New upstream version 18.05
[deb_dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l2_forward_job_stats.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2015 Intel Corporation.
3
4 L2 Forwarding Sample Application (in Real and Virtualized Environments) with core load statistics.
5 ==================================================================================================
6
7 The L2 Forwarding sample application is a simple example of packet processing using
8 the Data Plane Development Kit (DPDK) which
9 also takes advantage of Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) features in a virtualized environment.
10
11 .. note::
12
13     This application is a variation of L2 Forwarding sample application. It demonstrate possible
14     scheme of job stats library usage therefore some parts of this document is identical with original
15     L2 forwarding application.
16
17 Overview
18 --------
19
20 The L2 Forwarding sample application, which can operate in real and virtualized environments,
21 performs L2 forwarding for each packet that is received.
22 The destination port is the adjacent port from the enabled portmask, that is,
23 if the first four ports are enabled (portmask 0xf),
24 ports 1 and 2 forward into each other, and ports 3 and 4 forward into each other.
25 Also, the MAC addresses are affected as follows:
26
27 *   The source MAC address is replaced by the TX port MAC address
28
29 *   The destination MAC address is replaced by  02:00:00:00:00:TX_PORT_ID
30
31 This application can be used to benchmark performance using a traffic-generator, as shown in the :numref:`figure_l2_fwd_benchmark_setup_jobstats`.
32
33 The application can also be used in a virtualized environment as shown in :numref:`figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup_jobstats`.
34
35 The L2 Forwarding application can also be used as a starting point for developing a new application based on the DPDK.
36
37 .. _figure_l2_fwd_benchmark_setup_jobstats:
38
39 .. figure:: img/l2_fwd_benchmark_setup.*
40
41    Performance Benchmark Setup (Basic Environment)
42
43 .. _figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup_jobstats:
44
45 .. figure:: img/l2_fwd_virtenv_benchmark_setup.*
46
47    Performance Benchmark Setup (Virtualized Environment)
48
49
50 Virtual Function Setup Instructions
51 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
52
53 This application can use the virtual function available in the system and
54 therefore can be used in a virtual machine without passing through
55 the whole Network Device into a guest machine in a virtualized scenario.
56 The virtual functions can be enabled in the host machine or the hypervisor with the respective physical function driver.
57
58 For example, in a Linux* host machine, it is possible to enable a virtual function using the following command:
59
60 .. code-block:: console
61
62     modprobe ixgbe max_vfs=2,2
63
64 This command enables two Virtual Functions on each of Physical Function of the NIC,
65 with two physical ports in the PCI configuration space.
66 It is important to note that enabled Virtual Function 0 and 2 would belong to Physical Function 0
67 and Virtual Function 1 and 3 would belong to Physical Function 1,
68 in this case enabling a total of four Virtual Functions.
69
70 Compiling the Application
71 -------------------------
72
73 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
74
75 The application is located in the ``l2fwd-jobstats`` sub-directory.
76
77 Running the Application
78 -----------------------
79
80 The application requires a number of command line options:
81
82 .. code-block:: console
83
84     ./build/l2fwd-jobstats [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ] [-l]
85
86 where,
87
88 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure
89
90 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
91
92 *   l: Use locale thousands separator when formatting big numbers.
93
94 To run the application in linuxapp environment with 4 lcores, 16 ports, 8 RX queues per lcore and
95 thousands  separator printing, issue the command:
96
97 .. code-block:: console
98
99     $ ./build/l2fwd-jobstats -l 0-3 -n 4 -- -q 8 -p ffff -l
100
101 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
102 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
103
104 Explanation
105 -----------
106
107 The following sections provide some explanation of the code.
108
109 Command Line Arguments
110 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
111
112 The L2 Forwarding sample application takes specific parameters,
113 in addition to Environment Abstraction Layer (EAL) arguments
114 (see `Running the Application`_).
115 The preferred way to parse parameters is to use the getopt() function,
116 since it is part of a well-defined and portable library.
