udp: Introduce optional per-netns hash table.
authorKuniyuki Iwashima <kuniyu@amazon.com>
Mon, 14 Nov 2022 21:57:57 +0000 (13:57 -0800)
committerDavid S. Miller <davem@davemloft.net>
Wed, 16 Nov 2022 09:43:35 +0000 (09:43 +0000)
The maximum hash table size is 64K due to the nature of the protocol. [0]
It's smaller than TCP, and fewer sockets can cause a performance drop.

On an EC2 c5.24xlarge instance (192 GiB memory), after running iperf3 in
different netns, creating 32Mi sockets without data transfer in the root
netns causes regression for the iperf3's connection.

  uhash_entries sockets length Gbps
    64K       1      1 5.69
    1Mi     16 5.27
    2Mi     32 4.90
    4Mi     64 4.09
    8Mi    128 2.96
   16Mi    256 2.06
   32Mi    512 1.12

The per-netns hash table breaks the lengthy lists into shorter ones.  It is
useful on a multi-tenant system with thousands of netns.  With smaller hash
tables, we can look up sockets faster, isolate noisy neighbours, and reduce
lock contention.

The max size of the per-netns table is 64K as well.  This is because the
possible hash range by udp_hashfn() always fits in 64K within the same
netns and we cannot make full use of the whole buckets larger than 64K.

  /* 0 < num < 64K  ->  X < hash < X + 64K */
  (num + net_hash_mix(net)) & mask;

Also, the min size is 128.  We use a bitmap to search for an available
port in udp_lib_get_port().  To keep the bitmap on the stack and not
fire the CONFIG_FRAME_WARN error at build time, we round up the table
size to 128.

The sysctl usage is the same with TCP:

  $ dmesg | cut -d ' ' -f 6- | grep "UDP hash"
  UDP hash table entries: 65536 (order: 9, 2097152 bytes, vmalloc)

  # sysctl net.ipv4.udp_hash_entries
  net.ipv4.udp_hash_entries = 65536  # can be changed by uhash_entries

  # sysctl net.ipv4.udp_child_hash_entries
  net.ipv4.udp_child_hash_entries = 0  # disabled by default

  # ip netns add test1
  # ip netns exec test1 sysctl net.ipv4.udp_hash_entries
  net.ipv4.udp_hash_entries = -65536  # share the global table

  # sysctl -w net.ipv4.udp_child_hash_entries=100
  net.ipv4.udp_child_hash_entries = 100

  # ip netns add test2
  # ip netns exec test2 sysctl net.ipv4.udp_hash_entries
  net.ipv4.udp_hash_entries = 128  # own a per-netns table with 2^n buckets

We could optimise the hash table lookup/iteration further by removing
the netns comparison for the per-netns one in the future.  Also, we
could optimise the sparse udp_hslot layout by putting it in udp_table.

[0]: https://lore.kernel.org/netdev/4ACC2815.7010101@gmail.com/

Signed-off-by: Kuniyuki Iwashima <kuniyu@amazon.com>
Signed-off-by: David S. Miller <davem@davemloft.net>
Documentation/networking/ip-sysctl.rst
include/linux/udp.h
include/net/netns/ipv4.h
net/ipv4/sysctl_net_ipv4.c
net/ipv4/udp.c

index 815efc89ad73e69e2d21c1322fc80d27868b1f55..727b25cc7ec45e329ed31209381bcd17bb64800b 100644 (file)
@@ -1177,6 +1177,33 @@ udp_rmem_min - INTEGER
 udp_wmem_min - INTEGER
        UDP does not have tx memory accounting and this tunable has no effect.
 
+udp_hash_entries - INTEGER
+       Show the number of hash buckets for UDP sockets in the current
+       networking namespace.
+
+       A negative value means the networking namespace does not own its
+       hash buckets and shares the initial networking namespace's one.
+
+udp_child_ehash_entries - INTEGER
+       Control the number of hash buckets for UDP sockets in the child
+       networking namespace, which must be set before clone() or unshare().
+
+       If the value is not 0, the kernel uses a value rounded up to 2^n
+       as the actual hash bucket size.  0 is a special value, meaning
+       the child networking namespace will share the initial networking
+       namespace's hash buckets.
+
+       Note that the child will use the global one in case the kernel
+       fails to allocate enough memory.  In addition, the global hash
+       buckets are spread over available NUMA nodes, but the allocation
+       of the child hash table depends on the current process's NUMA
+       policy, which could result in performance differences.
+
+       Possible values: 0, 2^n (n: 7 (128) - 16 (64K))
+
+       Default: 0
+
+
 RAW variables
 =============
 
index dea57aa37df6c075b430d0c8ce80551fba2a60e9..a2892e151644ec347ad52d426400678e4a53b359 100644 (file)
@@ -23,7 +23,9 @@ static inline struct udphdr *udp_hdr(const struct sk_buff *skb)
        return (struct udphdr *)skb_transport_header(skb);
 }
 
