a6bee9ba2def3dbd78d089e5b1f19e24f432dad2
[deb_dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / packet_classif_access_ctrl.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 Packet Classification and Access Control
32 ========================================
33
34 The DPDK provides an Access Control library that gives the ability
35 to classify an input packet based on a set of classification rules.
36
37 The ACL library is used to perform an N-tuple search over a set of rules with multiple categories
38 and find the best match (highest priority) for each category.
39 The library API provides the following basic operations:
40
41 *   Create a new Access Control (AC) context.
42
43 *   Add rules into the context.
44
45 *   For all rules in the context, build the runtime structures necessary to perform packet classification.
46
47 *   Perform input packet classifications.
48
49 *   Destroy an AC context and its runtime structures and free the associated memory.
50
51 Overview
52 --------
53
54 Rule definition
55 ~~~~~~~~~~~~~~~
56
57 The current implementation allows the user for each AC context to specify its own rule (set of fields)
58 over which packet classification will be performed.
59 Though there are few restrictions on the rule fields layout:
60
61 *  First field in the rule definition has to be one byte long.
62 *  All subsequent fields has to be grouped into sets of 4 consecutive bytes.
63
64 This is done mainly for performance reasons - search function processes the first input byte as part of the flow setup and then the inner loop of the search function is unrolled to process four input bytes at a time.
65
66 To define each field inside an AC rule, the following structure is used:
67
68 .. code-block:: c
69
70     struct rte_acl_field_def {
71         uint8_t type;         /*< type - ACL_FIELD_TYPE. */
72         uint8_t size;         /*< size of field 1,2,4, or 8. */
73         uint8_t field_index;  /*< index of field inside the rule. */
74         uint8_t input_index;  /*< 0-N input index. */
75         uint32_t offset;      /*< offset to start of field. */
76     };
77
78 *   type
79     The field type is one of three choices:
80
81     *   _MASK - for fields such as IP addresses that have a value and a mask defining the number of relevant bits.
82
83     *   _RANGE - for fields such as ports that have a lower and upper value for the field.
84
85     *   _BITMASK - for fields such as protocol identifiers that have a value and a bit mask.
86
87 *   size
88     The size parameter defines the length of the field in bytes. Allowable values are 1, 2, 4, or 8 bytes.
89     Note that due to the grouping of input bytes, 1 or 2 byte fields must be defined as consecutive fields
90     that make up 4 consecutive input bytes.
91     Also, it is best to define fields of 8 or more bytes as 4 byte fields so that
92     the build processes can eliminate fields that are all wild.
93
94 *   field_index
95     A zero-based value that represents the position of the field inside the rule; 0 to N-1 for N fields.
96
97 *   input_index
98     As mentioned above, all input fields, except the very first one, must be in groups of 4 consecutive bytes.
99     The input index specifies to which input group that field belongs to.
100
101 *   offset
102     The offset field defines the offset for the field.
103     This is the offset from the beginning of the buffer parameter for the search.
104
105 For example, to define classification for the following IPv4 5-tuple structure:
106
107 .. code-block:: c
108
109     struct ipv4_5tuple {
110         uint8_t proto;
111         uint32_t ip_src;
112         uint32_t ip_dst;
113         uint16_t port_src;
114         uint16_t port_dst;
115     };
116
117 The following array of field definitions can be used:
118
119 .. code-block:: c
120
121     struct rte_acl_field_def ipv4_defs[5] = {
122         /* first input field - always one byte long. */
123         {
124             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_BITMASK,
125             .size = sizeof (uint8_t),
126             .field_index = 0,
127             .input_index = 0,
128             .offset = offsetof (struct ipv4_5tuple, proto),
129         },
130
131         /* next input field (IPv4 source address) - 4 consecutive bytes. */
132         {
133             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
134             .size = sizeof (uint32_t),
135             .field_index = 1,
136             .input_index = 1,
137            .offset = offsetof (struct ipv4_5tuple, ip_src),
138         },
139
140         /* next input field (IPv4 destination address) - 4 consecutive bytes. */
141         {
142             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
143             .size = sizeof (uint32_t),
144             .field_index = 2,
145             .input_index = 2,
146            .offset = offsetof (struct ipv4_5tuple, ip_dst),
147         },
148
149         /*
150          * Next 2 fields (src & dst ports) form 4 consecutive bytes.
151          * They share the same input index.
