net/mac80211/rc80211_minstrel.c

   1 /*
   2  * Copyright (C) 2008 Felix Fietkau <nbd@openwrt.org>
   3  *
   4  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   5  * it under the terms of the GNU General Public License version 2 as
   6  * published by the Free Software Foundation.
   7  *
   8  * Based on minstrel.c:
   9  *   Copyright (C) 2005-2007 Derek Smithies <derek@indranet.co.nz>
  10  *   Sponsored by Indranet Technologies Ltd
  11  *
  12  * Based on sample.c:
  13  *   Copyright (c) 2005 John Bicket
  14  *   All rights reserved.
  15  *
  16  *   Redistribution and use in source and binary forms, with or without
  17  *   modification, are permitted provided that the following conditions
  18  *   are met:
  19  *   1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  20  *      notice, this list of conditions and the following disclaimer,
  21  *      without modification.
  22  *   2. Redistributions in binary form must reproduce at minimum a disclaimer
  23  *      similar to the "NO WARRANTY" disclaimer below ("Disclaimer") and any
  24  *      redistribution must be conditioned upon including a substantially
  25  *      similar Disclaimer requirement for further binary redistribution.
  26  *   3. Neither the names of the above-listed copyright holders nor the names
  27  *      of any contributors may be used to endorse or promote products derived
  28  *      from this software without specific prior written permission.
  29  *
  30  *   Alternatively, this software may be distributed under the terms of the
  31  *   GNU General Public License ("GPL") version 2 as published by the Free
  32  *   Software Foundation.
  33  *
  34  *   NO WARRANTY
  35  *   THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
  36  *   ``AS IS'' AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
  37  *   LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF NONINFRINGEMENT, MERCHANTIBILITY
  38  *   AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL
  39  *   THE COPYRIGHT HOLDERS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR SPECIAL, EXEMPLARY,
  40  *   OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF
  41  *   SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS
  42  *   INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER
  43  *   IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE)
  44  *   ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF
  45  *   THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGES.
  46  */
  47 #include <linux/netdevice.h>
  48 #include <linux/types.h>
  49 #include <linux/skbuff.h>
  50 #include <linux/debugfs.h>
  51 #include <linux/random.h>
  52 #include <linux/ieee80211.h>
  53 #include <net/mac80211.h>
  54 #include "rate.h"
  55 #include "rc80211_minstrel.h"
  56
  57 #define SAMPLE_COLUMNS  10
  58 #define SAMPLE_TBL(_mi, _idx, _col) \
  59                 _mi->sample_table[(_idx * SAMPLE_COLUMNS) + _col]
  60
  61 /* convert mac80211 rate index to local array index */
  62 static inline int
  63 rix_to_ndx(struct minstrel_sta_info *mi, int rix)
  64 {
  65         int i = rix;
  66         for (i = rix; i >= 0; i--)
  67                 if (mi->r[i].rix == rix)
  68                         break;
  69         WARN_ON(i < 0);
  70         return i;
  71 }
  72
  73 static void
  74 minstrel_update_stats(struct minstrel_priv *mp, struct minstrel_sta_info *mi)
  75 {
  76         u32 max_tp = 0, index_max_tp = 0, index_max_tp2 = 0;
  77         u32 max_prob = 0, index_max_prob = 0;
  78         u32 usecs;
  79         u32 p;
  80         int i;
  81
  82         mi->stats_update = jiffies;
  83         for (i = 0; i < mi->n_rates; i++) {
  84                 struct minstrel_rate *mr = &mi->r[i];
  85
  86                 usecs = mr->perfect_tx_time;
  87                 if (!usecs)
  88                         usecs = 1000000;
  89
  90                 /* To avoid rounding issues, probabilities scale from 0 (0%)
  91                  * to 18000 (100%) */
  92                 if (mr->attempts) {
  93                         p = (mr->success * 18000) / mr->attempts;
  94                         mr->succ_hist += mr->success;
  95                         mr->att_hist += mr->attempts;
  96                         mr->cur_prob = p;
  97                         p = ((p * (100 - mp->ewma_level)) + (mr->probability *
  98                                 mp->ewma_level)) / 100;
  99                         mr->probability = p;
 100                         mr->cur_tp = p * (1000000 / usecs);
 101                 }
 102
 103                 mr->last_success = mr->success;
 104                 mr->last_attempts = mr->attempts;
 105                 mr->success = 0;
 106                 mr->attempts = 0;
 107
 108                 /* Sample less often below the 10% chance of success.