+#define UDP_HTABLE_SIZE_MIN_PERNET     128
 #define UDP_HTABLE_SIZE_MIN            (CONFIG_BASE_SMALL ? 128 : 256)
+#define UDP_HTABLE_SIZE_MAX            65536
 
 static inline u32 udp_hashfn(const struct net *net, u32 num, u32 mask)
 {
index e4cc4d3cacc45fa238a76ecb7682f7aa1b33c0cf..db762e35aca977c6f59d2b16c3802d911b5790a6 100644 (file)
@@ -208,6 +208,8 @@ struct netns_ipv4 {
 
        atomic_t dev_addr_genid;
 
+       unsigned int sysctl_udp_child_hash_entries;
+
 #ifdef CONFIG_SYSCTL
        unsigned long *sysctl_local_reserved_ports;
        int sysctl_ip_prot_sock;
index 0af28cedd07152b16134caf180f6e70674e96e4c..0d0cc4ef2b85a453582d3301f62d7d25d439e592 100644 (file)
@@ -40,6 +40,7 @@ static int one_day_secs = 24 * 3600;
 static u32 fib_multipath_hash_fields_all_mask __maybe_unused =
        FIB_MULTIPATH_HASH_FIELD_ALL_MASK;
 static unsigned int tcp_child_ehash_entries_max = 16 * 1024 * 1024;
+static unsigned int udp_child_hash_entries_max = UDP_HTABLE_SIZE_MAX;
 static int tcp_plb_max_rounds = 31;
 static int tcp_plb_max_cong_thresh = 256;
 
@@ -402,12 +403,36 @@ static int proc_tcp_ehash_entries(struct ctl_table *table, int write,
        if (!net_eq(net, &init_net) && !hinfo->pernet)
                tcp_ehash_entries *= -1;
 
+       memset(&tbl, 0, sizeof(tbl));
        tbl.data = &tcp_ehash_entries;
        tbl.maxlen = sizeof(int);
 
        return proc_dointvec(&tbl, write, buffer, lenp, ppos);
 }
 
+static int proc_udp_hash_entries(struct ctl_table *table, int write,
+                                void *buffer, size_t *lenp, loff_t *ppos)
+{
+       struct net *net = container_of(table->data, struct net,
+                                      ipv4.sysctl_udp_child_hash_entries);
+       int udp_hash_entries;
+       struct ctl_table tbl;
+
+       udp_hash_entries = net->ipv4.udp_table->mask + 1;
+
+       /* A negative number indicates that the child netns
+        * shares the global udp_table.
+        */
+       if (!net_eq(net, &init_net) && net->ipv4.udp_table == &udp_table)
+               udp_hash_entries *= -1;
+
+       memset(&tbl, 0, sizeof(tbl));
+       tbl.data = &udp_hash_entries;
+       tbl.maxlen = sizeof(int);
+
+       return proc_dointvec(&tbl, write, buffer, lenp, ppos);
+}
+
 #ifdef CONFIG_IP_ROUTE_MULTIPATH
 static int proc_fib_multipath_hash_policy(struct ctl_table *table, int write,
                                          void *buffer, size_t *lenp,
@@ -1361,6 +1386,21 @@ static struct ctl_table ipv4_net_table[] = {
                .extra1         = SYSCTL_ZERO,
                .extra2         = &tcp_child_ehash_entries_max,
        },
+       {
+               .procname       = "udp_hash_entries",
+               .data           = &init_net.ipv4.sysctl_udp_child_hash_entries,
+               .mode           = 0444,
+               .proc_handler   = proc_udp_hash_entries,
+       },
+       {
+               .procname       = "udp_child_hash_entries",
+               .data           = &init_net.ipv4.sysctl_udp_child_hash_entries,
+               .maxlen         = sizeof(unsigned int),
+               .mode           = 0644,
+               .proc_handler   = proc_douintvec_minmax,
+               .extra1         = SYSCTL_ZERO,
+               .extra2         = &udp_child_hash_entries_max,
+       },
        {
                .procname       = "udp_rmem_min",
                .data           = &init_net.ipv4.sysctl_udp_rmem_min,
index 37e79158d14590bc69dd8d877eff30c1db7fc0a8..1fb7d1ed1cb1aca97f3ce29fbe30cddfe27ecc6a 100644 (file)
@@ -129,7 +129,7 @@ DEFINE_PER_CPU(int, udp_memory_per_cpu_fw_alloc);
 EXPORT_PER_CPU_SYMBOL_GPL(udp_memory_per_cpu_fw_alloc);
 
