158f4b4472b89d89fffb1b4023f48108b342140f
[deb_dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l2_forward_crypto.rst
1 ..  BSD LICENSE
2     Copyright(c) 2016-2017 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 .. _l2_fwd_crypto_app:
32
33 L2 Forwarding with Crypto Sample Application
34 ============================================
35
36 The L2 Forwarding with Crypto (l2fwd-crypto) sample application is a simple example of packet processing using
37 the Data Plane Development Kit (DPDK), in conjunction with the Cryptodev library.
38
39 Overview
40 --------
41
42 The L2 Forwarding with Crypto sample application performs a crypto operation (cipher/hash)
43 specified by the user from command line (or using the default values),
44 with a crypto device capable of doing that operation,
45 for each packet that is received on a RX_PORT and performs L2 forwarding.
46 The destination port is the adjacent port from the enabled portmask, that is,
47 if the first four ports are enabled (portmask 0xf),
48 ports 0 and 1 forward into each other, and ports 2 and 3 forward into each other.
49 Also, if MAC addresses updating is enabled, the MAC addresses are affected as follows:
50
51 *   The source MAC address is replaced by the TX_PORT MAC address
52
53 *   The destination MAC address is replaced by  02:00:00:00:00:TX_PORT_ID
54
55 Compiling the Application
56 -------------------------
57
58 #.  Go to the example directory:
59
60     .. code-block:: console
61
62         export RTE_SDK=/path/to/rte_sdk
63         cd ${RTE_SDK}/examples/l2fwd-crypto
64
65 #.  Set the target (a default target is used if not specified). For example:
66
67     .. code-block:: console
68
69         export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
70
71     *See the DPDK Getting Started Guide* for possible RTE_TARGET values.
72
73 #.  Build the application:
74
75     .. code-block:: console
76
77         make
78
79 Running the Application
80 -----------------------
81
82 The application requires a number of command line options:
83
84 .. code-block:: console
85
86     ./build/l2fwd-crypto [EAL options] -- [-p PORTMASK] [-q NQ] [-s] [-T PERIOD] /
87     [--cdev_type HW/SW/ANY] [--chain HASH_CIPHER/CIPHER_HASH/CIPHER_ONLY/HASH_ONLY/AEAD] /
88     [--cipher_algo ALGO] [--cipher_op ENCRYPT/DECRYPT] [--cipher_key KEY] /
89     [--cipher_key_random_size SIZE] [--cipher_iv IV] [--cipher_iv_random_size SIZE] /
90     [--auth_algo ALGO] [--auth_op GENERATE/VERIFY] [--auth_key KEY] /
91     [--auth_key_random_size SIZE] [--auth_iv IV] [--auth_iv_random_size SIZE] /
92     [--aead_algo ALGO] [--aead_op ENCRYPT/DECRYPT] [--aead_key KEY] /
93     [--aead_key_random_size SIZE] [--aead_iv] [--aead_iv_random_size SIZE] /
94     [--aad AAD] [--aad_random_size SIZE] /
95     [--digest size SIZE] [--sessionless] [--cryptodev_mask MASK] /
96     [--mac-updating] [--no-mac-updating]
97
98 where,
99
100 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure (default is all the ports)
101
102 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
103
104 *   s: manage all ports from single core
105
106 *   T PERIOD: statistics will be refreshed each PERIOD seconds
107
108     (0 to disable, 10 default, 86400 maximum)
109
110 *   cdev_type: select preferred crypto device type: HW, SW or anything (ANY)
111
112     (default is ANY)
113
114 *   chain: select the operation chaining to perform: Cipher->Hash (CIPHER_HASH),
115
116     Hash->Cipher (HASH_CIPHER), Cipher (CIPHER_ONLY), Hash (HASH_ONLY)
117
118     or AEAD (AEAD)
119
120     (default is Cipher->Hash)
121
122 *   cipher_algo: select the ciphering algorithm (default is aes-cbc)
123
124 *   cipher_op: select the ciphering operation to perform: ENCRYPT or DECRYPT
125
126     (default is ENCRYPT)
127
128 *   cipher_key: set the ciphering key to be used. Bytes has to be separated with ":"
129
130 *   cipher_key_random_size: set the size of the ciphering key,
131
132     which will be generated randomly.
133
134     Note that if --cipher_key is used, this will be ignored.
135
136 *   cipher_iv: set the cipher IV to be used. Bytes has to be separated with ":"
137
138 *   cipher_iv_random_size: set the size of the cipher IV, which will be generated randomly.