 109                  * Sample less often above the 95% chance of success. */
 110                 if ((mr->probability > 17100) || (mr->probability < 1800)) {
 111                         mr->adjusted_retry_count = mr->retry_count >> 1;
 112                         if (mr->adjusted_retry_count > 2)
 113                                 mr->adjusted_retry_count = 2;
 114                         mr->sample_limit = 4;
 115                 } else {
 116                         mr->sample_limit = -1;
 117                         mr->adjusted_retry_count = mr->retry_count;
 118                 }
 119                 if (!mr->adjusted_retry_count)
 120                         mr->adjusted_retry_count = 2;
 121         }
 122
 123         for (i = 0; i < mi->n_rates; i++) {
 124                 struct minstrel_rate *mr = &mi->r[i];
 125                 if (max_tp < mr->cur_tp) {
 126                         index_max_tp = i;
 127                         max_tp = mr->cur_tp;
 128                 }
 129                 if (max_prob < mr->probability) {
 130                         index_max_prob = i;
 131                         max_prob = mr->probability;
 132                 }
 133         }
 134
 135         max_tp = 0;
 136         for (i = 0; i < mi->n_rates; i++) {
 137                 struct minstrel_rate *mr = &mi->r[i];
 138
 139                 if (i == index_max_tp)
 140                         continue;
 141
 142                 if (max_tp < mr->cur_tp) {
 143                         index_max_tp2 = i;
 144                         max_tp = mr->cur_tp;
 145                 }
 146         }
 147         mi->max_tp_rate = index_max_tp;
 148         mi->max_tp_rate2 = index_max_tp2;
 149         mi->max_prob_rate = index_max_prob;
 150 }
 151
 152 static void
 153 minstrel_tx_status(void *priv, struct ieee80211_supported_band *sband,
 154                    struct ieee80211_sta *sta, void *priv_sta,
 155                    struct sk_buff *skb)
 156 {
 157         struct minstrel_sta_info *mi = priv_sta;
 158         struct minstrel_priv *mp = (struct minstrel_priv *)priv;
 159         struct ieee80211_tx_info *info = IEEE80211_SKB_CB(skb);
 160         struct ieee80211_tx_rate *ar = info->status.rates;
 161         struct ieee80211_local *local = hw_to_local(mp->hw);
 162         struct sta_info *si;
 163         int i, ndx;
 164         int success;
 165
 166         success = !!(info->flags & IEEE80211_TX_STAT_ACK);
 167         si = sta_info_get(local, sta->addr);
 168
 169         for (i = 0; i < IEEE80211_TX_MAX_RATES; i++) {
 170                 if (ar[i].idx < 0)
 171                         break;
 172
 173                 ndx = rix_to_ndx(mi, ar[i].idx);
 174                 if (ndx < 0)
 175                         continue;
 176
 177                 mi->r[ndx].attempts += ar[i].count;
 178
 179                 if ((i != IEEE80211_TX_MAX_RATES - 1) && (ar[i + 1].idx < 0)) {
 180                         mi->r[ndx].success += success;
 181                         if (si)
 182                                 si->fail_avg = (18050 - mi->r[ndx].probability)
 183                                         / 180;
 184                 }
 185         }
 186
 187         if ((info->flags & IEEE80211_TX_CTL_RATE_CTRL_PROBE) && (i >= 0))
 188                 mi->sample_count++;
 189