117
118 The parsing of arguments is done in the l2fwd_parse_args() function.
119 The method of argument parsing is not described here.
120 Refer to the *glibc getopt(3)* man page for details.
121
122 EAL arguments are parsed first, then application-specific arguments.
123 This is done at the beginning of the main() function:
124
125 .. code-block:: c
126
127     /* init EAL */
128
129     ret = rte_eal_init(argc, argv);
130     if (ret < 0)
131         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL arguments\n");
132
133     argc -= ret;
134     argv += ret;
135
136     /* parse application arguments (after the EAL ones) */
137
138     ret = l2fwd_parse_args(argc, argv);
139     if (ret < 0)
140         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid L2FWD arguments\n");
141
142 Mbuf Pool Initialization
143 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
144
145 Once the arguments are parsed, the mbuf pool is created.
146 The mbuf pool contains a set of mbuf objects that will be used by the driver
147 and the application to store network packet data:
148
149 .. code-block:: c
150
151     /* create the mbuf pool */
152     l2fwd_pktmbuf_pool = rte_pktmbuf_pool_create("mbuf_pool", NB_MBUF,
153                 MEMPOOL_CACHE_SIZE, 0, RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE,
154                 rte_socket_id());
155
156     if (l2fwd_pktmbuf_pool == NULL)
157         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot init mbuf pool\n");
158
159 The rte_mempool is a generic structure used to handle pools of objects.
160 In this case, it is necessary to create a pool that will be used by the driver.
161 The number of allocated pkt mbufs is NB_MBUF, with a data room size of
162 RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE each.
163 A per-lcore cache of MEMPOOL_CACHE_SIZE mbufs is kept.
164 The memory is allocated in rte_socket_id() socket,
165 but it is possible to extend this code to allocate one mbuf pool per socket.
166
167 The rte_pktmbuf_pool_create() function uses the default mbuf pool and mbuf
168 initializers, respectively rte_pktmbuf_pool_init() and rte_pktmbuf_init().
169 An advanced application may want to use the mempool API to create the
170 mbuf pool with more control.
171
172 Driver Initialization
173 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
174
175 The main part of the code in the main() function relates to the initialization of the driver.
176 To fully understand this code, it is recommended to study the chapters that related to the Poll Mode Driver
177 in the *DPDK Programmer's Guide* and the *DPDK API Reference*.
178
179 .. code-block:: c
180
181     /* reset l2fwd_dst_ports */
182
183     for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++)
184         l2fwd_dst_ports[portid] = 0;
185
186     last_port = 0;
187
188     /*
189      * Each logical core is assigned a dedicated TX queue on each port.
190      */
191     RTE_ETH_FOREACH_DEV(portid) {
192         /* skip ports that are not enabled */
193         if ((l2fwd_enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
194            continue;
195
196         if (nb_ports_in_mask % 2) {
197             l2fwd_dst_ports[portid] = last_port;
198             l2fwd_dst_ports[last_port] = portid;
199         }
200         else
201            last_port = portid;
202
203         nb_ports_in_mask++;
204
205         rte_eth_dev_info_get((uint8_t) portid, &dev_info);
206     }
207
208 The next step is to configure the RX and TX queues.
209 For each port, there is only one RX queue (only one lcore is able to poll a given port).
210 The number of TX queues depends on the number of available lcores.
211 The rte_eth_dev_configure() function is used to configure the number of queues for a port:
212
213 .. code-block:: c
214
215     ret = rte_eth_dev_configure((uint8_t)portid, 1, 1, &port_conf);
216     if (ret < 0)
217         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot configure device: "
218             "err=%d, port=%u\n",
219             ret, portid);
220
221 The global configuration is stored in a static structure:
222
223 .. code-block:: c
224
225     static const struct rte_eth_conf port_conf = {
226         .rxmode = {
227             .split_hdr_size = 0,
228             .header_split = 0,   /**< Header Split disabled */
229             .hw_ip_checksum = 0, /**< IP checksum offload disabled */
230             .hw_vlan_filter = 0, /**< VLAN filtering disabled */
231             .jumbo_frame = 0,    /**< Jumbo Frame Support disabled */
232             .hw_strip_crc= 0,    /**< CRC stripped by hardware */
233         },
234
235         .txmode = {
236             .mq_mode = ETH_DCB_NONE
237         },
238     };
239
240 RX Queue Initialization
241 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
242
243 The application uses one lcore to poll one or several ports, depending on the -q option,
244 which specifies the number of queues per lcore.
