Linux 4.8.3
[linux/fpc-iii.git] / Documentation / networking / timestamping.txt
blob671cccf0dcd2677eaa04789f25de11700c6fd65b
2 1. Control Interfaces
4 The interfaces for receiving network packages timestamps are:
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).
11 * SO_TIMESTAMPNS
12   Same timestamping mechanism as SO_TIMESTAMP, but reports the
13   timestamp as struct timespec (nsec resolution).
15 * IP_MULTICAST_LOOP + SO_TIMESTAMP[NS]
16   Only for multicast:approximate transmit timestamp obtained by
17   reading the looped packet receive timestamp.
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.
25 1.1 SO_TIMESTAMP:
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.
32 For interface details, see `man 7 socket`.
35 1.2 SO_TIMESTAMPNS:
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).
42 1.3 SO_TIMESTAMPING:
44 Supports multiple types of timestamp requests. As a result, this
45 socket option takes a bitmap of flags, not a boolean. In
47   err = setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_TIMESTAMPING, (void *) val,
48                    sizeof(val));
50 val is an integer with any of the following bits set. Setting other
51 bit returns EINVAL and does not change the current state.
53 The socket option configures timestamp generation for individual
54 sk_buffs (1.3.1), timestamp reporting to the socket's error
55 queue (1.3.2) and options (1.3.3). Timestamp generation can also
56 be enabled for individual sendmsg calls using cmsg (1.3.4).
59 1.3.1 Timestamp Generation
61 Some bits are requests to the stack to try to generate timestamps. Any
62 combination of them is valid. Changes to these bits apply to newly
63 created packets, not to packets already in the stack. As a result, it
64 is possible to selectively request timestamps for a subset of packets
65 (e.g., for sampling) by embedding an send() call within two setsockopt
66 calls, one to enable timestamp generation and one to disable it.
67 Timestamps may also be generated for reasons other than being
68 requested by a particular socket, such as when receive timestamping is
69 enabled system wide, as explained earlier.
71 SOF_TIMESTAMPING_RX_HARDWARE:
72   Request rx timestamps generated by the network adapter.
74 SOF_TIMESTAMPING_RX_SOFTWARE:
75   Request rx timestamps when data enters the kernel. These timestamps
76   are generated just after a device driver hands a packet to the
77   kernel receive stack.
79 SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE:
80   Request tx timestamps generated by the network adapter. This flag
81   can be enabled via both socket options and control messages.
83 SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE:
84   Request tx timestamps when data leaves the kernel. These timestamps
85   are generated in the device driver as close as possible, but always
86   prior to, passing the packet to the network interface. Hence, they
87   require driver support and may not be available for all devices.
88   This flag can be enabled via both socket options and control messages.
91 SOF_TIMESTAMPING_TX_SCHED:
92   Request tx timestamps prior to entering the packet scheduler. Kernel
93   transmit latency is, if long, often dominated by queuing delay. The
94   difference between this timestamp and one taken at
95   SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE will expose this latency independent
96   of protocol processing. The latency incurred in protocol
97   processing, if any, can be computed by subtracting a userspace
98   timestamp taken immediately before send() from this timestamp. On
99   machines with virtual devices where a transmitted packet travels
100   through multiple devices and, hence, multiple packet schedulers,
101   a timestamp is generated at each layer. This allows for fine
102   grained measurement of queuing delay. This flag can be enabled
103   via both socket options and control messages.
105 SOF_TIMESTAMPING_TX_ACK:
106   Request tx timestamps when all data in the send buffer has been
107   acknowledged. This only makes sense for reliable protocols. It is
108   currently only implemented for TCP. For that protocol, it may
109   over-report measurement, because the timestamp is generated when all
110   data up to and including the buffer at send() was acknowledged: the
111   cumulative acknowledgment. The mechanism ignores SACK and FACK.
112   This flag can be enabled via both socket options and control messages.
115 1.3.2 Timestamp Reporting
117 The other three bits control which timestamps will be reported in a
118 generated control message. Changes to the bits take immediate
119 effect at the timestamp reporting locations in the stack. Timestamps
120 are only reported for packets that also have the relevant timestamp
121 generation request set.