139
140     Note that if --cipher_iv is used, this will be ignored.
141
142 *   auth_algo: select the authentication algorithm (default is sha1-hmac)
143
144 *   auth_op: select the authentication operation to perform: GENERATE or VERIFY
145
146     (default is GENERATE)
147
148 *   auth_key: set the authentication key to be used. Bytes has to be separated with ":"
149
150 *   auth_key_random_size: set the size of the authentication key,
151
152     which will be generated randomly.
153
154     Note that if --auth_key is used, this will be ignored.
155
156 *   auth_iv: set the auth IV to be used. Bytes has to be separated with ":"
157
158 *   auth_iv_random_size: set the size of the auth IV, which will be generated randomly.
159
160     Note that if --auth_iv is used, this will be ignored.
161
162 *   aead_algo: select the AEAD algorithm (default is aes-gcm)
163
164 *   aead_op: select the AEAD operation to perform: ENCRYPT or DECRYPT
165
166     (default is ENCRYPT)
167
168 *   aead_key: set the AEAD key to be used. Bytes has to be separated with ":"
169
170 *   aead_key_random_size: set the size of the AEAD key,
171
172     which will be generated randomly.
173
174     Note that if --aead_key is used, this will be ignored.
175
176 *   aead_iv: set the AEAD IV to be used. Bytes has to be separated with ":"
177
178 *   aead_iv_random_size: set the size of the AEAD IV, which will be generated randomly.
179
180     Note that if --aead_iv is used, this will be ignored.
181
182 *   aad: set the AAD to be used. Bytes has to be separated with ":"
183
184 *   aad_random_size: set the size of the AAD, which will be generated randomly.
185
186     Note that if --aad is used, this will be ignored.
187
188 *   digest_size: set the size of the digest to be generated/verified.
189
190 *   sessionless: no crypto session will be created.
191
192 *   cryptodev_mask: A hexadecimal bitmask of the cryptodevs to be used by the
193     application.
194
195     (default is all cryptodevs).
196
197 *   [no-]mac-updating: Enable or disable MAC addresses updating (enabled by default).
198
199
200 The application requires that crypto devices capable of performing
201 the specified crypto operation are available on application initialization.
202 This means that HW crypto device/s must be bound to a DPDK driver or
203 a SW crypto device/s (virtual crypto PMD) must be created (using --vdev).
204
205 To run the application in linuxapp environment with 2 lcores, 2 ports and 2 crypto devices, issue the command:
206
207 .. code-block:: console
208
209     $ ./build/l2fwd-crypto -l 0-1 -n 4 --vdev "crypto_aesni_mb0" \
210     --vdev "crypto_aesni_mb1" -- -p 0x3 --chain CIPHER_HASH \
211     --cipher_op ENCRYPT --cipher_algo aes-cbc \
212     --cipher_key 00:01:02:03:04:05:06:07:08:09:0a:0b:0c:0d:0e:0f \
213     --auth_op GENERATE --auth_algo aes-xcbc-mac \
214     --auth_key 10:11:12:13:14:15:16:17:18:19:1a:1b:1c:1d:1e:1f
215
216 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
217 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
218
219 Explanation
220 -----------
221
222 The L2 forward with Crypto application demonstrates the performance of a crypto operation
223 on a packet received on a RX PORT before forwarding it to a TX PORT.
224
225 The following figure illustrates a sample flow of a packet in the application,
226 from reception until transmission.
227
228 .. _figure_l2_fwd_encrypt_flow:
229
230 .. figure:: img/l2_fwd_encrypt_flow.*
231
232    Encryption flow Through the L2 Forwarding with Crypto Application
233
234
235 The following sections provide some explanation of the application.
236
237 Crypto operation specification
238 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
239
240 All the packets received in all the ports get transformed by the crypto device/s
241 (ciphering and/or authentication).
242 The crypto operation to be performed on the packet is parsed from the command line
243 (go to "Running the Application section for all the options).
244
245 If no parameter is passed, the default crypto operation is:
246
247 * Encryption with AES-CBC with 128 bit key.
248
249 * Authentication with SHA1-HMAC (generation).
250
251 * Keys, IV and AAD are generated randomly.
252
253 There are two methods to pass keys, IV and ADD from the command line:
254
255 * Passing the full key, separated bytes by ":"::
256
257    --cipher_key 00:11:22:33:44
258
259 * Passing the size, so key is generated randomly::
260
261    --cipher_key_random_size 16
262
263 **Note**:
264    If full key is passed (first method) and the size is passed as well (second method),
265    the latter will be ignored.