245
246 For example, if the user specifies -q 4, the application is able to poll four ports with one lcore.
247 If there are 16 ports on the target (and if the portmask argument is -p ffff ),
248 the application will need four lcores to poll all the ports.
249
250 .. code-block:: c
251
252     ret = rte_eth_rx_queue_setup(portid, 0, nb_rxd,
253                 rte_eth_dev_socket_id(portid),
254                 NULL,
255                 l2fwd_pktmbuf_pool);
256
257     if (ret < 0)
258         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_rx_queue_setup:err=%d, port=%u\n",
259                 ret, (unsigned) portid);
260
261 The list of queues that must be polled for a given lcore is stored in a private structure called struct lcore_queue_conf.
262
263 .. code-block:: c
264
265     struct lcore_queue_conf {
266         unsigned n_rx_port;
267         unsigned rx_port_list[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
268         truct mbuf_table tx_mbufs[RTE_MAX_ETHPORTS];
269
270         struct rte_timer rx_timers[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
271         struct rte_jobstats port_fwd_jobs[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
272
273         struct rte_timer flush_timer;
274         struct rte_jobstats flush_job;
275         struct rte_jobstats idle_job;
276         struct rte_jobstats_context jobs_context;
277
278         rte_atomic16_t stats_read_pending;
279         rte_spinlock_t lock;
280     } __rte_cache_aligned;
281
282 Values of struct lcore_queue_conf:
283
284 *   n_rx_port and rx_port_list[] are used in the main packet processing loop
285     (see Section `Receive, Process and Transmit Packets`_ later in this chapter).
286
287 *   rx_timers and flush_timer are used to ensure forced TX on low packet rate.
288
289 *   flush_job, idle_job and jobs_context are librte_jobstats objects used for managing l2fwd jobs.
290
291 *   stats_read_pending and lock are used during job stats read phase.
292
293 TX Queue Initialization
294 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
295
296 Each lcore should be able to transmit on any port. For every port, a single TX queue is initialized.
297
298 .. code-block:: c
299
300     /* init one TX queue on each port */
301
302     fflush(stdout);
303     ret = rte_eth_tx_queue_setup(portid, 0, nb_txd,
304             rte_eth_dev_socket_id(portid),
305             NULL);
306     if (ret < 0)
307         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_tx_queue_setup:err=%d, port=%u\n",
308                 ret, (unsigned) portid);
309
310 Jobs statistics initialization
311 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
312 There are several statistics objects available:
313
314 *   Flush job statistics
315
316 .. code-block:: c
317
318     rte_jobstats_init(&qconf->flush_job, "flush", drain_tsc, drain_tsc,
319             drain_tsc, 0);
320
321     rte_timer_init(&qconf->flush_timer);
322     ret = rte_timer_reset(&qconf->flush_timer, drain_tsc, PERIODICAL,
323                 lcore_id, &l2fwd_flush_job, NULL);
324
325     if (ret < 0) {
326         rte_exit(1, "Failed to reset flush job timer for lcore %u: %s",
327                     lcore_id, rte_strerror(-ret));
328     }
329
330 *   Statistics per RX port
331
332 .. code-block:: c
333
334     rte_jobstats_init(job, name, 0, drain_tsc, 0, MAX_PKT_BURST);
335     rte_jobstats_set_update_period_function(job, l2fwd_job_update_cb);
336
337     rte_timer_init(&qconf->rx_timers[i]);
338     ret = rte_timer_reset(&qconf->rx_timers[i], 0, PERIODICAL, lcore_id,
339             l2fwd_fwd_job, (void *)(uintptr_t)i);
340
341     if (ret < 0) {
342         rte_exit(1, "Failed to reset lcore %u port %u job timer: %s",
343                     lcore_id, qconf->rx_port_list[i], rte_strerror(-ret));
344     }
345
346 Following parameters are passed to rte_jobstats_init():
347
348 *   0 as minimal poll period
349
350 *   drain_tsc as maximum poll period
351
352 *   MAX_PKT_BURST as desired target value (RX burst size)