123 SOF_TIMESTAMPING_SOFTWARE:
124   Report any software timestamps when available.
126 SOF_TIMESTAMPING_SYS_HARDWARE:
127   This option is deprecated and ignored.
129 SOF_TIMESTAMPING_RAW_HARDWARE:
130   Report hardware timestamps as generated by
131   SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE when available.
134 1.3.3 Timestamp Options
136 The interface supports the options
138 SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID:
140   Generate a unique identifier along with each packet. A process can
141   have multiple concurrent timestamping requests outstanding. Packets
142   can be reordered in the transmit path, for instance in the packet
143   scheduler. In that case timestamps will be queued onto the error
144   queue out of order from the original send() calls. It is not always
145   possible to uniquely match timestamps to the original send() calls
146   based on timestamp order or payload inspection alone, then.
148   This option associates each packet at send() with a unique
149   identifier and returns that along with the timestamp. The identifier
150   is derived from a per-socket u32 counter (that wraps). For datagram
151   sockets, the counter increments with each sent packet. For stream
152   sockets, it increments with every byte.
154   The counter starts at zero. It is initialized the first time that
155   the socket option is enabled. It is reset each time the option is
156   enabled after having been disabled. Resetting the counter does not
157   change the identifiers of existing packets in the system.
159   This option is implemented only for transmit timestamps. There, the
160   timestamp is always looped along with a struct sock_extended_err.
161   The option modifies field ee_data to pass an id that is unique
162   among all possibly concurrently outstanding timestamp requests for
163   that socket.
166 SOF_TIMESTAMPING_OPT_CMSG:
168   Support recv() cmsg for all timestamped packets. Control messages
169   are already supported unconditionally on all packets with receive
170   timestamps and on IPv6 packets with transmit timestamp. This option
171   extends them to IPv4 packets with transmit timestamp. One use case
172   is to correlate packets with their egress device, by enabling socket
173   option IP_PKTINFO simultaneously.
176 SOF_TIMESTAMPING_OPT_TSONLY:
178   Applies to transmit timestamps only. Makes the kernel return the
179   timestamp as a cmsg alongside an empty packet, as opposed to
180   alongside the original packet. This reduces the amount of memory
181   charged to the socket's receive budget (SO_RCVBUF) and delivers
182   the timestamp even if sysctl net.core.tstamp_allow_data is 0.
183   This option disables SOF_TIMESTAMPING_OPT_CMSG.
186 New applications are encouraged to pass SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID to
187 disambiguate timestamps and SOF_TIMESTAMPING_OPT_TSONLY to operate
188 regardless of the setting of sysctl net.core.tstamp_allow_data.
190 An exception is when a process needs additional cmsg data, for
191 instance SOL_IP/IP_PKTINFO to detect the egress network interface.
192 Then pass option SOF_TIMESTAMPING_OPT_CMSG. This option depends on
193 having access to the contents of the original packet, so cannot be
194 combined with SOF_TIMESTAMPING_OPT_TSONLY.
197 1.3.4. Enabling timestamps via control messages
199 In addition to socket options, timestamp generation can be requested
200 per write via cmsg, only for SOF_TIMESTAMPING_TX_* (see Section 1.3.1).
201 Using this feature, applications can sample timestamps per sendmsg()
202 without paying the overhead of enabling and disabling timestamps via
203 setsockopt:
205   struct msghdr *msg;
206   ...
207   cmsg                         = CMSG_FIRSTHDR(msg);
208   cmsg->cmsg_level             = SOL_SOCKET;
209   cmsg->cmsg_type              = SO_TIMESTAMPING;
210   cmsg->cmsg_len               = CMSG_LEN(sizeof(__u32));
211   *((__u32 *) CMSG_DATA(cmsg)) = SOF_TIMESTAMPING_TX_SCHED |
212                                  SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE |
213                                  SOF_TIMESTAMPING_TX_ACK;
214   err = sendmsg(fd, msg, 0);
216 The SOF_TIMESTAMPING_TX_* flags set via cmsg will override
217 the SOF_TIMESTAMPING_TX_* flags set via setsockopt.