 190         if (mi->sample_deferred > 0)
 191                 mi->sample_deferred--;
 192 }
 193
 194
 195 static inline unsigned int
 196 minstrel_get_retry_count(struct minstrel_rate *mr,
 197                          struct ieee80211_tx_info *info)
 198 {
 199         unsigned int retry = mr->adjusted_retry_count;
 200
 201         if (info->control.rates[0].flags & IEEE80211_TX_RC_USE_RTS_CTS)
 202                 retry = max(2U, min(mr->retry_count_rtscts, retry));
 203         else if (info->control.rates[0].flags & IEEE80211_TX_RC_USE_CTS_PROTECT)
 204                 retry = max(2U, min(mr->retry_count_cts, retry));
 205         return retry;
 206 }
 207
 208
 209 static int
 210 minstrel_get_next_sample(struct minstrel_sta_info *mi)
 211 {
 212         unsigned int sample_ndx;
 213         sample_ndx = SAMPLE_TBL(mi, mi->sample_idx, mi->sample_column);
 214         mi->sample_idx++;
 215         if ((int) mi->sample_idx > (mi->n_rates - 2)) {
 216                 mi->sample_idx = 0;
 217                 mi->sample_column++;
 218                 if (mi->sample_column >= SAMPLE_COLUMNS)
 219                         mi->sample_column = 0;
 220         }
 221         return sample_ndx;
 222 }
 223
 224 static void
 225 minstrel_get_rate(void *priv, struct ieee80211_sta *sta,
 226                   void *priv_sta, struct ieee80211_tx_rate_control *txrc)
 227 {
 228         struct sk_buff *skb = txrc->skb;
 229         struct ieee80211_tx_info *info = IEEE80211_SKB_CB(skb);
 230         struct minstrel_sta_info *mi = priv_sta;
 231         struct minstrel_priv *mp = priv;
 232         struct ieee80211_tx_rate *ar = info->control.rates;
 233         unsigned int ndx, sample_ndx = 0;
 234         bool mrr;
 235         bool sample_slower = false;
 236         bool sample = false;
 237         int i, delta;
 238         int mrr_ndx[3];
 239         int sample_rate;
 240
 241         if (rate_control_send_low(sta, priv_sta, txrc))
 242                 return;
 243
 244         mrr = mp->has_mrr && !txrc->rts && !txrc->bss_conf->use_cts_prot;
 245
 246         if (time_after(jiffies, mi->stats_update + (mp->update_interval *
 247                         HZ) / 1000))
 248                 minstrel_update_stats(mp, mi);
 249
 250         ndx = mi->max_tp_rate;
 251
 252         if (mrr)
 253                 sample_rate = mp->lookaround_rate_mrr;
 254         else
 255                 sample_rate = mp->lookaround_rate;
 256
 257         mi->packet_count++;
 258         delta = (mi->packet_count * sample_rate / 100) -
 259                         (mi->sample_count + mi->sample_deferred / 2);
 260
 261         /* delta > 0: sampling required */
 262         if ((delta > 0) && (mrr || !mi->prev_sample)) {
 263                 struct minstrel_rate *msr;
 264                 if (mi->packet_count >= 10000) {
 265                         mi->sample_deferred = 0;
 266                         mi->sample_count = 0;
 267                         mi->packet_count = 0;
 268                 } else if (delta > mi->n_rates * 2) {
 269                         /* With multi-rate retry, not every planned sample
 270                          * attempt actually gets used, due to the way the retry
 271                          * chain is set up - [max_tp,sample,prob,lowest] for
 272                          * sample_rate < max_tp.