353
354 Main loop
355 ~~~~~~~~~
356
357 The forwarding path is reworked comparing to original L2 Forwarding application.
358 In the l2fwd_main_loop() function three loops are placed.
359
360 .. code-block:: c
361
362     for (;;) {
363         rte_spinlock_lock(&qconf->lock);
364
365         do {
366             rte_jobstats_context_start(&qconf->jobs_context);
367
368             /* Do the Idle job:
369              * - Read stats_read_pending flag
370              * - check if some real job need to be executed
371              */
372             rte_jobstats_start(&qconf->jobs_context, &qconf->idle_job);
373
374             do {
375                 uint8_t i;
376                 uint64_t now = rte_get_timer_cycles();
377
378                 need_manage = qconf->flush_timer.expire < now;
379                 /* Check if we was esked to give a stats. */
380                 stats_read_pending =
381                         rte_atomic16_read(&qconf->stats_read_pending);
382                 need_manage |= stats_read_pending;
383
384                 for (i = 0; i < qconf->n_rx_port && !need_manage; i++)
385                     need_manage = qconf->rx_timers[i].expire < now;
386
387             } while (!need_manage);
388             rte_jobstats_finish(&qconf->idle_job, qconf->idle_job.target);
389
390             rte_timer_manage();
391             rte_jobstats_context_finish(&qconf->jobs_context);
392         } while (likely(stats_read_pending == 0));
393
394         rte_spinlock_unlock(&qconf->lock);
395         rte_pause();
396     }
397
398 First infinite for loop is to minimize impact of stats reading. Lock is only locked/unlocked when asked.
399
400 Second inner while loop do the whole jobs management. When any job is ready, the use rte_timer_manage() is used to call the job handler.
401 In this place functions l2fwd_fwd_job() and l2fwd_flush_job() are called when needed.
402 Then rte_jobstats_context_finish() is called to mark loop end - no other jobs are ready to execute. By this time stats are ready to be read
403 and if stats_read_pending is set, loop breaks allowing stats to be read.
404
405 Third do-while loop is the idle job (idle stats counter). Its only purpose is monitoring if any job is ready or stats job read is pending
406 for this lcore. Statistics from this part of code is considered as the headroom available for additional processing.
407
408 Receive, Process and Transmit Packets
409 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
410
411 The main task of l2fwd_fwd_job() function is to read ingress packets from the RX queue of particular port and forward it.
412 This is done using the following code:
413
414 .. code-block:: c
415
416     total_nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0, pkts_burst,
417             MAX_PKT_BURST);
418
419     for (j = 0; j < total_nb_rx; j++) {
420         m = pkts_burst[j];
421         rte_prefetch0(rte_pktmbuf_mtod(m, void *));
422         l2fwd_simple_forward(m, portid);
423     }
424
425 Packets are read in a burst of size MAX_PKT_BURST.
426 Then, each mbuf in the table is processed by the l2fwd_simple_forward() function.
427 The processing is very simple: process the TX port from the RX port, then replace the source and destination MAC addresses.
428
429 The rte_eth_rx_burst() function writes the mbuf pointers in a local table and returns the number of available mbufs in the table.
430
431 After first read second try is issued.
432
433 .. code-block:: c
434
435     if (total_nb_rx == MAX_PKT_BURST) {
436         const uint16_t nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0, pkts_burst,
437                 MAX_PKT_BURST);
438
439         total_nb_rx += nb_rx;
440         for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
441             m = pkts_burst[j];
442             rte_prefetch0(rte_pktmbuf_mtod(m, void *));
443             l2fwd_simple_forward(m, portid);
444         }
445     }
446
447 This second read is important to give job stats library a feedback how many packets was processed.
448
449 .. code-block:: c
450
451     /* Adjust period time in which we are running here. */
452     if (rte_jobstats_finish(job, total_nb_rx) != 0) {
453         rte_timer_reset(&qconf->rx_timers[port_idx], job->period, PERIODICAL,
454                 lcore_id, l2fwd_fwd_job, arg);
455     }
456
457 To maximize performance exactly MAX_PKT_BURST is expected (the target value) to be read for each l2fwd_fwd_job() call.