219 Moreover, applications must still enable timestamp reporting via
220 setsockopt to receive timestamps:
222   __u32 val = SOF_TIMESTAMPING_SOFTWARE |
223               SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID /* or any other flag */;
224   err = setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_TIMESTAMPING, (void *) val,
225                    sizeof(val));
228 1.4 Bytestream Timestamps
230 The SO_TIMESTAMPING interface supports timestamping of bytes in a
231 bytestream. Each request is interpreted as a request for when the
232 entire contents of the buffer has passed a timestamping point. That
233 is, for streams option SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE will record
234 when all bytes have reached the device driver, regardless of how
235 many packets the data has been converted into.
237 In general, bytestreams have no natural delimiters and therefore
238 correlating a timestamp with data is non-trivial. A range of bytes
239 may be split across segments, any segments may be merged (possibly
240 coalescing sections of previously segmented buffers associated with
241 independent send() calls). Segments can be reordered and the same
242 byte range can coexist in multiple segments for protocols that
243 implement retransmissions.
245 It is essential that all timestamps implement the same semantics,
246 regardless of these possible transformations, as otherwise they are
247 incomparable. Handling "rare" corner cases differently from the
248 simple case (a 1:1 mapping from buffer to skb) is insufficient
249 because performance debugging often needs to focus on such outliers.
251 In practice, timestamps can be correlated with segments of a
252 bytestream consistently, if both semantics of the timestamp and the
253 timing of measurement are chosen correctly. This challenge is no
254 different from deciding on a strategy for IP fragmentation. There, the
255 definition is that only the first fragment is timestamped. For
256 bytestreams, we chose that a timestamp is generated only when all
257 bytes have passed a point. SOF_TIMESTAMPING_TX_ACK as defined is easy to
258 implement and reason about. An implementation that has to take into
259 account SACK would be more complex due to possible transmission holes
260 and out of order arrival.
262 On the host, TCP can also break the simple 1:1 mapping from buffer to
263 skbuff as a result of Nagle, cork, autocork, segmentation and GSO. The
264 implementation ensures correctness in all cases by tracking the
265 individual last byte passed to send(), even if it is no longer the
266 last byte after an skbuff extend or merge operation. It stores the
267 relevant sequence number in skb_shinfo(skb)->tskey. Because an skbuff
268 has only one such field, only one timestamp can be generated.
270 In rare cases, a timestamp request can be missed if two requests are
271 collapsed onto the same skb. A process can detect this situation by
272 enabling SOF_TIMESTAMPING_OPT_ID and comparing the byte offset at
273 send time with the value returned for each timestamp. It can prevent
274 the situation by always flushing the TCP stack in between requests,
275 for instance by enabling TCP_NODELAY and disabling TCP_CORK and
276 autocork.
278 These precautions ensure that the timestamp is generated only when all
279 bytes have passed a timestamp point, assuming that the network stack
280 itself does not reorder the segments. The stack indeed tries to avoid
281 reordering. The one exception is under administrator control: it is
282 possible to construct a packet scheduler configuration that delays
283 segments from the same stream differently. Such a setup would be
284 unusual.
287 2 Data Interfaces
289 Timestamps are read using the ancillary data feature of recvmsg().
290 See `man 3 cmsg` for details of this interface. The socket manual
291 page (`man 7 socket`) describes how timestamps generated with
292 SO_TIMESTAMP and SO_TIMESTAMPNS records can be retrieved.
295 2.1 SCM_TIMESTAMPING records
297 These timestamps are returned in a control message with cmsg_level
298 SOL_SOCKET, cmsg_type SCM_TIMESTAMPING, and payload of type
300 struct scm_timestamping {
301         struct timespec ts[3];
304 The structure can return up to three timestamps. This is a legacy
305 feature. Only one field is non-zero at any time. Most timestamps
306 are passed in ts[0]. Hardware timestamps are passed in ts[2].
308 ts[1] used to hold hardware timestamps converted to system time.
309 Instead, expose the hardware clock device on the NIC directly as
310 a HW PTP clock source, to allow time conversion in userspace and
311 optionally synchronize system time with a userspace PTP stack such
312 as linuxptp. For the PTP clock API, see Documentation/ptp/ptp.txt.
