New upstream version 18.02
[deb_dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / member_lib.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2017 Intel Corporation.
3
4 .. _member_library:
5
6 Membership Library
7 ==================
8
9 Introduction
10 ------------
11
12 The DPDK Membership Library provides an API for DPDK applications to insert a
13 new member, delete an existing member, or query the existence of a member in a
14 given set, or a group of sets. For the case of a group of sets, the library
15 will return not only whether the element has been inserted before in one of
16 the sets but also which set it belongs to.  The Membership Library is an
17 extension and generalization of a traditional filter structure (for example
18 Bloom Filter [Member-bloom]) that has multiple usages in a wide variety of
19 workloads and applications. In general, the Membership Library is a data
20 structure that provides a "set-summary" on whether a member belongs to a set,
21 and as discussed in detail later, there are two advantages of using such a
22 set-summary rather than operating on a "full-blown" complete list of elements:
23 first, it has a much smaller storage requirement than storing the whole list of
24 elements themselves, and secondly checking an element membership (or other
25 operations) in this set-summary is much faster than checking it for the
26 original full-blown complete list of elements.
27
28 We use the term "Set-Summary" in this guide to refer to the space-efficient,
29 probabilistic membership data structure that is provided by the library. A
30 membership test for an element will return the set this element belongs to or
31 that the element is "not-found" with very high probability of accuracy. Set-summary
32 is a fundamental data aggregation component that can be used in many network
33 (and other) applications. It is a crucial structure to address performance and
34 scalability issues of diverse network applications including overlay networks,
35 data-centric networks, flow table summaries, network statistics and
36 traffic monitoring. A set-summary is useful for applications who need to
37 include a list of elements while a complete list requires too much space
38 and/or too much processing cost. In these situations, the set-summary works as
39 a lossy hash-based representation of a set of members. It can dramatically
40 reduce space requirement and significantly improve the performance of set
41 membership queries at the cost of introducing a very small membership test error
42 probability.
43
44 .. _figure_membership1:
45 .. figure:: img/member_i1.*
46
47   Example Usages of Membership Library
48
49 There are various usages for a Membership Library in a very
50 large set of applications and workloads. Interested readers can refer to
51 [Member-survey] for a survey of possible networking usages. The above figure
52 provide a small set of examples of using the Membership Library:
53
54 * Sub-figure (a)
55   depicts a distributed web cache architecture where a collection of proxies
56   attempt to share their web caches (cached from a set of back-end web servers) to
57   provide faster responses to clients, and the proxies use the Membership
58   Library to share summaries of what web pages/objects they are caching. With the
59   Membership Library, a proxy receiving an http request will inquire the
60   set-summary to find its location and quickly determine whether to retrieve the
61   requested web page from a nearby proxy or from a back-end web server.
62
63 * Sub-figure (b) depicts another example for using the Membership Library to
64   prevent routing loops which is typically done using slow TTL countdown and
65   dropping packets when TTL expires. As shown in Sub-figure (b), an embedded
66   set-summary in the packet header itself can be used to summarize the set of
67   nodes a packet has gone through, and each node upon receiving a packet can check
68   whether its id is a member of the set of visited nodes, and if it is, then a
69   routing loop is detected.
70
71 * Sub-Figure (c) presents another usage of the Membership
72   Library to load-balance flows to worker threads with in-order guarantee where a
73   set-summary is used to query if a packet belongs to an existing flow or a new
74   flow. Packets belonging to a new flow are forwarded to the current least loaded
75   worker thread, while those belonging to an existing flow are forwarded to the
76   pre-assigned thread to guarantee in-order processing.
77
78 * Sub-figure (d) highlights
79   yet another usage example in the database domain where a set-summary is used to
80   determine joins between sets instead of creating a join by comparing each
81   element of a set against the other elements in a different set, a join is done
82   on the summaries since they can efficiently encode members of a given set.
83
84 Membership Library is a configurable library that is optimized to cover set
85 membership functionality for both a single set and multi-set scenarios. Two set-summary
86 schemes are presented including (a) vector of Bloom Filters and (b) Hash-Table based
87 set-summary schemes with and without false negative probability.