 273                          *
 274                          * If there's too much sampling backlog and the link
 275                          * starts getting worse, minstrel would start bursting
 276                          * out lots of sampling frames, which would result
 277                          * in a large throughput loss. */
 278                         mi->sample_count += (delta - mi->n_rates * 2);
 279                 }
 280
 281                 sample_ndx = minstrel_get_next_sample(mi);
 282                 msr = &mi->r[sample_ndx];
 283                 sample = true;
 284                 sample_slower = mrr && (msr->perfect_tx_time >
 285                         mi->r[ndx].perfect_tx_time);
 286
 287                 if (!sample_slower) {
 288                         if (msr->sample_limit != 0) {
 289                                 ndx = sample_ndx;
 290                                 mi->sample_count++;
 291                                 if (msr->sample_limit > 0)
 292                                         msr->sample_limit--;
 293                         } else {
 294                                 sample = false;
 295                         }
 296                 } else {
 297                         /* Only use IEEE80211_TX_CTL_RATE_CTRL_PROBE to mark
 298                          * packets that have the sampling rate deferred to the
 299                          * second MRR stage. Increase the sample counter only
 300                          * if the deferred sample rate was actually used.
 301                          * Use the sample_deferred counter to make sure that
 302                          * the sampling is not done in large bursts */
 303                         info->flags |= IEEE80211_TX_CTL_RATE_CTRL_PROBE;
 304                         mi->sample_deferred++;
 305                 }
 306         }
 307         mi->prev_sample = sample;
 308
 309         /* If we're not using MRR and the sampling rate already
 310          * has a probability of >95%, we shouldn't be attempting
 311          * to use it, as this only wastes precious airtime */
 312         if (!mrr && sample && (mi->r[ndx].probability > 17100))
 313                 ndx = mi->max_tp_rate;
 314
 315         ar[0].idx = mi->r[ndx].rix;
 316         ar[0].count = minstrel_get_retry_count(&mi->r[ndx], info);
 317
 318         if (!mrr) {
 319                 if (!sample)
 320                         ar[0].count = mp->max_retry;
 321                 ar[1].idx = mi->lowest_rix;
 322                 ar[1].count = mp->max_retry;
 323                 return;
 324         }
 325
 326         /* MRR setup */
 327         if (sample) {
 328                 if (sample_slower)
 329                         mrr_ndx[0] = sample_ndx;
 330                 else
 331                         mrr_ndx[0] = mi->max_tp_rate;
 332         } else {
 333                 mrr_ndx[0] = mi->max_tp_rate2;
 334         }
 335         mrr_ndx[1] = mi->max_prob_rate;
 336         mrr_ndx[2] = 0;
 337         for (i = 1; i < 4; i++) {
 338                 ar[i].idx = mi->r[mrr_ndx[i - 1]].rix;
 339                 ar[i].count = mi->r[mrr_ndx[i - 1]].adjusted_retry_count;
 340         }
 341 }
 342
 343
 344 static void
 345 calc_rate_durations(struct minstrel_sta_info *mi, struct ieee80211_local *local,
 346                     struct minstrel_rate *d, struct ieee80211_rate *rate)
 347 {
 348         int erp = !!(rate->flags & IEEE80211_RATE_ERP_G);
 349
 350         d->perfect_tx_time = ieee80211_frame_duration(local, 1200,
 351                         rate->bitrate, erp, 1);
 352         d->ack_time = ieee80211_frame_duration(local, 10,
 353                         rate->bitrate, erp, 1);
 354 }
 355
 356 static void
 357 init_sample_table(struct minstrel_sta_info *mi)
 358 {
 359         unsigned int i, col, new_idx;
 360         unsigned int n_srates = mi->n_rates - 1;
 361         u8 rnd[8];
 362
 363         mi->sample_column = 0;
 364         mi->sample_idx = 0;
 365         memset(mi->sample_table, 0, SAMPLE_COLUMNS * mi->n_rates);