266
267 Size of these keys are checked (regardless the method), before starting the app,
268 to make sure that it is supported by the crypto devices.
269
270 Crypto device initialization
271 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
272
273 Once the encryption operation is defined, crypto devices are initialized.
274 The crypto devices must be either bound to a DPDK driver (if they are physical devices)
275 or created using the EAL option --vdev (if they are virtual devices),
276 when running the application.
277
278 The initialize_cryptodevs() function performs the device initialization.
279 It iterates through the list of the available crypto devices and
280 check which ones are capable of performing the operation.
281 Each device has a set of capabilities associated with it,
282 which are stored in the device info structure, so the function checks if the operation
283 is within the structure of each device.
284
285 The following code checks if the device supports the specified cipher algorithm
286 (similar for the authentication algorithm):
287
288 .. code-block:: c
289
290    /* Check if device supports cipher algo */
291    i = 0;
292    opt_cipher_algo = options->cipher_xform.cipher.algo;
293    cap = &dev_info.capabilities[i];
294    while (cap->op != RTE_CRYPTO_OP_TYPE_UNDEFINED) {
295            cap_cipher_algo = cap->sym.cipher.algo;
296            if (cap->sym.xform_type ==
297                            RTE_CRYPTO_SYM_XFORM_CIPHER) {
298                    if (cap_cipher_algo == opt_cipher_algo) {
299                            if (check_type(options, &dev_info) == 0)
300                                    break;
301                    }
302            }
303            cap = &dev_info.capabilities[++i];
304    }
305
306 If a capable crypto device is found, key sizes are checked to see if they are supported
307 (cipher key and IV for the ciphering):
308
309 .. code-block:: c
310
311    /*
312     * Check if length of provided cipher key is supported
313     * by the algorithm chosen.
314     */
315    if (options->ckey_param) {
316            if (check_supported_size(
317                            options->cipher_xform.cipher.key.length,
318                            cap->sym.cipher.key_size.min,
319                            cap->sym.cipher.key_size.max,
320                            cap->sym.cipher.key_size.increment)
321                                    != 0) {
322                    printf("Unsupported cipher key length\n");
323                    return -1;
324            }
325    /*
326     * Check if length of the cipher key to be randomly generated
327     * is supported by the algorithm chosen.
328     */
329    } else if (options->ckey_random_size != -1) {
330            if (check_supported_size(options->ckey_random_size,
331                            cap->sym.cipher.key_size.min,
332                            cap->sym.cipher.key_size.max,
333                            cap->sym.cipher.key_size.increment)
334                                    != 0) {
335                    printf("Unsupported cipher key length\n");
336                    return -1;
337            }
338            options->cipher_xform.cipher.key.length =
339                                    options->ckey_random_size;
340    /* No size provided, use minimum size. */
341    } else
342            options->cipher_xform.cipher.key.length =
343                            cap->sym.cipher.key_size.min;
344
345 After all the checks, the device is configured and it is added to the
346 crypto device list.
347
348 **Note**:
349    The number of crypto devices that supports the specified crypto operation
350    must be at least the number of ports to be used.
351
352 Session creation
353 ~~~~~~~~~~~~~~~~
354
355 The crypto operation has a crypto session associated to it, which contains
356 information such as the transform chain to perform (e.g. ciphering then hashing),
357 pointers to the keys, lengths... etc.
358
359 This session is created and is later attached to the crypto operation:
360
361 .. code-block:: c
362
363    static struct rte_cryptodev_sym_session *
364    initialize_crypto_session(struct l2fwd_crypto_options *options,
365                    uint8_t cdev_id)
366    {
367            struct rte_crypto_sym_xform *first_xform;
368            struct rte_cryptodev_sym_session *session;
369            uint8_t socket_id = rte_cryptodev_socket_id(cdev_id);
370            struct rte_mempool *sess_mp = session_pool_socket[socket_id];
371
372
373            if (options->xform_chain == L2FWD_CRYPTO_AEAD) {
374                    first_xform = &options->aead_xform;
375            } else if (options->xform_chain == L2FWD_CRYPTO_CIPHER_HASH) {
376                    first_xform = &options->cipher_xform;
377                    first_xform->next = &options->auth_xform;
378            } else if (options->xform_chain == L2FWD_CRYPTO_HASH_CIPHER) {
379                    first_xform = &options->auth_xform;
380                    first_xform->next = &options->cipher_xform;
381            } else if (options->xform_chain == L2FWD_CRYPTO_CIPHER_ONLY) {
382                    first_xform = &options->cipher_xform;
383            } else {
384                    first_xform = &options->auth_xform;
385            }
386
387            session = rte_cryptodev_sym_session_create(sess_mp);
388
389            if (session == NULL)
390                    return NULL;
391
392           if (rte_cryptodev_sym_session_init(cdev_id, session,
393                                 first_xform, sess_mp) < 0)
394                    return NULL;
395
396           return session;
397    }
398
399    ...