88 This guide first briefly describes these different types of set-summaries, usage examples for each,
89 and then it highlights the Membership Library API.
90
91 Vector of Bloom Filters
92 -----------------------
93
94 Bloom Filter (BF) [Member-bloom] is a well-known space-efficient
95 probabilistic data structure that answers set membership queries (test whether
96 an element is a member of a set) with some probability of false positives and
97 zero false negatives; a query for an element returns either it is "possibly in
98 a set" (with very high probability) or "definitely not in a set".
99
100 The BF is a method for representing a set of ``n`` elements (for example flow keys
101 in network applications domain) to support membership queries. The idea of BF is
102 to allocate a bit-vector ``v`` with ``m`` bits, which are initially all set to 0. Then
103 it chooses ``k`` independent hash functions ``h1``, ``h2``, ... ``hk`` with hash values range from
104 ``0`` to ``m-1`` to perform hashing calculations on each element to be inserted. Every time when an
105 element ``X`` being inserted into the set, the bits at positions ``h1(X)``, ``h2(X)``, ...
106 ``hk(X)`` in ``v`` are set to 1 (any particular bit might be set to 1 multiple times
107 for multiple different inserted elements). Given a query for any element ``Y``, the
108 bits at positions ``h1(Y)``, ``h2(Y)``, ... ``hk(Y)`` are checked. If any of them is 0,
109 then Y is definitely not in the set. Otherwise there is a high probability that
110 Y is a member of the set with certain false positive probability. As shown in
111 the next equation, the false positive probability can be made arbitrarily small
112 by changing the number of hash functions (``k``) and the vector length (``m``).
113
114 .. _figure_membership2:
115 .. figure:: img/member_i2.*
116
117   Bloom Filter False Positive Probability
118
119 Without BF, an accurate membership testing could involve a costly hash table
120 lookup and full element comparison. The advantage of using a BF is to simplify
121 the membership test into a series of hash calculations and memory accesses for a
122 small bit-vector, which can be easily optimized. Hence the lookup throughput
123 (set membership test) can be significantly faster than a normal hash table
124 lookup with element comparison.
125
126 .. _figure_membership3:
127 .. figure:: img/member_i3.*
128
129   Detecting Routing Loops Using BF
130
131 BF is used for applications that need only one set, and the
132 membership of elements is checked against the BF. The example discussed
133 in the above figure is one example of potential applications that uses only one
134 set to capture the node IDs that have been visited so far by the packet. Each
135 node will then check this embedded BF in the packet header for its own id, and
136 if the BF indicates that the current node is definitely not in the set then a
137 loop-free route is guaranteed.
138
139
140 .. _figure_membership4:
141 .. figure:: img/member_i4.*
142
143   Vector Bloom Filter (vBF) Overview
144
145 To support membership test for both multiple sets and a single set,
146 the library implements a Vector Bloom Filter (vBF) scheme.
147 vBF basically composes multiple bloom filters into a vector of bloom filers.
148 The membership test is conducted on all of the
149 bloom filters concurrently to determine which set(s) it belongs to or none of
150 them. The basic idea of vBF is shown in the above figure where an element is
151 used to address multiple bloom filters concurrently and the bloom filter
152 index(es) with a hit is returned.
153
154 .. _figure_membership5:
155 .. figure:: img/member_i5.*
156
157   vBF for Flow Scheduling to Worker Thread
158
159 As previously mentioned, there are many usages of such structures. vBF is used
160 for applications that need to check membership against multiple sets
161 simultaneously. The example shown in the above figure uses a set to capture
162 all flows being assigned for processing at a given worker thread. Upon receiving
163 a packet the vBF is used to quickly figure out if this packet belongs to a new flow
164 so as to be forwarded to the current least loaded worker thread, or otherwise it
165 should be queued for an existing thread to guarantee in-order processing (i.e.
166 the property of vBF to indicate right away that a given flow is a new one or
167 not is critical to minimize response time latency).