458 If total_nb_rx is smaller than target value job->period will be increased. If it is greater the period will be decreased.
459
460 .. note::
461
462     In the following code, one line for getting the output port requires some explanation.
463
464 During the initialization process, a static array of destination ports (l2fwd_dst_ports[]) is filled such that for each source port,
465 a destination port is assigned that is either the next or previous enabled port from the portmask.
466 Naturally, the number of ports in the portmask must be even, otherwise, the application exits.
467
468 .. code-block:: c
469
470     static void
471     l2fwd_simple_forward(struct rte_mbuf *m, unsigned portid)
472     {
473         struct ether_hdr *eth;
474         void *tmp;
475         unsigned dst_port;
476
477         dst_port = l2fwd_dst_ports[portid];
478
479         eth = rte_pktmbuf_mtod(m, struct ether_hdr *);
480
481         /* 02:00:00:00:00:xx */
482
483         tmp = &eth->d_addr.addr_bytes[0];
484
485         *((uint64_t *)tmp) = 0x000000000002 + ((uint64_t) dst_port << 40);
486
487         /* src addr */
488
489         ether_addr_copy(&l2fwd_ports_eth_addr[dst_port], &eth->s_addr);
490
491         l2fwd_send_packet(m, (uint8_t) dst_port);
492     }
493
494 Then, the packet is sent using the l2fwd_send_packet (m, dst_port) function.
495 For this test application, the processing is exactly the same for all packets arriving on the same RX port.
496 Therefore, it would have been possible to call the l2fwd_send_burst() function directly from the main loop
497 to send all the received packets on the same TX port,
498 using the burst-oriented send function, which is more efficient.
499
500 However, in real-life applications (such as, L3 routing),
501 packet N is not necessarily forwarded on the same port as packet N-1.
502 The application is implemented to illustrate that, so the same approach can be reused in a more complex application.
503
504 The l2fwd_send_packet() function stores the packet in a per-lcore and per-txport table.
505 If the table is full, the whole packets table is transmitted using the l2fwd_send_burst() function:
506
507 .. code-block:: c
508
509     /* Send the packet on an output interface */
510
511     static int
512     l2fwd_send_packet(struct rte_mbuf *m, uint16_t port)
513     {
514         unsigned lcore_id, len;
515         struct lcore_queue_conf *qconf;
516
517         lcore_id = rte_lcore_id();
518         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
519         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
520         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
521         len++;
522
523         /* enough pkts to be sent */
524
525         if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) {
526             l2fwd_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
527             len = 0;
528         }
529
530         qconf->tx_mbufs[port].len = len; return 0;
531     }
532
533 To ensure that no packets remain in the tables, the flush job exists. The l2fwd_flush_job()
534 is called periodically to for each lcore draining TX queue of each port.
535 This technique introduces some latency when there are not many packets to send,
536 however it improves performance:
537
538 .. code-block:: c
539
540     static void
541     l2fwd_flush_job(__rte_unused struct rte_timer *timer, __rte_unused void *arg)
542     {
543         uint64_t now;
544         unsigned lcore_id;
545         struct lcore_queue_conf *qconf;
546         struct mbuf_table *m_table;
547         uint16_t portid;
548
549         lcore_id = rte_lcore_id();
550         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
551
552         rte_jobstats_start(&qconf->jobs_context, &qconf->flush_job);
553
554         now = rte_get_timer_cycles();
555         lcore_id = rte_lcore_id();
556         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
557         for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++) {
558             m_table = &qconf->tx_mbufs[portid];
559             if (m_table->len == 0 || m_table->next_flush_time <= now)
560                 continue;
561
562             l2fwd_send_burst(qconf, portid);
563         }
564
565
566         /* Pass target to indicate that this job is happy of time interval
567          * in which it was called. */
568         rte_jobstats_finish(&qconf->flush_job, qconf->flush_job.target);
569     }