU port link parameters based on the Ethernet
269   controller capabilities attached to it: http://patchwork.ozlabs.org/patch/509806/
271 - inability to configure specific VLAN IDs / trunking VLANs between switches
272   when using a cascaded setup
274 Common pitfalls using DSA setups
275 --------------------------------
277 Once a master network device is configured to use DSA (dev->dsa_ptr becomes
278 non-NULL), and the switch behind it expects a tagging protocol, this network
279 interface can only exclusively be used as a conduit interface. Sending packets
280 directly through this interface (e.g.: opening a socket using this interface)
281 will not make us go through the switch tagging protocol transmit function, so
282 the Ethernet switch on the other end, expecting a tag will typically drop this
283 frame.
285 Slave network devices check that the master network device is UP before allowing
286 you to administratively bring UP these slave network devices. A common
287 configuration mistake is forgetting to bring UP the master network device first.
289 Interactions with other subsystems
290 ==================================
292 DSA currently leverages the following subsystems:
294 - MDIO/PHY library: drivers/net/phy/phy.c, mdio_bus.c
295 - Switchdev: net/switchdev/*
296 - Device Tree for various of_* functions
297 - HWMON: drivers/hwmon/*
299 MDIO/PHY library
300 ----------------
302 Slave network devices exposed by DSA may or may not be interfacing with PHY
303 devices (struct phy_device as defined in include/linux/phy.h), but the DSA
304 subsystem deals with all possible combinations:
306 - internal PHY devices, built into the Ethernet switch hardware
307 - external PHY devices, connected via an internal or external MDIO bus
308 - internal PHY devices, connected via an internal MDIO bus
309 - special, non-autonegotiated or non MDIO-managed PHY devices: SFPs, MoCA; a.k.a
310   fixed PHYs
312 The PHY configuration is done by the dsa_slave_phy_setup() function and the
313 logic basically looks like this:
315 - if Device Tree is used, the PHY device is looked up using the standard
316   "phy-handle" property, if found, this PHY device is created and registered
317   using of_phy_connect()
319 - if Device Tree is used, and the PHY device is "fixed", that is, conforms to
320   the definition of a non-MDIO managed PHY as defined in
321   Documentation/devicetree/bindings/net/fixed-link.txt, the PHY is registered
322   and connected transparently using the special fixed MDIO bus driver
324 - finally, if the PHY is built into the switch, as is very common with
325   standalone switch packages, the PHY is probed using the slave MII bus created
326   by DSA
329 SWITCHDEV
330 ---------
332 DSA directly utilizes SWITCHDEV when interfacing with the bridge layer, and
333 more specifically with its VLAN filtering portion when configuring VLANs on top
334 of per-port slave network devices. Since DSA primarily deals with
335 MDIO-connected switches, although not exclusively, SWITCHDEV's
336 prepare/abort/commit phases are often simplified into a prepare phase which
337 checks whether the operation is supported by the DSA switch driver, and a commit
338 phase which applies the changes.
340 As of today, the only SWITCHDEV objects supported by DSA are the FDB and VLAN
341 objects.
343 Device Tree
344 -----------
346 DSA features a standardized binding which is documented in
347 Documentation/devicetree/bindings/net/dsa/dsa.txt. PHY/MDIO library helper
348 functions such as of_get_phy_mode(), of_phy_connect() are also used to query
349 per-port PHY specific details: interface connection, MDIO bus location etc..
351 HWMON
352 -----
354 Some switch drivers feature internal temperature sensors which are exposed as
355 regular HWMON devices in /sys/class/hwmon/.
357 Driver development
358 ==================
360 DSA switch drivers need to implement a dsa_switch_driver structure which will
361 contain the various members described below.
363 register_switch_driver() registers this dsa_switch_driver in its internal list
364 of drivers to probe for. unregister_switch_driver() does the exact opposite.
366 Unless requested differently by setting the priv_size member accordingly, DSA
367 does not allocate any driver private context space.
369 Switch configuration
370 --------------------
372 - tag_protocol: this is to indicate what kind of tagging protocol is supported,
373   should be a valid value from the dsa_tag_protocol enum
375 - probe: probe routine which will be invoked by the DSA platform device upon
376   registration to test for the presence/absence of a switch device. For MDIO
377   devices, it is recommended to issue a read towards internal registers using
378   the switch pseudo-PHY and return whether this is a supported device. For other
379   buses, return a non-NULL string
381 - setup: setup function for the switch, this function is responsible for setting
382   up the dsa_switch_driver private structure with all it needs: register maps,
383   interrupts, mutexes, locks etc.. This function is also expected to properly
384   configure the switch to separate all network interfaces from each other, that
385   is, they should be isolated by the switch hardware itself, typically by creating
386   a Port-based VLAN ID for each port and allowing only the CPU port and the
387   specific port to be in the forwarding vector. Ports that are unused by the
388   platform should be disabled. Past this function, the switch is expected to be
389   fully configured and ready to serve any kind of request. It is recommended
390   to issue a software reset of the switch during this setup function in order to
391   avoid relying on what a previous software agent such as a bootloader/firmware
392   may have previously configured.