400
401    port_cparams[i].session = initialize_crypto_session(options,
402                                 port_cparams[i].dev_id);
403
404 Crypto operation creation
405 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
406
407 Given N packets received from a RX PORT, N crypto operations are allocated
408 and filled:
409
410 .. code-block:: c
411
412    if (nb_rx) {
413    /*
414     * If we can't allocate a crypto_ops, then drop
415     * the rest of the burst and dequeue and
416     * process the packets to free offload structs
417     */
418    if (rte_crypto_op_bulk_alloc(
419                    l2fwd_crypto_op_pool,
420                    RTE_CRYPTO_OP_TYPE_SYMMETRIC,
421                    ops_burst, nb_rx) !=
422                                    nb_rx) {
423            for (j = 0; j < nb_rx; j++)
424                    rte_pktmbuf_free(pkts_burst[i]);
425
426            nb_rx = 0;
427    }
428
429 After filling the crypto operation (including session attachment),
430 the mbuf which will be transformed is attached to it::
431
432    op->sym->m_src = m;
433
434 Since no destination mbuf is set, the source mbuf will be overwritten
435 after the operation is done (in-place).
436
437 Crypto operation enqueuing/dequeuing
438 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
439
440 Once the operation has been created, it has to be enqueued in one of the crypto devices.
441 Before doing so, for performance reasons, the operation stays in a buffer.
442 When the buffer has enough operations (MAX_PKT_BURST), they are enqueued in the device,
443 which will perform the operation at that moment:
444
445 .. code-block:: c
446
447    static int
448    l2fwd_crypto_enqueue(struct rte_crypto_op *op,
449                    struct l2fwd_crypto_params *cparams)
450    {
451            unsigned lcore_id, len;
452            struct lcore_queue_conf *qconf;
453
454            lcore_id = rte_lcore_id();
455
456            qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
457            len = qconf->op_buf[cparams->dev_id].len;
458            qconf->op_buf[cparams->dev_id].buffer[len] = op;
459            len++;
460
461            /* enough ops to be sent */
462            if (len == MAX_PKT_BURST) {
463                    l2fwd_crypto_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, cparams);
464                    len = 0;
465            }
466
467            qconf->op_buf[cparams->dev_id].len = len;
468            return 0;
469    }
470
471    ...
472
473    static int
474    l2fwd_crypto_send_burst(struct lcore_queue_conf *qconf, unsigned n,
475                    struct l2fwd_crypto_params *cparams)
476    {
477            struct rte_crypto_op **op_buffer;
478            unsigned ret;
479
480            op_buffer = (struct rte_crypto_op **)
481                            qconf->op_buf[cparams->dev_id].buffer;
482
483            ret = rte_cryptodev_enqueue_burst(cparams->dev_id,
484                            cparams->qp_id, op_buffer, (uint16_t) n);
485
486            crypto_statistics[cparams->dev_id].enqueued += ret;
487            if (unlikely(ret < n)) {
488                    crypto_statistics[cparams->dev_id].errors += (n - ret);
489                    do {
490                            rte_pktmbuf_free(op_buffer[ret]->sym->m_src);
491                            rte_crypto_op_free(op_buffer[ret]);
492                    } while (++ret < n);
493            }
494
495            return 0;
496    }
497
498 After this, the operations are dequeued from the device, and the transformed mbuf
499 is extracted from the operation. Then, the operation is freed and the mbuf is
500 forwarded as it is done in the L2 forwarding application.
501
502 .. code-block:: c
503
504    /* Dequeue packets from Crypto device */
505    do {
506            nb_rx = rte_cryptodev_dequeue_burst(
507                            cparams->dev_id, cparams->qp_id,
508                            ops_burst, MAX_PKT_BURST);
509
510            crypto_statistics[cparams->dev_id].dequeued +=
511                            nb_rx;
512
513            /* Forward crypto'd packets */
514            for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
515                    m = ops_burst[j]->sym->m_src;
516
517                    rte_crypto_op_free(ops_burst[j]);
518                    l2fwd_simple_forward(m, portid);
519            }
520    } while (nb_rx == MAX_PKT_BURST);