1029cc8ff53e437993f5ea8463c1c20072812102
[deb_dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l2_forward_job_stats.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 L2 Forwarding Sample Application (in Real and Virtualized Environments) with core load statistics.
32 ==================================================================================================
33
34 The L2 Forwarding sample application is a simple example of packet processing using
35 the Data Plane Development Kit (DPDK) which
36 also takes advantage of Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) features in a virtualized environment.
37
38 .. note::
39
40     This application is a variation of L2 Forwarding sample application. It demonstrate possible
41     scheme of job stats library usage therefore some parts of this document is identical with original
42     L2 forwarding application.
43
44 Overview
45 --------
46
47 The L2 Forwarding sample application, which can operate in real and virtualized environments,
48 performs L2 forwarding for each packet that is received.
49 The destination port is the adjacent port from the enabled portmask, that is,
50 if the first four ports are enabled (portmask 0xf),
51 ports 1 and 2 forward into each other, and ports 3 and 4 forward into each other.
52 Also, the MAC addresses are affected as follows:
53
54 *   The source MAC address is replaced by the TX port MAC address
55
56 *   The destination MAC address is replaced by  02:00:00:00:00:TX_PORT_ID
57
58 This application can be used to benchmark performance using a traffic-generator, as shown in the :numref:`figure_l2_fwd_benchmark_setup_jobstats`.
59
60 The application can also be used in a virtualized environment as shown in :numref:`figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup_jobstats`.
61
62 The L2 Forwarding application can also be used as a starting point for developing a new application based on the DPDK.
63
64 .. _figure_l2_fwd_benchmark_setup_jobstats:
65
66 .. figure:: img/l2_fwd_benchmark_setup.*
67
68    Performance Benchmark Setup (Basic Environment)
69
70 .. _figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup_jobstats:
71
72 .. figure:: img/l2_fwd_virtenv_benchmark_setup.*
73
74    Performance Benchmark Setup (Virtualized Environment)
75
76
77 Virtual Function Setup Instructions
78 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
79
80 This application can use the virtual function available in the system and
81 therefore can be used in a virtual machine without passing through
82 the whole Network Device into a guest machine in a virtualized scenario.
83 The virtual functions can be enabled in the host machine or the hypervisor with the respective physical function driver.
84
85 For example, in a Linux* host machine, it is possible to enable a virtual function using the following command:
86
87 .. code-block:: console
88
89     modprobe ixgbe max_vfs=2,2
90
91 This command enables two Virtual Functions on each of Physical Function of the NIC,
92 with two physical ports in the PCI configuration space.
93 It is important to note that enabled Virtual Function 0 and 2 would belong to Physical Function 0
94 and Virtual Function 1 and 3 would belong to Physical Function 1,
95 in this case enabling a total of four Virtual Functions.
96
97 Compiling the Application
98 -------------------------
99
100 #.  Go to the example directory:
101
102     .. code-block:: console
103
104         export RTE_SDK=/path/to/rte_sdk
105         cd ${RTE_SDK}/examples/l2fwd-jobstats
106
107 #.  Set the target (a default target is used if not specified). For example:
108
109     .. code-block:: console
110
111         export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
112
113     *See the DPDK Getting Started Guide* for possible RTE_TARGET values.
114
115 #.  Build the application:
116
117     .. code-block:: console
118
119         make
120
121 Running the Application
122 -----------------------
123
124 The application requires a number of command line options:
125
126 .. code-block:: console
127
128     ./build/l2fwd-jobstats [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ] [-l]
129
130 where,
131
132 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure
133
134 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
135
136 *   l: Use locale thousands separator when formatting big numbers.