394 - set_addr: Some switches require the programming of the management interface's
395   Ethernet MAC address, switch drivers can also disable ageing of MAC addresses
396   on the management interface and "hardcode"/"force" this MAC address for the
397   CPU/management interface as an optimization
399 PHY devices and link management
400 -------------------------------
402 - get_phy_flags: Some switches are interfaced to various kinds of Ethernet PHYs,
403   if the PHY library PHY driver needs to know about information it cannot obtain
404   on its own (e.g.: coming from switch memory mapped registers), this function
405   should return a 32-bits bitmask of "flags", that is private between the switch
406   driver and the Ethernet PHY driver in drivers/net/phy/*.
408 - phy_read: Function invoked by the DSA slave MDIO bus when attempting to read
409   the switch port MDIO registers. If unavailable, return 0xffff for each read.
410   For builtin switch Ethernet PHYs, this function should allow reading the link
411   status, auto-negotiation results, link partner pages etc..
413 - phy_write: Function invoked by the DSA slave MDIO bus when attempting to write
414   to the switch port MDIO registers. If unavailable return a negative error
415   code.
417 - adjust_link: Function invoked by the PHY library when a slave network device
418   is attached to a PHY device. This function is responsible for appropriately
419   configuring the switch port link parameters: speed, duplex, pause based on
420   what the phy_device is providing.
422 - fixed_link_update: Function invoked by the PHY library, and specifically by
423   the fixed PHY driver asking the switch driver for link parameters that could
424   not be auto-negotiated, or obtained by reading the PHY registers through MDIO.
425   This is particularly useful for specific kinds of hardware such as QSGMII,
426   MoCA or other kinds of non-MDIO managed PHYs where out of band link
427   information is obtained
429 Ethtool operations
430 ------------------
432 - get_strings: ethtool function used to query the driver's strings, will
433   typically return statistics strings, private flags strings etc.
435 - get_ethtool_stats: ethtool function used to query per-port statistics and
436   return their values. DSA overlays slave network devices general statistics:
437   RX/TX counters from the network device, with switch driver specific statistics
438   per port
440 - get_sset_count: ethtool function used to query the number of statistics items
442 - get_wol: ethtool function used to obtain Wake-on-LAN settings per-port, this
443   function may, for certain implementations also query the master network device
444   Wake-on-LAN settings if this interface needs to participate in Wake-on-LAN
446 - set_wol: ethtool function used to configure Wake-on-LAN settings per-port,
447   direct counterpart to set_wol with similar restrictions
449 - set_eee: ethtool function which is used to configure a switch port EEE (Green
450   Ethernet) settings, can optionally invoke the PHY library to enable EEE at the
451   PHY level if relevant. This function should enable EEE at the switch port MAC
452   controller and data-processing logic
454 - get_eee: ethtool function which is used to query a switch port EEE settings,
455   this function should return the EEE state of the switch port MAC controller
456   and data-processing logic as well as query the PHY for its currently configured
457   EEE settings
459 - get_eeprom_len: ethtool function returning for a given switch the EEPROM
460   length/size in bytes
462 - get_eeprom: ethtool function returning for a given switch the EEPROM contents
464 - set_eeprom: ethtool function writing specified data to a given switch EEPROM
466 - get_regs_len: ethtool function returning the register length for a given
467   switch
469 - get_regs: ethtool function returning the Ethernet switch internal register
470   contents. This function might require user-land code in ethtool to
471   pretty-print register values and registers
473 Power management
474 ----------------
476 - suspend: function invoked by the DSA platform device when the system goes to
477   suspend, should quiesce all Ethernet switch activities, but keep ports
478   participating in Wake-on-LAN active as well as additional wake-up logic if
479   supported
481 - resume: function invoked by the DSA platform device when the system resumes,
482   should resume all Ethernet switch activities and re-configure the switch to be
483   in a fully active state
485 - port_enable: function invoked by the DSA slave network device ndo_open
486   function when a port is administratively brought up, this function should be
487   fully enabling a given switch port. DSA takes care of marking the port with
488   BR_STATE_BLOCKING if the port is a bridge member, or BR_STATE_FORWARDING if it
489   was not, and propagating these changes down to the hardware
491 - port_disable: function invoked by the DSA slave network device ndo_close
492   function when a port is administratively brought down, this function should be
493   fully disabling a given switch port. DSA takes care of marking the port with
494   BR_STATE_DISABLED and propagating changes to the hardware if this port is
495   disabled while being a bridge member
497 Hardware monitoring
498 -------------------
500 These callbacks are only available if CONFIG_NET_DSA_HWMON is enabled:
502 - get_temp: this function queries the given switch for its temperature
504 - get_temp_limit: this function returns the switch current maximum temperature
505   limit
507 - set_temp_limit: this function configures the maximum temperature limit allowed