168
169 It should be noted that vBF can be implemented using a set of single bloom
170 filters with sequential lookup of each BF. However, being able to concurrently
171 search all set-summaries is a big throughput advantage. In the library, certain
172 parallelism is realized by the implementation of checking all bloom filters
173 together.
174
175
176 Hash-Table based Set-Summaries
177 ------------------------------
178
179 Hash-table based set-summary (HTSS) is another scheme in the membership library.
180 Cuckoo filter [Member-cfilter] is an example of HTSS.
181 HTSS supports multi-set membership testing like
182 vBF does. However, while vBF is better for a small number of targets, HTSS is more suitable
183 and can easily outperform vBF when the number of sets is
184 large, since HTSS uses a single hash table for membership testing while vBF
185 requires testing a series of Bloom Filters each corresponding to one set.
186 As a result, generally speaking vBF is more adequate for the case of a small limited number of sets
187 while HTSS should be used with a larger number of sets.
188
189 .. _figure_membership6:
190 .. figure:: img/member_i6.*
191
192   Using HTSS for Attack Signature Matching
193
194 As shown in the above figure, attack signature matching where each set
195 represents a certain signature length (for correctness of this example, an
196 attack signature should not be a subset of another one) in the payload is a good
197 example for using HTSS with 0% false negative (i.e., when an element returns not
198 found, it has a 100% certainty that it is not a member of any set).  The packet
199 inspection application benefits from knowing right away that the current payload
200 does not match any attack signatures in the database to establish its
201 legitimacy, otherwise a deep inspection of the packet is needed.
202
203 HTSS employs a similar but simpler data structure to a traditional hash table,
204 and the major difference is that HTSS stores only the signatures but not the
205 full keys/elements which can significantly reduce the footprint of the table.
206 Along with the signature, HTSS also stores a value to indicate the target set.
207 When looking up an element, the element is hashed and the HTSS is addressed
208 to retrieve the signature stored. If the signature matches then the value is
209 retrieved corresponding to the index of the target set which the element belongs
210 to. Because signatures can collide, HTSS can still has false positive
211 probability. Furthermore, if elements are allowed to be
212 overwritten or evicted when the hash table becomes full, it will also have a
213 false negative probability. We discuss this case in the next section.
214
215 Set-Summaries with False Negative Probability
216 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
217
218 As previously mentioned, traditional set-summaries (e.g. Bloom Filters) do not
219 have a false negative probability, i.e., it is 100% certain when an element
220 returns "not to be present" for a given set. However, the Membership Library
221 also supports a set-summary probabilistic data structure based on HTSS which
222 allows for false negative probability.
223
224 In HTSS, when the hash table becomes full, keys/elements will fail to be added
225 into the table and the hash table has to be resized to accommodate for these new
226 elements, which can be expensive. However, if we allow new elements to overwrite
227 or evict existing elements (as a cache typically does), then the resulting
228 set-summary will begin to have false negative probability. This is because the
229 element that was evicted from the set-summary may still be present in the target
230 set. For subsequent inquiries the set-summary will falsely report the element
231 not being in the set, hence having a false negative probability.
232
233 The major usage of HTSS with false negative is to use it as a cache for
234 distributing elements to different target sets. By allowing HTSS to evict old
235 elements, the set-summary can keep track of the most recent elements
236 (i.e. active) as a cache typically does. Old inactive elements (infrequently
237 used elements) will automatically and eventually get evicted from the
238 set-summary. It is worth noting that the set-summary still has false positive
239 probability, which means the application either can tolerate certain false positive
240 or it has fall-back path when false positive happens.