152          */
153         {
154             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_RANGE,
155             .size = sizeof (uint16_t),
156             .field_index = 3,
157             .input_index = 3,
158             .offset = offsetof (struct ipv4_5tuple, port_src),
159         },
160
161         {
162             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_RANGE,
163             .size = sizeof (uint16_t),
164             .field_index = 4,
165             .input_index = 3,
166             .offset = offsetof (struct ipv4_5tuple, port_dst),
167         },
168     };
169
170 A typical example of such an IPv4 5-tuple rule is a follows:
171
172 ::
173
174     source addr/mask  destination addr/mask  source ports dest ports protocol/mask
175     192.168.1.0/24    192.168.2.31/32        0:65535      1234:1234  17/0xff
176
177 Any IPv4 packets with protocol ID 17 (UDP), source address 192.168.1.[0-255], destination address 192.168.2.31,
178 source port [0-65535] and destination port 1234 matches the above rule.
179
180 To define classification for the IPv6 2-tuple: <protocol, IPv6 source address> over the following IPv6 header structure:
181
182 .. code-block:: c
183
184     struct struct ipv6_hdr {
185         uint32_t vtc_flow;     /* IP version, traffic class & flow label. */
186         uint16_t payload_len;  /* IP packet length - includes sizeof(ip_header). */
187         uint8_t proto;         /* Protocol, next header. */
188         uint8_t hop_limits;    /* Hop limits. */
189         uint8_t src_addr[16];  /* IP address of source host. */
190         uint8_t dst_addr[16];  /* IP address of destination host(s). */
191     } __attribute__((__packed__));
192
193 The following array of field definitions can be used:
194
195 .. code-block:: c
196
197     struct struct rte_acl_field_def ipv6_2tuple_defs[5] = {
198         {
199             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_BITMASK,
200             .size = sizeof (uint8_t),
201             .field_index = 0,
202             .input_index = 0,
203             .offset = offsetof (struct ipv6_hdr, proto),
204         },
205
206         {
207             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
208             .size = sizeof (uint32_t),
209             .field_index = 1,
210             .input_index = 1,
211             .offset = offsetof (struct ipv6_hdr, src_addr[0]),
212         },
213
214         {
215             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
216             .size = sizeof (uint32_t),
217             .field_index = 2,
218             .input_index = 2,
219             .offset = offsetof (struct ipv6_hdr, src_addr[4]),
220         },
221
222         {
223             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
224             .size = sizeof (uint32_t),
225             .field_index = 3,
226             .input_index = 3,
227            .offset = offsetof (struct ipv6_hdr, src_addr[8]),
228         },
229
230         {
231            .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
232            .size = sizeof (uint32_t),
233            .field_index = 4,
234            .input_index = 4,
235            .offset = offsetof (struct ipv6_hdr, src_addr[12]),
236         },
237     };
238
239 A typical example of such an IPv6 2-tuple rule is a follows:
240
241 ::
242
243     source addr/mask                              protocol/mask
244     2001:db8:1234:0000:0000:0000:0000:0000/48     6/0xff
245
246 Any IPv6 packets with protocol ID 6 (TCP), and source address inside the range
247 [2001:db8:1234:0000:0000:0000:0000:0000 - 2001:db8:1234:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff] matches the above rule.
248
249 In the following example the last element of the search key is 8-bit long.
250 So it is a case where the 4 consecutive bytes of an input field are not fully occupied.
251 The structure for the classification is:
252
253 .. code-block:: c
254
255     struct acl_key {
256         uint8_t ip_proto;
257         uint32_t ip_src;
258         uint32_t ip_dst;
259         uint8_t tos;      /*< This is partially using a 32-bit input element */
260     };
261
262 The following array of field definitions can be used:
263
264 .. code-block:: c
265
266     struct rte_acl_field_def ipv4_defs[4] = {
267         /* first input field - always one byte long. */
268         {
269             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_BITMASK,
270             .size = sizeof (uint8_t),
271             .field_index = 0,
272             .input_index = 0,
273             .offset = offsetof (struct acl_key, ip_proto),
274         },
275
276         /* next input field (IPv4 source address) - 4 consecutive bytes. */
277         {
278             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
279             .size = sizeof (uint32_t),
280             .field_index = 1,
281             .input_index = 1,
282            .offset = offsetof (struct acl_key, ip_src),
283         },
284
285         /* next input field (IPv4 destination address) - 4 consecutive bytes. */
286         {
287             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
288             .size = sizeof (uint32_t),
289             .field_index = 2,
290             .input_index = 2,
291            .offset = offsetof (struct acl_key, ip_dst),
292         },
293
294         /*
295          * Next element of search key (Type of Service) is indeed 1 byte long.
296          * Anyway we need to allocate all the 4 consecutive bytes for it.
297          */
298         {
299             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_BITMASK,
300             .size = sizeof (uint32_t), /* All the 4 consecutive bytes are allocated */
301             .field_index = 3,
302             .input_index = 3,
303             .offset = offsetof (struct acl_key, tos),
304         },
305     };
306
307 A typical example of such an IPv4 4-tuple rule is as follows:
308
309 ::
310
311     source addr/mask  destination addr/mask  tos/mask protocol/mask
312     192.168.1.0/24    192.168.2.31/32        1/0xff   6/0xff
313
314 Any IPv4 packets with protocol ID 6 (TCP), source address 192.168.1.[0-255], destination address 192.168.2.31,
315 ToS 1 matches the above rule.
316
317 When creating a set of rules, for each rule, additional information must be supplied also:
318
319 *   **priority**: A weight to measure the priority of the rules (higher is better).