 366
 367         for (col = 0; col < SAMPLE_COLUMNS; col++) {
 368                 for (i = 0; i < n_srates; i++) {
 369                         get_random_bytes(rnd, sizeof(rnd));
 370                         new_idx = (i + rnd[i & 7]) % n_srates;
 371
 372                         while (SAMPLE_TBL(mi, new_idx, col) != 0)
 373                                 new_idx = (new_idx + 1) % n_srates;
 374
 375                         /* Don't sample the slowest rate (i.e. slowest base
 376                          * rate). We must presume that the slowest rate works
 377                          * fine, or else other management frames will also be
 378                          * failing and the link will break */
 379                         SAMPLE_TBL(mi, new_idx, col) = i + 1;
 380                 }
 381         }
 382 }
 383
 384 static void
 385 minstrel_rate_init(void *priv, struct ieee80211_supported_band *sband,
 386                struct ieee80211_sta *sta, void *priv_sta)
 387 {
 388         struct minstrel_sta_info *mi = priv_sta;
 389         struct minstrel_priv *mp = priv;
 390         struct ieee80211_local *local = hw_to_local(mp->hw);
 391         struct ieee80211_rate *ctl_rate;
 392         unsigned int i, n = 0;
 393         unsigned int t_slot = 9; /* FIXME: get real slot time */
 394
 395         mi->lowest_rix = rate_lowest_index(sband, sta);
 396         ctl_rate = &sband->bitrates[mi->lowest_rix];
 397         mi->sp_ack_dur = ieee80211_frame_duration(local, 10, ctl_rate->bitrate,
 398                                 !!(ctl_rate->flags & IEEE80211_RATE_ERP_G), 1);
 399
 400         for (i = 0; i < sband->n_bitrates; i++) {
 401                 struct minstrel_rate *mr = &mi->r[n];
 402                 unsigned int tx_time = 0, tx_time_cts = 0, tx_time_rtscts = 0;
 403                 unsigned int tx_time_single;
 404                 unsigned int cw = mp->cw_min;
 405
 406                 if (!rate_supported(sta, sband->band, i))
 407                         continue;
 408                 n++;
 409                 memset(mr, 0, sizeof(*mr));
 410
 411                 mr->rix = i;
 412                 mr->bitrate = sband->bitrates[i].bitrate / 5;
 413                 calc_rate_durations(mi, local, mr,
 414                                 &sband->bitrates[i]);
 415
 416                 /* calculate maximum number of retransmissions before
 417                  * fallback (based on maximum segment size) */
 418                 mr->sample_limit = -1;
 419                 mr->retry_count = 1;
 420                 mr->retry_count_cts = 1;
 421                 mr->retry_count_rtscts = 1;
 422                 tx_time = mr->perfect_tx_time + mi->sp_ack_dur;
 423                 do {
 424                         /* add one retransmission */
 425                         tx_time_single = mr->ack_time + mr->perfect_tx_time;
 426
 427                         /* contention window */
 428                         tx_time_single += t_slot + min(cw, mp->cw_max);
 429                         cw = (cw + 1) << 1;
 430
 431                         tx_time += tx_time_single;
 432                         tx_time_cts += tx_time_single + mi->sp_ack_dur;
 433                         tx_time_rtscts += tx_time_single + 2 * mi->sp_ack_dur;
 434                         if ((tx_time_cts < mp->segment_size) &&
 435                                 (mr->retry_count_cts < mp->max_retry))
 436                                 mr->retry_count_cts++;
 437                         if ((tx_time_rtscts < mp->segment_size) &&
 438                                 (mr->retry_count_rtscts < mp->max_retry))
 439                                 mr->retry_count_rtscts++;
 440                 } while ((tx_time < mp->segment_size) &&
 441                                 (++mr->retry_count < mp->max_retry));
 442                 mr->adjusted_retry_count = mr->retry_count;
 443         }
 444
 445         for (i = n; i < sband->n_bitrates; i++) {
 446                 struct minstrel_rate *mr = &mi->r[i];
