New upstream version 18.11-rc1
[deb_dpdk.git] / doc / guides / nics / virtio.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2015 Intel Corporation.
3
4 Poll Mode Driver for Emulated Virtio NIC
5 ========================================
6
7 Virtio is a para-virtualization framework initiated by IBM, and supported by KVM hypervisor.
8 In the Data Plane Development Kit (DPDK),
9 we provide a virtio Poll Mode Driver (PMD) as a software solution, comparing to SRIOV hardware solution,
10
11 for fast guest VM to guest VM communication and guest VM to host communication.
12
13 Vhost is a kernel acceleration module for virtio qemu backend.
14 The DPDK extends kni to support vhost raw socket interface,
15 which enables vhost to directly read/ write packets from/to a physical port.
16 With this enhancement, virtio could achieve quite promising performance.
17
18 For basic qemu-KVM installation and other Intel EM poll mode driver in guest VM,
19 please refer to Chapter "Driver for VM Emulated Devices".
20
21 In this chapter, we will demonstrate usage of virtio PMD driver with two backends,
22 standard qemu vhost back end and vhost kni back end.
23
24 Virtio Implementation in DPDK
25 -----------------------------
26
27 For details about the virtio spec, refer to Virtio PCI Card Specification written by Rusty Russell.
28
29 As a PMD, virtio provides packet reception and transmission callbacks virtio_recv_pkts and virtio_xmit_pkts.
30
31 In virtio_recv_pkts, index in range [vq->vq_used_cons_idx , vq->vq_ring.used->idx) in vring is available for virtio to burst out.
32
33 In virtio_xmit_pkts, same index range in vring is available for virtio to clean.
34 Virtio will enqueue to be transmitted packets into vring, advance the vq->vq_ring.avail->idx,
35 and then notify the host back end if necessary.
36
37 Features and Limitations of virtio PMD
38 --------------------------------------
39
40 In this release, the virtio PMD driver provides the basic functionality of packet reception and transmission.
41
42 *   It supports merge-able buffers per packet when receiving packets and scattered buffer per packet
43     when transmitting packets. The packet size supported is from 64 to 1518.
44
45 *   It supports multicast packets and promiscuous mode.
46
47 *   The descriptor number for the Rx/Tx queue is hard-coded to be 256 by qemu 2.7 and below.
48     If given a different descriptor number by the upper application,
49     the virtio PMD generates a warning and fall back to the hard-coded value.
50     Rx queue size can be configurable and up to 1024 since qemu 2.8 and above. Rx queue size is 256
51     by default. Tx queue size is still hard-coded to be 256.
52
53 *   Features of mac/vlan filter are supported, negotiation with vhost/backend are needed to support them.
54     When backend can't support vlan filter, virtio app on guest should not enable vlan filter in order
55     to make sure the virtio port is configured correctly. E.g. do not specify '--enable-hw-vlan' in testpmd
56     command line.
57
58 *   "RTE_PKTMBUF_HEADROOM" should be defined
59     no less than "sizeof(struct virtio_net_hdr_mrg_rxbuf)", which is 12 bytes when mergeable or
60     "VIRTIO_F_VERSION_1" is set.
61     no less than "sizeof(struct virtio_net_hdr)", which is 10 bytes, when using non-mergeable.
62
63 *   Virtio does not support runtime configuration.
64
65 *   Virtio supports Link State interrupt.
66
67 *   Virtio supports Rx interrupt (so far, only support 1:1 mapping for queue/interrupt).
68
69 *   Virtio supports software vlan stripping and inserting.
70
71 *   Virtio supports using port IO to get PCI resource when uio/igb_uio module is not available.
72
73 Prerequisites
74 -------------
75
76 The following prerequisites apply:
77
78 *   In the BIOS, turn VT-x and VT-d on
79
80 *   Linux kernel with KVM module; vhost module loaded and ioeventfd supported.
81     Qemu standard backend without vhost support isn't tested, and probably isn't supported.
82
83 Virtio with kni vhost Back End
84 ------------------------------
85
86 This section demonstrates kni vhost back end example setup for Phy-VM Communication.
87
88 .. _figure_host_vm_comms:
89
90 .. figure:: img/host_vm_comms.*
91
92    Host2VM Communication Example Using kni vhost Back End
93
94
95 Host2VM communication example
96
97 #.  Load the kni kernel module:
98
99     .. code-block:: console
100
101         insmod rte_kni.ko
102
103     Other basic DPDK preparations like hugepage enabling, uio port binding are not listed here.
104     Please refer to the *DPDK Getting Started Guide* for detailed instructions.
105
106 #.  Launch the kni user application:
107
108     .. code-block:: console
109
110         examples/kni/build/app/kni -l 0-3 -n 4 -- -p 0x1 -P --config="(0,1,3)"
111
112     This command generates one network device vEth0 for physical port.
113     If specify more physical ports, the generated network device will be vEth1, vEth2, and so on.
114
115     For each physical port, kni creates two user threads.
116     One thread loops to fetch packets from the physical NIC port into the kni receive queue.
117     The other user thread loops to send packets in the kni transmit queue.
118
119     For each physical port, kni also creates a kernel thread that retrieves packets from the kni receive queue,
120     place them onto kni's raw socket's queue and wake up the vhost kernel thread to exchange packets with the virtio virt queue.