137
138 To run the application in linuxapp environment with 4 lcores, 16 ports, 8 RX queues per lcore and
139 thousands  separator printing, issue the command:
140
141 .. code-block:: console
142
143     $ ./build/l2fwd-jobstats -l 0-3 -n 4 -- -q 8 -p ffff -l
144
145 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
146 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
147
148 Explanation
149 -----------
150
151 The following sections provide some explanation of the code.
152
153 Command Line Arguments
154 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
155
156 The L2 Forwarding sample application takes specific parameters,
157 in addition to Environment Abstraction Layer (EAL) arguments
158 (see `Running the Application`_).
159 The preferred way to parse parameters is to use the getopt() function,
160 since it is part of a well-defined and portable library.
161
162 The parsing of arguments is done in the l2fwd_parse_args() function.
163 The method of argument parsing is not described here.
164 Refer to the *glibc getopt(3)* man page for details.
165
166 EAL arguments are parsed first, then application-specific arguments.
167 This is done at the beginning of the main() function:
168
169 .. code-block:: c
170
171     /* init EAL */
172
173     ret = rte_eal_init(argc, argv);
174     if (ret < 0)
175         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL arguments\n");
176
177     argc -= ret;
178     argv += ret;
179
180     /* parse application arguments (after the EAL ones) */
181
182     ret = l2fwd_parse_args(argc, argv);
183     if (ret < 0)
184         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid L2FWD arguments\n");
185
186 Mbuf Pool Initialization
187 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
188
189 Once the arguments are parsed, the mbuf pool is created.
190 The mbuf pool contains a set of mbuf objects that will be used by the driver
191 and the application to store network packet data:
192
193 .. code-block:: c
194
195     /* create the mbuf pool */
196     l2fwd_pktmbuf_pool = rte_pktmbuf_pool_create("mbuf_pool", NB_MBUF,
197                 MEMPOOL_CACHE_SIZE, 0, RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE,
198                 rte_socket_id());
199
200     if (l2fwd_pktmbuf_pool == NULL)
201         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot init mbuf pool\n");
202
203 The rte_mempool is a generic structure used to handle pools of objects.
204 In this case, it is necessary to create a pool that will be used by the driver.
205 The number of allocated pkt mbufs is NB_MBUF, with a data room size of
206 RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE each.
207 A per-lcore cache of MEMPOOL_CACHE_SIZE mbufs is kept.
208 The memory is allocated in rte_socket_id() socket,
209 but it is possible to extend this code to allocate one mbuf pool per socket.
210
211 The rte_pktmbuf_pool_create() function uses the default mbuf pool and mbuf
212 initializers, respectively rte_pktmbuf_pool_init() and rte_pktmbuf_init().
213 An advanced application may want to use the mempool API to create the
214 mbuf pool with more control.
215
216 Driver Initialization
217 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
218
219 The main part of the code in the main() function relates to the initialization of the driver.
220 To fully understand this code, it is recommended to study the chapters that related to the Poll Mode Driver
221 in the *DPDK Programmer's Guide* and the *DPDK API Reference*.
222
223 .. code-block:: c
224
225     nb_ports = rte_eth_dev_count();
226
227     if (nb_ports == 0)
228         rte_exit(EXIT_FAILURE, "No Ethernet ports - bye\n");
229
230     /* reset l2fwd_dst_ports */
231
232     for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++)
233         l2fwd_dst_ports[portid] = 0;
234
235     last_port = 0;
236
237     /*
238      * Each logical core is assigned a dedicated TX queue on each port.
239      */
240     for (portid = 0; portid < nb_ports; portid++) {
241         /* skip ports that are not enabled */
242         if ((l2fwd_enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
243            continue;
244
245         if (nb_ports_in_mask % 2) {
246             l2fwd_dst_ports[portid] = last_port;
247             l2fwd_dst_ports[last_port] = portid;
248         }
249         else
250            last_port = portid;
251
252         nb_ports_in_mask++;
253
254         rte_eth_dev_info_get((uint8_t) portid, &dev_info);