320     If the input tuple matches more than one rule, then the rule with the higher priority is returned.
321     Note that if the input tuple matches more than one rule and these rules have equal priority,
322     it is undefined which rule is returned as a match.
323     It is recommended to assign a unique priority for each rule.
324
325 *   **category_mask**: Each rule uses a bit mask value to select the relevant category(s) for the rule.
326     When a lookup is performed, the result for each category is returned.
327     This effectively provides a "parallel lookup" by enabling a single search to return multiple results if,
328     for example, there were four different sets of ACL rules, one for access control, one for routing, and so on.
329     Each set could be assigned its own category and by combining them into a single database,
330     one lookup returns a result for each of the four sets.
331
332 *   **userdata**: A user-defined value.
333     For each category, a successful match returns the userdata field of the highest priority matched rule.
334     When no rules match, returned value is zero.
335
336 .. note::
337
338     When adding new rules into an ACL context, all fields must be in host byte order (LSB).
339     When the search is performed for an input tuple, all fields in that tuple must be in network byte order (MSB).
340
341 RT memory size limit
342 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
343
344 Build phase (rte_acl_build()) creates for a given set of rules internal structure for further run-time traversal.
345 With current implementation it is a set of multi-bit tries (with stride == 8).
346 Depending on the rules set, that could consume significant amount of memory.
347 In attempt to conserve some space ACL build process tries to split the given
348 rule-set into several non-intersecting subsets and construct a separate trie
349 for each of them.
350 Depending on the rule-set, it might reduce RT memory requirements but might
351 increase classification time.
352 There is a possibility at build-time to specify maximum memory limit for internal RT structures for given AC context.
353 It could be done via **max_size** field of the **rte_acl_config** structure.
354 Setting it to the value greater than zero, instructs rte_acl_build() to:
355
356 *   attempt to minimize number of tries in the RT table, but
357 *   make sure that size of RT table wouldn't exceed given value.
358
359 Setting it to zero makes rte_acl_build() to use the default behavior:
360 try to minimize size of the RT structures, but doesn't expose any hard limit on it.
361
362 That gives the user the ability to decisions about performance/space trade-off.
363 For example:
364
365 .. code-block:: c
366
367     struct rte_acl_ctx * acx;
368     struct rte_acl_config cfg;
369     int ret;
370
371     /*
372      * assuming that acx points to already created and
373      * populated with rules AC context and cfg filled properly.
374      */
375
376      /* try to build AC context, with RT structures less then 8MB. */
377      cfg.max_size = 0x800000;
378      ret = rte_acl_build(acx, &cfg);
379
380      /*
381       * RT structures can't fit into 8MB for given context.
382       * Try to build without exposing any hard limit.
383       */
384      if (ret == -ERANGE) {
385         cfg.max_size = 0;
386         ret = rte_acl_build(acx, &cfg);
387      }
388
389
390
391 Classification methods
392 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
393
394 After rte_acl_build() over given AC context has finished successfully, it can be used to perform classification - search for a rule with highest priority over the input data.
395 There are several implementations of classify algorithm:
396
397 *   **RTE_ACL_CLASSIFY_SCALAR**: generic implementation, doesn't require any specific HW support.
398
399 *   **RTE_ACL_CLASSIFY_SSE**: vector implementation, can process up to 8 flows in parallel. Requires SSE 4.1 support.
400
401 *   **RTE_ACL_CLASSIFY_AVX2**: vector implementation, can process up to 16 flows in parallel. Requires AVX2 support.
402
403 It is purely a runtime decision which method to choose, there is no build-time difference.
404 All implementations operates over the same internal RT structures and use similar principles. The main difference is that vector implementations can manually exploit IA SIMD instructions and process several input data flows in parallel.
405 At startup ACL library determines the highest available classify method for the given platform and sets it as default one. Though the user has an ability to override the default classifier function for a given ACL context or perform particular search using non-default classify method. In that case it is user responsibility to make sure that given platform supports selected classify implementation.
406
407 Application Programming Interface (API) Usage
408 ---------------------------------------------
409
410 .. note::
411
412     For more details about the Access Control API, please refer to the *DPDK API Reference*.
413
414 The following example demonstrates IPv4, 5-tuple classification for rules defined above
415 with multiple categories in more detail.