121
122     For more details about kni, please refer to :ref:`kni`.
123
124 #.  Enable the kni raw socket functionality for the specified physical NIC port,
125     get the generated file descriptor and set it in the qemu command line parameter.
126     Always remember to set ioeventfd_on and vhost_on.
127
128     Example:
129
130     .. code-block:: console
131
132         echo 1 > /sys/class/net/vEth0/sock_en
133         fd=`cat /sys/class/net/vEth0/sock_fd`
134         exec qemu-system-x86_64 -enable-kvm -cpu host \
135         -m 2048 -smp 4 -name dpdk-test1-vm1 \
136         -drive file=/data/DPDKVMS/dpdk-vm.img \
137         -netdev tap, fd=$fd,id=mynet_kni, script=no,vhost=on \
138         -device virtio-net-pci,netdev=mynet_kni,bus=pci.0,addr=0x3,ioeventfd=on \
139         -vnc:1 -daemonize
140
141     In the above example, virtio port 0 in the guest VM will be associated with vEth0, which in turns corresponds to a physical port,
142     which means received packets come from vEth0, and transmitted packets is sent to vEth0.
143
144 #.  In the guest, bind the virtio device to the uio_pci_generic kernel module and start the forwarding application.
145     When the virtio port in guest bursts Rx, it is getting packets from the
146     raw socket's receive queue.
147     When the virtio port bursts Tx, it is sending packet to the tx_q.
148
149     .. code-block:: console
150
151         modprobe uio
152         echo 512 > /sys/devices/system/node/node0/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages
153         modprobe uio_pci_generic
154         python usertools/dpdk-devbind.py -b uio_pci_generic 00:03.0
155
156     We use testpmd as the forwarding application in this example.
157
158     .. figure:: img/console.*
159
160        Running testpmd
161
162 #.  Use IXIA packet generator to inject a packet stream into the KNI physical port.
163
164     The packet reception and transmission flow path is:
165
166     IXIA packet generator->82599 PF->KNI Rx queue->KNI raw socket queue->Guest
167     VM virtio port 0 Rx burst->Guest VM virtio port 0 Tx burst-> KNI Tx queue
168     ->82599 PF-> IXIA packet generator
169
170 Virtio with qemu virtio Back End
171 --------------------------------
172
173 .. _figure_host_vm_comms_qemu:
174
175 .. figure:: img/host_vm_comms_qemu.*
176
177    Host2VM Communication Example Using qemu vhost Back End
178
179
180 .. code-block:: console
181
182     qemu-system-x86_64 -enable-kvm -cpu host -m 2048 -smp 2 -mem-path /dev/
183     hugepages -mem-prealloc
184     -drive file=/data/DPDKVMS/dpdk-vm1
185     -netdev tap,id=vm1_p1,ifname=tap0,script=no,vhost=on
186     -device virtio-net-pci,netdev=vm1_p1,bus=pci.0,addr=0x3,ioeventfd=on
187     -device pci-assign,host=04:10.1 \
188
189 In this example, the packet reception flow path is:
190
191     IXIA packet generator->82599 PF->Linux Bridge->TAP0's socket queue-> Guest
192     VM virtio port 0 Rx burst-> Guest VM 82599 VF port1 Tx burst-> IXIA packet
193     generator
194
195 The packet transmission flow is:
196
197     IXIA packet generator-> Guest VM 82599 VF port1 Rx burst-> Guest VM virtio
198     port 0 Tx burst-> tap -> Linux Bridge->82599 PF-> IXIA packet generator
199
200
201 Virtio PMD Rx/Tx Callbacks
202 --------------------------
203
204 Virtio driver has 4 Rx callbacks and 3 Tx callbacks.
205
206 Rx callbacks:
207
208 #. ``virtio_recv_pkts``:
209    Regular version without mergeable Rx buffer support.
210
211 #. ``virtio_recv_mergeable_pkts``:
212    Regular version with mergeable Rx buffer support.
213
214 #. ``virtio_recv_pkts_vec``:
215    Vector version without mergeable Rx buffer support, also fixes the available
216    ring indexes and uses vector instructions to optimize performance.