 447                 mr->rix = -1;
 448         }
 449
 450         mi->n_rates = n;
 451         mi->stats_update = jiffies;
 452
 453         init_sample_table(mi);
 454 }
 455
 456 static void *
 457 minstrel_alloc_sta(void *priv, struct ieee80211_sta *sta, gfp_t gfp)
 458 {
 459         struct ieee80211_supported_band *sband;
 460         struct minstrel_sta_info *mi;
 461         struct minstrel_priv *mp = priv;
 462         struct ieee80211_hw *hw = mp->hw;
 463         int max_rates = 0;
 464         int i;
 465
 466         mi = kzalloc(sizeof(struct minstrel_sta_info), gfp);
 467         if (!mi)
 468                 return NULL;
 469
 470         for (i = 0; i < IEEE80211_NUM_BANDS; i++) {
 471                 sband = hw->wiphy->bands[i];
 472                 if (sband && sband->n_bitrates > max_rates)
 473                         max_rates = sband->n_bitrates;
 474         }
 475
 476         mi->r = kzalloc(sizeof(struct minstrel_rate) * max_rates, gfp);
 477         if (!mi->r)
 478                 goto error;
 479
 480         mi->sample_table = kmalloc(SAMPLE_COLUMNS * max_rates, gfp);
 481         if (!mi->sample_table)
 482                 goto error1;
 483
 484         mi->stats_update = jiffies;
 485         return mi;
 486
 487 error1:
 488         kfree(mi->r);
 489 error:
 490         kfree(mi);
 491         return NULL;
 492 }
 493
 494 static void
 495 minstrel_free_sta(void *priv, struct ieee80211_sta *sta, void *priv_sta)
 496 {
 497         struct minstrel_sta_info *mi = priv_sta;
 498
 499         kfree(mi->sample_table);
 500         kfree(mi->r);
 501         kfree(mi);
 502 }
 503
 504 static void *
 505 minstrel_alloc(struct ieee80211_hw *hw, struct dentry *debugfsdir)
 506 {
 507         struct minstrel_priv *mp;
 508
 509         mp = kzalloc(sizeof(struct minstrel_priv), GFP_ATOMIC);
 510         if (!mp)
 511                 return NULL;
 512
 513         /* contention window settings
 514          * Just an approximation. Using the per-queue values would complicate
 515          * the calculations and is probably unnecessary */
 516         mp->cw_min = 15;
 517         mp->cw_max = 1023;
 518
 519         /* number of packets (in %) to use for sampling other rates
 520          * sample less often for non-mrr packets, because the overhead
 521          * is much higher than with mrr */
 522         mp->lookaround_rate = 5;
 523         mp->lookaround_rate_mrr = 10;
 524
 525         /* moving average weight for EWMA */
 526         mp->ewma_level = 75;
 527
 528         /* maximum time that the hw is allowed to stay in one MRR segment */
 529         mp->segment_size = 6000;
 530
 531         if (hw->max_rate_tries > 0)
 532                 mp->max_retry = hw->max_rate_tries;
 533         else
 534                 /* safe default, does not necessarily have to match hw properties */
 535                 mp->max_retry = 7;
 536
 537         if (hw->max_rates >= 4)
 538                 mp->has_mrr = true;
 539
 540         mp->hw = hw;
 541         mp->update_interval = 100;
 542
 543         return mp;
 544 }
 545
 546 static void
 547 minstrel_free(void *priv)
 548 {
 549         kfree(priv);
 550 }
 551
 552 static struct rate_control_ops mac80211_minstrel = {
 553         .name = "minstrel",
 554         .tx_status = minstrel_tx_status,
 555         .get_rate = minstrel_get_rate,
 556         .rate_init = minstrel_rate_init,
 557         .alloc = minstrel_alloc,
 558         .free = minstrel_free,
 559         .alloc_sta = minstrel_alloc_sta,
 560         .free_sta = minstrel_free_sta,
 561 #ifdef CONFIG_MAC80211_DEBUGFS
 562         .add_sta_debugfs = minstrel_add_sta_debugfs,
 563         .remove_sta_debugfs = minstrel_remove_sta_debugfs,
 564 #endif
 565 };
 566
 567 int __init
 568 rc80211_minstrel_init(void)
 569 {
 570         return ieee80211_rate_control_register(&mac80211_minstrel);
 571 }
 572
 573 void
 574 rc80211_minstrel_exit(void)
 575 {
 576         ieee80211_rate_control_unregister(&mac80211_minstrel);
 577 }
 578