241
242 .. _figure_membership7:
243 .. figure:: img/member_i7.*
244
245   Using HTSS with False Negatives for Wild Card Classification
246
247 HTSS with false negative (i.e. a cache) also has its wide set of applications.
248 For example wild card flow classification (e.g. ACL rules) highlighted in the
249 above figure is an example of such application. In that case each target set
250 represents a sub-table with rules defined by a certain flow mask. The flow masks
251 are non-overlapping, and for flows matching more than one rule only the highest
252 priority one is inserted in the corresponding sub-table (interested readers can
253 refer to the Open vSwitch (OvS) design of Mega Flow Cache (MFC) [Member-OvS]
254 for further details). Typically the rules will have a large number of distinct
255 unique masks and hence, a large number of target sets each corresponding to one
256 mask. Because the active set of flows varies widely based on the network
257 traffic, HTSS with false negative will act as a cache for <flowid, target ACL
258 sub-table> pair for the current active set of flows. When a miss occurs (as
259 shown in red in the above figure) the sub-tables will be searched sequentially
260 one by one for a possible match, and when found the flow key and target
261 sub-table will be inserted into the set-summary (i.e. cache insertion) so
262 subsequent packets from the same flow don’t incur the overhead of the
263 sequential search of sub-tables.
264
265 Library API Overview
266 --------------------
267
268 The design goal of the Membership Library API is to be as generic as possible to
269 support all the different types of set-summaries we discussed in previous
270 sections and beyond. Fundamentally, the APIs need to include creation,
271 insertion, deletion, and lookup.
272
273
274 Set-summary Create
275 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
276
277 The ``rte_member_create()`` function is used to create a set-summary structure, the input parameter
278 is a struct to pass in parameters that needed to initialize the set-summary, while the function returns the
279 pointer to the created set-summary or ``NULL`` if the creation failed.
280
281 The general input arguments used when creating the set-summary should include ``name``
282 which is the name of the created set-summary, *type* which is one of the types
283 supported by the library (e.g. ``RTE_MEMBER_TYPE_HT`` for HTSS or ``RTE_MEMBER_TYPE_VBF`` for vBF), and ``key_len``
284 which is the length of the element/key. There are other parameters
285 are only used for certain type of set-summary, or which have a slightly different meaning for different types of set-summary.
286 For example, ``num_keys`` parameter means the maximum number of entries for Hash table based set-summary.
287 However, for bloom filter, this value means the expected number of keys that could be
288 inserted into the bloom filter(s). The value is used to calculate the size of each
289 bloom filter.
290
291 We also pass two seeds: ``prim_hash_seed`` and
292 ``sec_hash_seed`` for the primary and secondary hash functions to calculate two independent hash values.
293 ``socket_id`` parameter is the NUMA socket ID for the memory used to create the
294 set-summary. For HTSS, another parameter ``is_cache`` is used to indicate
295 if this set-summary is a cache (i.e. with false negative probability) or not.
296 For vBF, extra parameters are needed. For example, ``num_set`` is the number of
297 sets needed to initialize the vector bloom filters. This number is equal to the
298 number of bloom filters will be created.
299 ``false_pos_rate`` is the false positive rate. num_keys and false_pos_rate will be used to determine
300 the number of hash functions and the bloom filter size.
301
302
303 Set-summary Element Insertion
304 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
305
306 The ``rte_member_add()`` function is used to insert an element/key into a set-summary structure. If it fails an
307 error is returned. For success the returned value is dependent on the
308 set-summary mode to provide extra information for the users. For vBF
309 mode, a return value of 0 means a successful insert. For HTSS mode without false negative, the insert
310 could fail with ``-ENOSPC`` if the table is full. With false negative (i.e. cache mode),
311 for insert that does not cause any eviction (i.e. no overwriting happens to an
312 existing entry) the return value is 0. For insertion that causes eviction, the return
313 value is 1 to indicate such situation, but it is not an error.
314
315 The input arguments for the function should include the ``key`` which is a pointer to the element/key that needs to
316 be added to the set-summary, and ``set_id`` which is the set id associated
317 with the key that needs to be added.
318
319
320 Set-summary Element Lookup
321 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
322
323 The ``rte_member_lookup()`` function looks up a single key/element in the set-summary structure. It
324 returns as soon as the first match is found. The return value is 1 if a
325 match is found and 0 otherwise. The arguments for the function include ``key`` which is a pointer to the
326 element/key that needs to be looked up, and ``set_id`` which is used to return the
327 first target set id where the key has matched, if any.