217
218 #. ``virtio_recv_mergeable_pkts_inorder``:
219    In-order version with mergeable Rx buffer support.
220
221 Tx callbacks:
222
223 #. ``virtio_xmit_pkts``:
224    Regular version.
225
226 #. ``virtio_xmit_pkts_simple``:
227    Vector version fixes the available ring indexes to optimize performance.
228
229 #. ``virtio_xmit_pkts_inorder``:
230    In-order version.
231
232 By default, the non-vector callbacks are used:
233
234 *   For Rx: If mergeable Rx buffers is disabled then ``virtio_recv_pkts`` is
235     used; otherwise ``virtio_recv_mergeable_pkts``.
236
237 *   For Tx: ``virtio_xmit_pkts``.
238
239
240 Vector callbacks will be used when:
241
242 *   ``txmode.offloads`` is set to ``0x0``, which implies:
243
244     *   Single segment is specified.
245
246     *   No offload support is needed.
247
248 *   Mergeable Rx buffers is disabled.
249
250 The corresponding callbacks are:
251
252 *   For Rx: ``virtio_recv_pkts_vec``.
253
254 *   For Tx: ``virtio_xmit_pkts_simple``.
255
256
257 Example of using the vector version of the virtio poll mode driver in
258 ``testpmd``::
259
260    testpmd -l 0-2 -n 4 -- -i --tx-offloads=0x0 --rxq=1 --txq=1 --nb-cores=1
261
262 In-order callbacks only work on simulated virtio user vdev.
263
264 *   For Rx: If mergeable Rx buffers is enabled and in-order is enabled then
265     ``virtio_xmit_pkts_inorder`` is used.
266
267 *   For Tx: If in-order is enabled then ``virtio_xmit_pkts_inorder`` is used.
268
269 Interrupt mode
270 --------------
271
272 .. _virtio_interrupt_mode:
273
274 There are three kinds of interrupts from a virtio device over PCI bus: config
275 interrupt, Rx interrupts, and Tx interrupts. Config interrupt is used for
276 notification of device configuration changes, especially link status (lsc).
277 Interrupt mode is translated into Rx interrupts in the context of DPDK.
278
279 .. Note::
280
281    Virtio PMD already has support for receiving lsc from qemu when the link
282    status changes, especially when vhost user disconnects. However, it fails
283    to do that if the VM is created by qemu 2.6.2 or below, since the
284    capability to detect vhost user disconnection is introduced in qemu 2.7.0.
285
286 Prerequisites for Rx interrupts
287 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
288
289 To support Rx interrupts,
290 #. Check if guest kernel supports VFIO-NOIOMMU:
291
292     Linux started to support VFIO-NOIOMMU since 4.8.0. Make sure the guest
293     kernel is compiled with:
294
295     .. code-block:: console
296
297         CONFIG_VFIO_NOIOMMU=y
298
299 #. Properly set msix vectors when starting VM:
300
301     Enable multi-queue when starting VM, and specify msix vectors in qemu
302     cmdline. (N+1) is the minimum, and (2N+2) is mostly recommended.
303
304     .. code-block:: console
305
306         $(QEMU) ... -device virtio-net-pci,mq=on,vectors=2N+2 ...
307
308 #. In VM, insert vfio module in NOIOMMU mode:
309
310     .. code-block:: console
311
312         modprobe vfio enable_unsafe_noiommu_mode=1
313         modprobe vfio-pci
314
315 #. In VM, bind the virtio device with vfio-pci:
316
317     .. code-block:: console
318
319         python usertools/dpdk-devbind.py -b vfio-pci 00:03.0
320
321 Example
322 ~~~~~~~
323
324 Here we use l3fwd-power as an example to show how to get started.
325
326     Example:
327
328     .. code-block:: console
329
330         $ l3fwd-power -l 0-1 -- -p 1 -P --config="(0,0,1)" \
331                                                --no-numa --parse-ptype
332
333
334 Virtio PMD arguments
335 --------------------
336
337 The user can specify below argument in devargs.
338
339 #.  ``vdpa``:
340
341     A virtio device could also be driven by vDPA (vhost data path acceleration)
342     driver, and works as a HW vhost backend. This argument is used to specify
343     a virtio device needs to work in vDPA mode.
344     (Default: 0 (disabled))
345
346 #. ``mrg_rxbuf``:
347
348     It is used to enable virtio device mergeable Rx buffer feature.
349     (Default: 1 (enabled))
350
351 #. ``in_order``:
352
353     It is used to enable virtio device in-order feature.
354     (Default: 1 (enabled))