509 - get_temp_alarm: this function returns the critical temperature threshold
510   returning an alarm notification
512 See Documentation/hwmon/sysfs-interface for details.
514 Bridge layer
515 ------------
517 - port_bridge_join: bridge layer function invoked when a given switch port is
518   added to a bridge, this function should be doing the necessary at the switch
519   level to permit the joining port from being added to the relevant logical
520   domain for it to ingress/egress traffic with other members of the bridge.
522 - port_bridge_leave: bridge layer function invoked when a given switch port is
523   removed from a bridge, this function should be doing the necessary at the
524   switch level to deny the leaving port from ingress/egress traffic from the
525   remaining bridge members. When the port leaves the bridge, it should be aged
526   out at the switch hardware for the switch to (re) learn MAC addresses behind
527   this port.
529 - port_stp_state_set: bridge layer function invoked when a given switch port STP
530   state is computed by the bridge layer and should be propagated to switch
531   hardware to forward/block/learn traffic. The switch driver is responsible for
532   computing a STP state change based on current and asked parameters and perform
533   the relevant ageing based on the intersection results
535 Bridge VLAN filtering
536 ---------------------
538 - port_vlan_filtering: bridge layer function invoked when the bridge gets
539   configured for turning on or off VLAN filtering. If nothing specific needs to
540   be done at the hardware level, this callback does not need to be implemented.
541   When VLAN filtering is turned on, the hardware must be programmed with
542   rejecting 802.1Q frames which have VLAN IDs outside of the programmed allowed
543   VLAN ID map/rules.  If there is no PVID programmed into the switch port,
544   untagged frames must be rejected as well. When turned off the switch must
545   accept any 802.1Q frames irrespective of their VLAN ID, and untagged frames are
546   allowed.
548 - port_vlan_prepare: bridge layer function invoked when the bridge prepares the
549   configuration of a VLAN on the given port. If the operation is not supported
550   by the hardware, this function should return -EOPNOTSUPP to inform the bridge
551   code to fallback to a software implementation. No hardware setup must be done
552   in this function. See port_vlan_add for this and details.
554 - port_vlan_add: bridge layer function invoked when a VLAN is configured
555   (tagged or untagged) for the given switch port
557 - port_vlan_del: bridge layer function invoked when a VLAN is removed from the
558   given switch port
560 - port_vlan_dump: bridge layer function invoked with a switchdev callback
561   function that the driver has to call for each VLAN the given port is a member
562   of. A switchdev object is used to carry the VID and bridge flags.
564 - port_fdb_prepare: bridge layer function invoked when the bridge prepares the
565   installation of a Forwarding Database entry. If the operation is not
566   supported, this function should return -EOPNOTSUPP to inform the bridge code
567   to fallback to a software implementation. No hardware setup must be done in
568   this function. See port_fdb_add for this and details.
570 - port_fdb_add: bridge layer function invoked when the bridge wants to install a
571   Forwarding Database entry, the switch hardware should be programmed with the
572   specified address in the specified VLAN Id in the forwarding database
573   associated with this VLAN ID
575 Note: VLAN ID 0 corresponds to the port private database, which, in the context
576 of DSA, would be the its port-based VLAN, used by the associated bridge device.
578 - port_fdb_del: bridge layer function invoked when the bridge wants to remove a
579   Forwarding Database entry, the switch hardware should be programmed to delete
580   the specified MAC address from the specified VLAN ID if it was mapped into
581   this port forwarding database
583 - port_fdb_dump: bridge layer function invoked with a switchdev callback
584   function that the driver has to call for each MAC address known to be behind
585   the given port. A switchdev object is used to carry the VID and FDB info.
587 TODO
588 ====
590 Making SWITCHDEV and DSA converge towards an unified codebase
591 -------------------------------------------------------------
593 SWITCHDEV properly takes care of abstracting the networking stack with offload
594 capable hardware, but does not enforce a strict switch device driver model. On
595 the other DSA enforces a fairly strict device driver model, and deals with most
596 of the switch specific. At some point we should envision a merger between these
597 two subsystems and get the best of both worlds.
599 Other hanging fruits
600 --------------------
602 - making the number of ports fully dynamic and not dependent on DSA_MAX_PORTS
603 - allowing more than one CPU/management interface:
604   http://comments.gmane.org/gmane.linux.network/365657
605 - porting more drivers from other vendors:
606   http://comments.gmane.org/gmane.linux.network/365510