255     }
256
257 The next step is to configure the RX and TX queues.
258 For each port, there is only one RX queue (only one lcore is able to poll a given port).
259 The number of TX queues depends on the number of available lcores.
260 The rte_eth_dev_configure() function is used to configure the number of queues for a port:
261
262 .. code-block:: c
263
264     ret = rte_eth_dev_configure((uint8_t)portid, 1, 1, &port_conf);
265     if (ret < 0)
266         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot configure device: "
267             "err=%d, port=%u\n",
268             ret, portid);
269
270 The global configuration is stored in a static structure:
271
272 .. code-block:: c
273
274     static const struct rte_eth_conf port_conf = {
275         .rxmode = {
276             .split_hdr_size = 0,
277             .header_split = 0,   /**< Header Split disabled */
278             .hw_ip_checksum = 0, /**< IP checksum offload disabled */
279             .hw_vlan_filter = 0, /**< VLAN filtering disabled */
280             .jumbo_frame = 0,    /**< Jumbo Frame Support disabled */
281             .hw_strip_crc= 0,    /**< CRC stripped by hardware */
282         },
283
284         .txmode = {
285             .mq_mode = ETH_DCB_NONE
286         },
287     };
288
289 RX Queue Initialization
290 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
291
292 The application uses one lcore to poll one or several ports, depending on the -q option,
293 which specifies the number of queues per lcore.
294
295 For example, if the user specifies -q 4, the application is able to poll four ports with one lcore.
296 If there are 16 ports on the target (and if the portmask argument is -p ffff ),
297 the application will need four lcores to poll all the ports.
298
299 .. code-block:: c
300
301     ret = rte_eth_rx_queue_setup(portid, 0, nb_rxd,
302                 rte_eth_dev_socket_id(portid),
303                 NULL,
304                 l2fwd_pktmbuf_pool);
305
306     if (ret < 0)
307         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_rx_queue_setup:err=%d, port=%u\n",
308                 ret, (unsigned) portid);
309
310 The list of queues that must be polled for a given lcore is stored in a private structure called struct lcore_queue_conf.
311
312 .. code-block:: c
313
314     struct lcore_queue_conf {
315         unsigned n_rx_port;
316         unsigned rx_port_list[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
317         truct mbuf_table tx_mbufs[RTE_MAX_ETHPORTS];
318
319         struct rte_timer rx_timers[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
320         struct rte_jobstats port_fwd_jobs[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
321
322         struct rte_timer flush_timer;
323         struct rte_jobstats flush_job;
324         struct rte_jobstats idle_job;
325         struct rte_jobstats_context jobs_context;
326
327         rte_atomic16_t stats_read_pending;
328         rte_spinlock_t lock;
329     } __rte_cache_aligned;
330
331 Values of struct lcore_queue_conf:
332
333 *   n_rx_port and rx_port_list[] are used in the main packet processing loop
334     (see Section `Receive, Process and Transmit Packets`_ later in this chapter).
335
336 *   rx_timers and flush_timer are used to ensure forced TX on low packet rate.
337
338 *   flush_job, idle_job and jobs_context are librte_jobstats objects used for managing l2fwd jobs.
339
340 *   stats_read_pending and lock are used during job stats read phase.
