91bedea62645fb468179f66aec62ffda4e25b295
[deb_dpdk.git] / doc / guides / nics / virtio.rst
1 ..  BSD LICENSE
2     Copyright(c) 2010-2015 Intel Corporation. All rights reserved.
3     All rights reserved.
4
5     Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6     modification, are permitted provided that the following conditions
7     are met:
8
9     * Redistributions of source code must retain the above copyright
10     notice, this list of conditions and the following disclaimer.
11     * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
12     notice, this list of conditions and the following disclaimer in
13     the documentation and/or other materials provided with the
14     distribution.
15     * Neither the name of Intel Corporation nor the names of its
16     contributors may be used to endorse or promote products derived
17     from this software without specific prior written permission.
18
19     THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
20     "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
21     LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
22     A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT
23     OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
24     SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT
25     LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
26     DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
27     THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
28     (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
29     OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
30
31 Poll Mode Driver for Emulated Virtio NIC
32 ========================================
33
34 Virtio is a para-virtualization framework initiated by IBM, and supported by KVM hypervisor.
35 In the Data Plane Development Kit (DPDK),
36 we provide a virtio Poll Mode Driver (PMD) as a software solution, comparing to SRIOV hardware solution,
37 for fast guest VM to guest VM communication and guest VM to host communication.
38
39 Vhost is a kernel acceleration module for virtio qemu backend.
40 The DPDK extends kni to support vhost raw socket interface,
41 which enables vhost to directly read/ write packets from/to a physical port.
42 With this enhancement, virtio could achieve quite promising performance.
43
44 In future release, we will also make enhancement to vhost backend,
45 releasing peak performance of virtio PMD driver.
46
47 For basic qemu-KVM installation and other Intel EM poll mode driver in guest VM,
48 please refer to Chapter "Driver for VM Emulated Devices".
49
50 In this chapter, we will demonstrate usage of virtio PMD driver with two backends,
51 standard qemu vhost back end and vhost kni back end.
52
53 Virtio Implementation in DPDK
54 -----------------------------
55
56 For details about the virtio spec, refer to Virtio PCI Card Specification written by Rusty Russell.
57
58 As a PMD, virtio provides packet reception and transmission callbacks virtio_recv_pkts and virtio_xmit_pkts.
59
60 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.
61
62 In virtio_xmit_pkts, same index range in vring is available for virtio to clean.
63 Virtio will enqueue to be transmitted packets into vring, advance the vq->vq_ring.avail->idx,
64 and then notify the host back end if necessary.
65
66 Features and Limitations of virtio PMD
67 --------------------------------------
68
69 In this release, the virtio PMD driver provides the basic functionality of packet reception and transmission.
70
71 *   It supports merge-able buffers per packet when receiving packets and scattered buffer per packet
72     when transmitting packets. The packet size supported is from 64 to 1518.
73
74 *   It supports multicast packets and promiscuous mode.
75
76 *   The descriptor number for the Rx/Tx queue is hard-coded to be 256 by qemu.
77     If given a different descriptor number by the upper application,
78     the virtio PMD generates a warning and fall back to the hard-coded value.
79
80 *   Features of mac/vlan filter are supported, negotiation with vhost/backend are needed to support them.
81     When backend can't support vlan filter, virtio app on guest should disable vlan filter to make sure
82     the virtio port is configured correctly. E.g. specify '--disable-hw-vlan' in testpmd command line.
83
84 *   RTE_PKTMBUF_HEADROOM should be defined larger than sizeof(struct virtio_net_hdr), which is 10 bytes.
85
86 *   Virtio does not support runtime configuration.
87
88 *   Virtio supports Link State interrupt.
89
90 *   Virtio supports Rx interrupt (so far, only support 1:1 mapping for queue/interrupt).
91
92 *   Virtio supports software vlan stripping and inserting.
93
94 *   Virtio supports using port IO to get PCI resource when uio/igb_uio module is not available.
95
96 Prerequisites
97 -------------
98
99 The following prerequisites apply:
100
101 *   In the BIOS, turn VT-x and VT-d on
102
103 *   Linux kernel with KVM module; vhost module loaded and ioeventfd supported.