 #define MAX_UDP_PORTS 65536
-#define PORTS_PER_CHAIN (MAX_UDP_PORTS / UDP_HTABLE_SIZE_MIN)
+#define PORTS_PER_CHAIN (MAX_UDP_PORTS / UDP_HTABLE_SIZE_MIN_PERNET)
 
 static struct udp_table *udp_get_table_prot(struct sock *sk)
 {
@@ -3277,7 +3277,7 @@ void __init udp_table_init(struct udp_table *table, const char *name)
                                              &table->log,
                                              &table->mask,
                                              UDP_HTABLE_SIZE_MIN,
-                                             64 * 1024);
+                                             UDP_HTABLE_SIZE_MAX);
 
        table->hash2 = table->hash + (table->mask + 1);
        for (i = 0; i <= table->mask; i++) {
@@ -3302,22 +3302,111 @@ u32 udp_flow_hashrnd(void)
 }
 EXPORT_SYMBOL(udp_flow_hashrnd);
 
-static int __net_init udp_sysctl_init(struct net *net)
+static void __net_init udp_sysctl_init(struct net *net)
 {
-       net->ipv4.udp_table = &udp_table;
-
        net->ipv4.sysctl_udp_rmem_min = PAGE_SIZE;
        net->ipv4.sysctl_udp_wmem_min = PAGE_SIZE;
 
 #ifdef CONFIG_NET_L3_MASTER_DEV
        net->ipv4.sysctl_udp_l3mdev_accept = 0;
 #endif
+}
+
+static struct udp_table __net_init *udp_pernet_table_alloc(unsigned int hash_entries)
+{
+       struct udp_table *udptable;
+       int i;
+
+       udptable = kmalloc(sizeof(*udptable), GFP_KERNEL);
+       if (!udptable)
+               goto out;
+
+       udptable->hash = vmalloc_huge(hash_entries * 2 * sizeof(struct udp_hslot),
+                                     GFP_KERNEL_ACCOUNT);
+       if (!udptable->hash)
+               goto free_table;
+
+       udptable->hash2 = udptable->hash + hash_entries;
+       udptable->mask = hash_entries - 1;
+       udptable->log = ilog2(hash_entries);
+
+       for (i = 0; i < hash_entries; i++) {
+               INIT_HLIST_HEAD(&udptable->hash[i].head);
+               udptable->hash[i].count = 0;
+               spin_lock_init(&udptable->hash[i].lock);
+
+               INIT_HLIST_HEAD(&udptable->hash2[i].head);
+               udptable->hash2[i].count = 0;
+               spin_lock_init(&udptable->hash2[i].lock);
+       }
+
+       return udptable;
+
+free_table:
+       kfree(udptable);
+out:
+       return NULL;
+}
+
+static void __net_exit udp_pernet_table_free(struct net *net)
+{
+       struct udp_table *udptable = net->ipv4.udp_table;
+
+       if (udptable == &udp_table)
+               return;
+
+       kvfree(udptable->hash);
+       kfree(udptable);
+}
+
+static void __net_init udp_set_table(struct net *net)
+{
+       struct udp_table *udptable;
+       unsigned int hash_entries;
+       struct net *old_net;
+
+       if (net_eq(net, &init_net))
+               goto fallback;
+
+       old_net = current->nsproxy->net_ns;
+       hash_entries = READ_ONCE(old_net->ipv4.sysctl_udp_child_hash_entries);
+       if (!hash_entries)
+               goto fallback;
+
+       /* Set min to keep the bitmap on stack in udp_lib_get_port() */
+       if (hash_entries < UDP_HTABLE_SIZE_MIN_PERNET)
+               hash_entries = UDP_HTABLE_SIZE_MIN_PERNET;
+       else
+               hash_entries = roundup_pow_of_two(hash_entries);
+
+       udptable = udp_pernet_table_alloc(hash_entries);
+       if (udptable) {
+               net->ipv4.udp_table = udptable;
+       } else {
+               pr_warn("Failed to allocate UDP hash table (entries: %u) "
+                       "for a netns, fallback to the global one\n",
+                       hash_entries);
+fallback:
+               net->ipv4.udp_table = &udp_table;
+       }
+}
+
+static int __net_init udp_pernet_init(struct net *net)
+{
+       udp_sysctl_init(net);
+       udp_set_table(net);
 
        return 0;
 }
 
+static void __net_exit udp_pernet_exit(struct net *net)
+{
+       udp_pernet_table_free(net);
+}
+
 static struct pernet_operations __net_initdata udp_sysctl_ops = {
-       .init   = udp_sysctl_init,
+       .init   = udp_pernet_init,
+       .exit   = udp_pernet_exit,
 };
 
 #if defined(CONFIG_BPF_SYSCALL) && defined(CONFIG_PROC_FS)