341
342 TX Queue Initialization
343 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
344
345 Each lcore should be able to transmit on any port. For every port, a single TX queue is initialized.
346
347 .. code-block:: c
348
349     /* init one TX queue on each port */
350
351     fflush(stdout);
352     ret = rte_eth_tx_queue_setup(portid, 0, nb_txd,
353             rte_eth_dev_socket_id(portid),
354             NULL);
355     if (ret < 0)
356         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_tx_queue_setup:err=%d, port=%u\n",
357                 ret, (unsigned) portid);
358
359 Jobs statistics initialization
360 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
361 There are several statistics objects available:
362
363 *   Flush job statistics
364
365 .. code-block:: c
366
367     rte_jobstats_init(&qconf->flush_job, "flush", drain_tsc, drain_tsc,
368             drain_tsc, 0);
369
370     rte_timer_init(&qconf->flush_timer);
371     ret = rte_timer_reset(&qconf->flush_timer, drain_tsc, PERIODICAL,
372                 lcore_id, &l2fwd_flush_job, NULL);
373
374     if (ret < 0) {
375         rte_exit(1, "Failed to reset flush job timer for lcore %u: %s",
376                     lcore_id, rte_strerror(-ret));
377     }
378
379 *   Statistics per RX port
380
381 .. code-block:: c
382
383     rte_jobstats_init(job, name, 0, drain_tsc, 0, MAX_PKT_BURST);
384     rte_jobstats_set_update_period_function(job, l2fwd_job_update_cb);
385
386     rte_timer_init(&qconf->rx_timers[i]);
387     ret = rte_timer_reset(&qconf->rx_timers[i], 0, PERIODICAL, lcore_id,
388             l2fwd_fwd_job, (void *)(uintptr_t)i);
389
390     if (ret < 0) {
391         rte_exit(1, "Failed to reset lcore %u port %u job timer: %s",
392                     lcore_id, qconf->rx_port_list[i], rte_strerror(-ret));
393     }
394
395 Following parameters are passed to rte_jobstats_init():
396
397 *   0 as minimal poll period
398
399 *   drain_tsc as maximum poll period
400
401 *   MAX_PKT_BURST as desired target value (RX burst size)
402
403 Main loop
404 ~~~~~~~~~
405
406 The forwarding path is reworked comparing to original L2 Forwarding application.
407 In the l2fwd_main_loop() function three loops are placed.
408
409 .. code-block:: c
410
411     for (;;) {
412         rte_spinlock_lock(&qconf->lock);
413
414         do {
415             rte_jobstats_context_start(&qconf->jobs_context);
416
417             /* Do the Idle job:
418              * - Read stats_read_pending flag
419              * - check if some real job need to be executed
420              */
421             rte_jobstats_start(&qconf->jobs_context, &qconf->idle_job);
422
423             do {
424                 uint8_t i;
425                 uint64_t now = rte_get_timer_cycles();
426
427                 need_manage = qconf->flush_timer.expire < now;
428                 /* Check if we was esked to give a stats. */
429                 stats_read_pending =
430                         rte_atomic16_read(&qconf->stats_read_pending);
431                 need_manage |= stats_read_pending;
432
433                 for (i = 0; i < qconf->n_rx_port && !need_manage; i++)
434                     need_manage = qconf->rx_timers[i].expire < now;
435
436             } while (!need_manage);
437             rte_jobstats_finish(&qconf->idle_job, qconf->idle_job.target);
438
439             rte_timer_manage();
440             rte_jobstats_context_finish(&qconf->jobs_context);
441         } while (likely(stats_read_pending == 0));
442
443         rte_spinlock_unlock(&qconf->lock);
444         rte_pause();
445     }
446
447 First infinite for loop is to minimize impact of stats reading. Lock is only locked/unlocked when asked.
448
449 Second inner while loop do the whole jobs management. When any job is ready, the use rte_timer_manage() is used to call the job handler.
450 In this place functions l2fwd_fwd_job() and l2fwd_flush_job() are called when needed.
451 Then rte_jobstats_context_finish() is called to mark loop end - no other jobs are ready to execute. By this time stats are ready to be read
452 and if stats_read_pending is set, loop breaks allowing stats to be read.
453
454 Third do-while loop is the idle job (idle stats counter). Its only purpose is monitoring if any job is ready or stats job read is pending
455 for this lcore. Statistics from this part of code is considered as the headroom available for additional processing.
456
457 Receive, Process and Transmit Packets
458 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
459
460 The main task of l2fwd_fwd_job() function is to read ingress packets from the RX queue of particular port and forward it.