104     Qemu standard backend without vhost support isn't tested, and probably isn't supported.
105
106 Virtio with kni vhost Back End
107 ------------------------------
108
109 This section demonstrates kni vhost back end example setup for Phy-VM Communication.
110
111 .. _figure_host_vm_comms:
112
113 .. figure:: img/host_vm_comms.*
114
115    Host2VM Communication Example Using kni vhost Back End
116
117
118 Host2VM communication example
119
120 #.  Load the kni kernel module:
121
122     .. code-block:: console
123
124         insmod rte_kni.ko
125
126     Other basic DPDK preparations like hugepage enabling, uio port binding are not listed here.
127     Please refer to the *DPDK Getting Started Guide* for detailed instructions.
128
129 #.  Launch the kni user application:
130
131     .. code-block:: console
132
133         examples/kni/build/app/kni -l 0-3 -n 4 -- -p 0x1 -P --config="(0,1,3)"
134
135     This command generates one network device vEth0 for physical port.
136     If specify more physical ports, the generated network device will be vEth1, vEth2, and so on.
137
138     For each physical port, kni creates two user threads.
139     One thread loops to fetch packets from the physical NIC port into the kni receive queue.
140     The other user thread loops to send packets in the kni transmit queue.
141
142     For each physical port, kni also creates a kernel thread that retrieves packets from the kni receive queue,
143     place them onto kni's raw socket's queue and wake up the vhost kernel thread to exchange packets with the virtio virt queue.
144
145     For more details about kni, please refer to :ref:`kni`.
146
147 #.  Enable the kni raw socket functionality for the specified physical NIC port,
148     get the generated file descriptor and set it in the qemu command line parameter.
149     Always remember to set ioeventfd_on and vhost_on.
150
151     Example:
152
153     .. code-block:: console
154
155         echo 1 > /sys/class/net/vEth0/sock_en
156         fd=`cat /sys/class/net/vEth0/sock_fd`
157         exec qemu-system-x86_64 -enable-kvm -cpu host \
158         -m 2048 -smp 4 -name dpdk-test1-vm1 \
159         -drive file=/data/DPDKVMS/dpdk-vm.img \
160         -netdev tap, fd=$fd,id=mynet_kni, script=no,vhost=on \
161         -device virtio-net-pci,netdev=mynet_kni,bus=pci.0,addr=0x3,ioeventfd=on \
162         -vnc:1 -daemonize
163
164     In the above example, virtio port 0 in the guest VM will be associated with vEth0, which in turns corresponds to a physical port,
165     which means received packets come from vEth0, and transmitted packets is sent to vEth0.
166
167 #.  In the guest, bind the virtio device to the uio_pci_generic kernel module and start the forwarding application.
168     When the virtio port in guest bursts Rx, it is getting packets from the
169     raw socket's receive queue.
170     When the virtio port bursts Tx, it is sending packet to the tx_q.
171
172     .. code-block:: console
173
174         modprobe uio
175         echo 512 > /sys/devices/system/node/node0/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages
176         modprobe uio_pci_generic
177         python usertools/dpdk-devbind.py -b uio_pci_generic 00:03.0
178
179     We use testpmd as the forwarding application in this example.
180
181     .. figure:: img/console.*
182
183        Running testpmd
184
185 #.  Use IXIA packet generator to inject a packet stream into the KNI physical port.
186
187     The packet reception and transmission flow path is:
188
189     IXIA packet generator->82599 PF->KNI Rx queue->KNI raw socket queue->Guest
190     VM virtio port 0 Rx burst->Guest VM virtio port 0 Tx burst-> KNI Tx queue
191     ->82599 PF-> IXIA packet generator
192
193 Virtio with qemu virtio Back End
194 --------------------------------
195
196 .. _figure_host_vm_comms_qemu:
197
198 .. figure:: img/host_vm_comms_qemu.*
199
200    Host2VM Communication Example Using qemu vhost Back End
201
202
203 .. code-block:: console
204
205     qemu-system-x86_64 -enable-kvm -cpu host -m 2048 -smp 2 -mem-path /dev/
206     hugepages -mem-prealloc
207     -drive file=/data/DPDKVMS/dpdk-vm1
208     -netdev tap,id=vm1_p1,ifname=tap0,script=no,vhost=on
209     -device virtio-net-pci,netdev=vm1_p1,bus=pci.0,addr=0x3,ioeventfd=on
210     -device pci-assign,host=04:10.1 \
211
212 In this example, the packet reception flow path is:
213
214     IXIA packet generator->82599 PF->Linux Bridge->TAP0's socket queue-> Guest
215     VM virtio port 0 Rx burst-> Guest VM 82599 VF port1 Tx burst-> IXIA packet
216     generator
217
218 The packet transmission flow is:
219
220     IXIA packet generator-> Guest VM 82599 VF port1 Rx burst-> Guest VM virtio
221     port 0 Tx burst-> tap -> Linux Bridge->82599 PF-> IXIA packet generator
222
223
224 Virtio PMD Rx/Tx Callbacks
225 --------------------------
226
227 Virtio driver has 3 Rx callbacks and 2 Tx callbacks.
228
229 Rx callbacks:
230
231 #. ``virtio_recv_pkts``:
232    Regular version without mergeable Rx buffer support.
233
234 #. ``virtio_recv_mergeable_pkts``:
235    Regular version with mergeable Rx buffer support.
236
237 #. ``virtio_recv_pkts_vec``:
238    Vector version without mergeable Rx buffer support, also fixes the available
239    ring indexes and uses vector instructions to optimize performance.
240
241 Tx callbacks:
242
243 #. ``virtio_xmit_pkts``:
244    Regular version.
245
246 #. ``virtio_xmit_pkts_simple``:
247    Vector version fixes the available ring indexes to optimize performance.
248
249
250 By default, the non-vector callbacks are used:
251
252 *   For Rx: If mergeable Rx buffers is disabled then ``virtio_recv_pkts`` is
253     used; otherwise ``virtio_recv_mergeable_pkts``.
254
255 *   For Tx: ``virtio_xmit_pkts``.
256
257
258 Vector callbacks will be used when:
259
260 *   ``txq_flags`` is set to ``VIRTIO_SIMPLE_FLAGS`` (0xF01), which implies:
261
262     *   Single segment is specified.
263
264     *   No offload support is needed.
265
266 *   Mergeable Rx buffers is disabled.
267
268 The corresponding callbacks are:
269
270 *   For Rx: ``virtio_recv_pkts_vec``.
271
272 *   For Tx: ``virtio_xmit_pkts_simple``.
273
274
275 Example of using the vector version of the virtio poll mode driver in
276 ``testpmd``::
277
278    testpmd -l 0-2 -n 4 -- -i --txqflags=0xF01 --rxq=1 --txq=1 --nb-cores=1
279
280
281 Interrupt mode
282 --------------
283
284 .. _virtio_interrupt_mode:
285
286 There are three kinds of interrupts from a virtio device over PCI bus: config
287 interrupt, Rx interrupts, and Tx interrupts. Config interrupt is used for
288 notification of device configuration changes, especially link status (lsc).
289 Interrupt mode is translated into Rx interrupts in the context of DPDK.
290
291 Prerequisites for Rx interrupts
292 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
293
294 To support Rx interrupts,
295 #. Check if guest kernel supports VFIO-NOIOMMU:
296
297     Linux started to support VFIO-NOIOMMU since 4.8.0. Make sure the guest
298     kernel is compiled with:
299
300     .. code-block:: console
301
302         CONFIG_VFIO_NOIOMMU=y
303
304 #. Properly set msix vectors when starting VM:
305
306     Enable multi-queue when starting VM, and specify msix vectors in qemu
307     cmdline. (N+1) is the minimum, and (2N+2) is mostly recommended.
308
309     .. code-block:: console
310
311         $(QEMU) ... -device virtio-net-pci,mq=on,vectors=2N+2 ...
312
313 #. In VM, insert vfio module in NOIOMMU mode:
314
315     .. code-block:: console
316
317         modprobe vfio enable_unsafe_noiommu_mode=1
318         modprobe vfio-pci
319
320 #. In VM, bind the virtio device with vfio-pci:
321
322     .. code-block:: console
323
324         python usertools/dpdk-devbind.py -b vfio-pci 00:03.0
325
326 Example
327 ~~~~~~~
328
329 Here we use l3fwd-power as an example to show how to get started.
330
331     Example:
332
333     .. code-block:: console
334
335         $ l3fwd-power -l 0-1 -- -p 1 -P --config="(0,0,1)" \
336                                                --no-numa --parse-ptype