314 2.1.1 Transmit timestamps with MSG_ERRQUEUE
316 For transmit timestamps the outgoing packet is looped back to the
317 socket's error queue with the send timestamp(s) attached. A process
318 receives the timestamps by calling recvmsg() with flag MSG_ERRQUEUE
319 set and with a msg_control buffer sufficiently large to receive the
320 relevant metadata structures. The recvmsg call returns the original
321 outgoing data packet with two ancillary messages attached.
323 A message of cm_level SOL_IP(V6) and cm_type IP(V6)_RECVERR
324 embeds a struct sock_extended_err. This defines the error type. For
325 timestamps, the ee_errno field is ENOMSG. The other ancillary message
326 will have cm_level SOL_SOCKET and cm_type SCM_TIMESTAMPING. This
327 embeds the struct scm_timestamping.
330 2.1.1.2 Timestamp types
332 The semantics of the three struct timespec are defined by field
333 ee_info in the extended error structure. It contains a value of
334 type SCM_TSTAMP_* to define the actual timestamp passed in
335 scm_timestamping.
337 The SCM_TSTAMP_* types are 1:1 matches to the SOF_TIMESTAMPING_*
338 control fields discussed previously, with one exception. For legacy
339 reasons, SCM_TSTAMP_SND is equal to zero and can be set for both
340 SOF_TIMESTAMPING_TX_HARDWARE and SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE. It
341 is the first if ts[2] is non-zero, the second otherwise, in which
342 case the timestamp is stored in ts[0].
345 2.1.1.3 Fragmentation
347 Fragmentation of outgoing datagrams is rare, but is possible, e.g., by
348 explicitly disabling PMTU discovery. If an outgoing packet is fragmented,
349 then only the first fragment is timestamped and returned to the sending
350 socket.
353 2.1.1.4 Packet Payload
355 The calling application is often not interested in receiving the whole
356 packet payload that it passed to the stack originally: the socket
357 error queue mechanism is just a method to piggyback the timestamp on.
358 In this case, the application can choose to read datagrams with a
359 smaller buffer, possibly even of length 0. The payload is truncated
360 accordingly. Until the process calls recvmsg() on the error queue,
361 however, the full packet is queued, taking up budget from SO_RCVBUF.
364 2.1.1.5 Blocking Read
366 Reading from the error queue is always a non-blocking operation. To
367 block waiting on a timestamp, use poll or select. poll() will return
368 POLLERR in pollfd.revents if any data is ready on the error queue.
369 There is no need to pass this flag in pollfd.events. This flag is
370 ignored on request. See also `man 2 poll`.
373 2.1.2 Receive timestamps
375 On reception, there is no reason to read from the socket error queue.
376 The SCM_TIMESTAMPING ancillary data is sent along with the packet data
377 on a normal recvmsg(). Since this is not a socket error, it is not
378 accompanied by a message SOL_IP(V6)/IP(V6)_RECVERROR. In this case,
379 the meaning of the three fields in struct scm_timestamping is
380 implicitly defined. ts[0] holds a software timestamp if set, ts[1]
381 is again deprecated and ts[2] holds a hardware timestamp if set.
384 3. Hardware Timestamping configuration: SIOCSHWTSTAMP and SIOCGHWTSTAMP
386 Hardware time stamping must also be initialized for each device driver
387 that is expected to do hardware time stamping. The parameter is defined in
388 /include/linux/net_tstamp.h as:
390 struct hwtstamp_config {
391         int flags;      /* no flags defined right now, must be zero */
392         int tx_type;    /* HWTSTAMP_TX_* */
393         int rx_filter;  /* HWTSTAMP_FILTER_* */
396 Desired behavior is passed into the kernel and to a specific device by
397 calling ioctl(SIOCSHWTSTAMP) with a pointer to a struct ifreq whose
398 ifr_data points to a struct hwtstamp_config. The tx_type and
399 rx_filter are hints to the driver what it is expected to do. If
400 the requested fine-grained filtering for incoming packets is not
401 supported, the driver may time stamp more than just the requested types
402 of packets.
404 Drivers are free to use a more permissive configuration than the requested
405 configuration. It is expected that drivers should only implement directly the
406 most generic mode that can be supported. For example if the hardware can
407 support HWTSTAMP_FILTER_V2_EVENT, then it should generally always upscale
408 HWTSTAMP_FILTER_V2_L2_SYNC_MESSAGE, and so forth, as HWTSTAMP_FILTER_V2_EVENT
409 is more generic (and more useful to applications).