416
417 Classify with Multiple Categories
418 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
419
420 .. code-block:: c
421
422     struct rte_acl_ctx * acx;
423     struct rte_acl_config cfg;
424     int ret;
425
426     /* define a structure for the rule with up to 5 fields. */
427
428     RTE_ACL_RULE_DEF(acl_ipv4_rule, RTE_DIM(ipv4_defs));
429
430     /* AC context creation parameters. */
431
432     struct rte_acl_param prm = {
433         .name = "ACL_example",
434         .socket_id = SOCKET_ID_ANY,
435         .rule_size = RTE_ACL_RULE_SZ(RTE_DIM(ipv4_defs)),
436
437         /* number of fields per rule. */
438
439         .max_rule_num = 8, /* maximum number of rules in the AC context. */
440     };
441
442     struct acl_ipv4_rule acl_rules[] = {
443
444         /* matches all packets traveling to 192.168.0.0/16, applies for categories: 0,1 */
445         {
446             .data = {.userdata = 1, .category_mask = 3, .priority = 1},
447
448             /* destination IPv4 */
449             .field[2] = {.value.u32 = IPv4(192,168,0,0),. mask_range.u32 = 16,},
450
451             /* source port */
452             .field[3] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
453
454             /* destination port */
455            .field[4] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
456         },
457
458         /* matches all packets traveling to 192.168.1.0/24, applies for categories: 0 */
459         {
460             .data = {.userdata = 2, .category_mask = 1, .priority = 2},
461
462             /* destination IPv4 */
463             .field[2] = {.value.u32 = IPv4(192,168,1,0),. mask_range.u32 = 24,},
464
465             /* source port */
466             .field[3] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
467
468             /* destination port */
469             .field[4] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
470         },
471
472         /* matches all packets traveling from 10.1.1.1, applies for categories: 1 */
473         {
474             .data = {.userdata = 3, .category_mask = 2, .priority = 3},
475
476             /* source IPv4 */
477             .field[1] = {.value.u32 = IPv4(10,1,1,1),. mask_range.u32 = 32,},
478
479             /* source port */
480             .field[3] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
481
482             /* destination port */
483             .field[4] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
484         },
485
486     };
487
488
489     /* create an empty AC context  */
490
491     if ((acx = rte_acl_create(&prm)) == NULL) {
492
493         /* handle context create failure. */
494
495     }
496
497     /* add rules to the context */
498
499     ret = rte_acl_add_rules(acx, acl_rules, RTE_DIM(acl_rules));
500     if (ret != 0) {
501        /* handle error at adding ACL rules. */
502     }
503
504     /* prepare AC build config. */
505
506     cfg.num_categories = 2;
507     cfg.num_fields = RTE_DIM(ipv4_defs);
508
509     memcpy(cfg.defs, ipv4_defs, sizeof (ipv4_defs));
510
511     /* build the runtime structures for added rules, with 2 categories. */
512
513     ret = rte_acl_build(acx, &cfg);
514     if (ret != 0) {
515        /* handle error at build runtime structures for ACL context. */
516     }
517
518 For a tuple with source IP address: 10.1.1.1 and destination IP address: 192.168.1.15,
519 once the following lines are executed:
520
521 .. code-block:: c
522
523     uint32_t results[4]; /* make classify for 4 categories. */
524
525     rte_acl_classify(acx, data, results, 1, 4);
526
527 then the results[] array contains:
528
529 .. code-block:: c
530
531     results[4] = {2, 3, 0, 0};
532
533 *   For category 0, both rules 1 and 2 match, but rule 2 has higher priority,
534     therefore results[0] contains the userdata for rule 2.
535
536 *   For category 1, both rules 1 and 3 match, but rule 3 has higher priority,
537     therefore results[1] contains the userdata for rule 3.
538
539 *   For categories 2 and 3, there are no matches, so results[2] and results[3] contain zero,
540     which indicates that no matches were found for those categories.
541
542 For a tuple with source IP address: 192.168.1.1 and destination IP address: 192.168.2.11,
543 once the following lines are executed:
544
545 .. code-block:: c
546
547     uint32_t results[4]; /* make classify by 4 categories. */
548
549     rte_acl_classify(acx, data, results, 1, 4);
550
551 the results[] array contains:
552
553 .. code-block:: c
554
555     results[4] = {1, 1, 0, 0};
556
557 *   For categories 0 and 1, only rule 1 matches.
558
559 *   For categories 2 and 3, there are no matches.
560
561 For a tuple with source IP address: 10.1.1.1 and destination IP address: 201.212.111.12,
562 once the following lines are executed:
563
564 .. code-block:: c
565
566     uint32_t results[4]; /* make classify by 4 categories. */
567     rte_acl_classify(acx, data, results, 1, 4);
568
569 the results[] array contains:
570
571 .. code-block:: c
572
573     results[4] = {0, 3, 0, 0};
574
575 *   For category 1, only rule 3 matches.
576
577 *   For categories 0, 2 and 3, there are no matches.