328
329 The ``rte_member_lookup_bulk()`` function is used to look up a bulk of keys/elements in the
330 set-summary structure for their first match. Each key lookup returns as soon as the first match is found. The
331 return value is the number of keys that find a match. The arguments of the function include ``keys``
332 which is a pointer to a bulk of keys that are to be looked up,
333 ``num_keys`` is the number
334 of keys that will be looked up, and ``set_ids`` are the return target set
335 ids for the first match found for each of the input keys. ``set_ids`` is an array
336 needs to be sized according to the ``num_keys``. If there is no match, the set id
337 for that key will be set to RTE_MEMBER_NO_MATCH.
338
339 The ``rte_member_lookup_multi()`` function looks up a single key/element in the
340 set-summary structure for multiple matches. It
341 returns ALL the matches (possibly more than one) found for this key when it
342 is matched against all target sets (it is worth noting that for cache mode HTSS,
343 the current implementation matches at most one target set). The return value is
344 the number of matches
345 that was found for this key (for cache mode HTSS the return value
346 should be at most 1). The arguments for the function include ``key`` which is a pointer to the
347 element/key that needs to be looked up, ``max_match_per_key`` which is to indicate the maximum number of matches
348 the user expects to find for each key, and ``set_id`` which is used to return all
349 target set ids where the key has matched, if any. The ``set_id`` array should be sized
350 according to ``max_match_per_key``. For vBF, the maximum number of matches per key is equal
351 to the number of sets. For HTSS, the maximum number of matches per key is equal to two time
352 entry count per bucket. ``max_match_per_key`` should be equal or smaller than the maximum number of
353 possible matches.
354
355 The ``rte_membership_lookup_multi_bulk()`` function looks up a bulk of keys/elements in the
356 set-summary structure for multiple matches, each key lookup returns ALL the matches (possibly more
357 than one) found for this key when it is matched against all target sets (cache mode HTSS
358 matches at most one target set). The
359 return value is the number of keys that find one or more matches in the
360 set-summary structure. The arguments of the
361 function include ``keys`` which is
362 a pointer to a bulk of keys that are to be looked up, ``num_keys`` is the number
363 of keys that will be looked up, ``max_match_per_key`` is the possible
364 maximum number of matches for each key, ``match_count`` which is the returned number
365 of matches for each key, and ``set_ids`` are the returned target set
366 ids for all matches found for each keys. ``set_ids`` is 2-D array
367 containing a 1-D array for each key (the size of 1-D array per key should be set by the user according to ``max_match_per_key``).
368 ``max_match_per_key`` should be equal or smaller than the maximum number of
369 possible matches, similar to ``rte_member_lookup_multi``.
370
371
372 Set-summary Element Delete
373 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
374
375 The ``rte_membership_delete()`` function deletes an element/key from a set-summary structure, if it fails
376 an error is returned. The input arguments should include ``key`` which is a pointer to the
377 element/key that needs to be deleted from the set-summary, and ``set_id``
378 which is the set id associated with the key to delete. It is worth noting that current
379 implementation of vBF does not support deletion [1]_. An error code ``-EINVAL`` will be returned.
380
381 .. [1] Traditional bloom filter does not support proactive deletion. Supporting proactive deletion require additional implementation and performance overhead.
382
383 References
384 -----------
385
386 [Member-bloom] B H Bloom, "Space/Time Trade-offs in Hash Coding with Allowable Errors," Communications of the ACM, 1970.
387
388 [Member-survey] A Broder and M Mitzenmacher, "Network Applications of Bloom Filters: A Survey," in Internet Mathematics, 2005.
389
390 [Member-cfilter] B Fan, D G Andersen and M Kaminsky, "Cuckoo Filter: Practically Better Than Bloom," in Conference on emerging Networking Experiments and Technologies, 2014.
391
392 [Member-OvS] B Pfaff, "The Design and Implementation of Open vSwitch," in NSDI, 2015.