411 A driver which supports hardware time stamping shall update the struct
412 with the actual, possibly more permissive configuration. If the
413 requested packets cannot be time stamped, then nothing should be
414 changed and ERANGE shall be returned (in contrast to EINVAL, which
415 indicates that SIOCSHWTSTAMP is not supported at all).
417 Only a processes with admin rights may change the configuration. User
418 space is responsible to ensure that multiple processes don't interfere
419 with each other and that the settings are reset.
421 Any process can read the actual configuration by passing this
422 structure to ioctl(SIOCGHWTSTAMP) in the same way.  However, this has
423 not been implemented in all drivers.
425 /* possible values for hwtstamp_config->tx_type */
426 enum {
427         /*
428          * no outgoing packet will need hardware time stamping;
429          * should a packet arrive which asks for it, no hardware
430          * time stamping will be done
431          */
432         HWTSTAMP_TX_OFF,
434         /*
435          * enables hardware time stamping for outgoing packets;
436          * the sender of the packet decides which are to be
437          * time stamped by setting SOF_TIMESTAMPING_TX_SOFTWARE
438          * before sending the packet
439          */
440         HWTSTAMP_TX_ON,
443 /* possible values for hwtstamp_config->rx_filter */
444 enum {
445         /* time stamp no incoming packet at all */
446         HWTSTAMP_FILTER_NONE,
448         /* time stamp any incoming packet */
449         HWTSTAMP_FILTER_ALL,
451         /* return value: time stamp all packets requested plus some others */
452         HWTSTAMP_FILTER_SOME,
454         /* PTP v1, UDP, any kind of event packet */
455         HWTSTAMP_FILTER_PTP_V1_L4_EVENT,
457         /* for the complete list of values, please check
458          * the include file /include/linux/net_tstamp.h
459          */
462 3.1 Hardware Timestamping Implementation: Device Drivers
464 A driver which supports hardware time stamping must support the
465 SIOCSHWTSTAMP ioctl and update the supplied struct hwtstamp_config with
466 the actual values as described in the section on SIOCSHWTSTAMP.  It
467 should also support SIOCGHWTSTAMP.
469 Time stamps for received packets must be stored in the skb. To get a pointer
470 to the shared time stamp structure of the skb call skb_hwtstamps(). Then
471 set the time stamps in the structure:
473 struct skb_shared_hwtstamps {
474         /* hardware time stamp transformed into duration
475          * since arbitrary point in time
476          */
477         ktime_t hwtstamp;
480 Time stamps for outgoing packets are to be generated as follows:
481 - In hard_start_xmit(), check if (skb_shinfo(skb)->tx_flags & SKBTX_HW_TSTAMP)
482   is set no-zero. If yes, then the driver is expected to do hardware time
483   stamping.
484 - If this is possible for the skb and requested, then declare
485   that the driver is doing the time stamping by setting the flag
486   SKBTX_IN_PROGRESS in skb_shinfo(skb)->tx_flags , e.g. with
488       skb_shinfo(skb)->tx_flags |= SKBTX_IN_PROGRESS;
490   You might want to keep a pointer to the associated skb for the next step
491   and not free the skb. A driver not supporting hardware time stamping doesn't
492   do that. A driver must never touch sk_buff::tstamp! It is used to store
493   software generated time stamps by the network subsystem.
494 - Driver should call skb_tx_timestamp() as close to passing sk_buff to hardware
495   as possible. skb_tx_timestamp() provides a software time stamp if requested
496   and hardware timestamping is not possible (SKBTX_IN_PROGRESS not set).
497 - As soon as the driver has sent the packet and/or obtained a
498   hardware time stamp for it, it passes the time stamp back by
499   calling skb_hwtstamp_tx() with the original skb, the raw
500   hardware time stamp. skb_hwtstamp_tx() clones the original skb and
501   adds the timestamps, therefore the original skb has to be freed now.
502   If obtaining the hardware time stamp somehow fails, then the driver
503   should not fall back to software time stamping. The rationale is that
504   this would occur at a later time in the processing pipeline than other
505   software time stamping and therefore could lead to unexpected deltas
506   between time stamps.