461 This is done using the following code:
462
463 .. code-block:: c
464
465     total_nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0, pkts_burst,
466             MAX_PKT_BURST);
467
468     for (j = 0; j < total_nb_rx; j++) {
469         m = pkts_burst[j];
470         rte_prefetch0(rte_pktmbuf_mtod(m, void *));
471         l2fwd_simple_forward(m, portid);
472     }
473
474 Packets are read in a burst of size MAX_PKT_BURST.
475 Then, each mbuf in the table is processed by the l2fwd_simple_forward() function.
476 The processing is very simple: process the TX port from the RX port, then replace the source and destination MAC addresses.
477
478 The rte_eth_rx_burst() function writes the mbuf pointers in a local table and returns the number of available mbufs in the table.
479
480 After first read second try is issued.
481
482 .. code-block:: c
483
484     if (total_nb_rx == MAX_PKT_BURST) {
485         const uint16_t nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0, pkts_burst,
486                 MAX_PKT_BURST);
487
488         total_nb_rx += nb_rx;
489         for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
490             m = pkts_burst[j];
491             rte_prefetch0(rte_pktmbuf_mtod(m, void *));
492             l2fwd_simple_forward(m, portid);
493         }
494     }
495
496 This second read is important to give job stats library a feedback how many packets was processed.
497
498 .. code-block:: c
499
500     /* Adjust period time in which we are running here. */
501     if (rte_jobstats_finish(job, total_nb_rx) != 0) {
502         rte_timer_reset(&qconf->rx_timers[port_idx], job->period, PERIODICAL,
503                 lcore_id, l2fwd_fwd_job, arg);
504     }
505
506 To maximize performance exactly MAX_PKT_BURST is expected (the target value) to be read for each l2fwd_fwd_job() call.
507 If total_nb_rx is smaller than target value job->period will be increased. If it is greater the period will be decreased.
508
509 .. note::
510
511     In the following code, one line for getting the output port requires some explanation.
512
513 During the initialization process, a static array of destination ports (l2fwd_dst_ports[]) is filled such that for each source port,
514 a destination port is assigned that is either the next or previous enabled port from the portmask.
515 Naturally, the number of ports in the portmask must be even, otherwise, the application exits.
516
517 .. code-block:: c
518
519     static void
520     l2fwd_simple_forward(struct rte_mbuf *m, unsigned portid)
521     {
522         struct ether_hdr *eth;
523         void *tmp;
524         unsigned dst_port;
525
526         dst_port = l2fwd_dst_ports[portid];
527
528         eth = rte_pktmbuf_mtod(m, struct ether_hdr *);
529
530         /* 02:00:00:00:00:xx */
531
532         tmp = &eth->d_addr.addr_bytes[0];
533
534         *((uint64_t *)tmp) = 0x000000000002 + ((uint64_t) dst_port << 40);
535
536         /* src addr */
537
538         ether_addr_copy(&l2fwd_ports_eth_addr[dst_port], &eth->s_addr);
539
540         l2fwd_send_packet(m, (uint8_t) dst_port);
541     }
542
543 Then, the packet is sent using the l2fwd_send_packet (m, dst_port) function.
544 For this test application, the processing is exactly the same for all packets arriving on the same RX port.
545 Therefore, it would have been possible to call the l2fwd_send_burst() function directly from the main loop
546 to send all the received packets on the same TX port,
547 using the burst-oriented send function, which is more efficient.
548
549 However, in real-life applications (such as, L3 routing),
550 packet N is not necessarily forwarded on the same port as packet N-1.
551 The application is implemented to illustrate that, so the same approach can be reused in a more complex application.
552
553 The l2fwd_send_packet() function stores the packet in a per-lcore and per-txport table.
554 If the table is full, the whole packets table is transmitted using the l2fwd_send_burst() function:
555
556 .. code-block:: c
557
558     /* Send the packet on an output interface */
559
560     static int
561     l2fwd_send_packet(struct rte_mbuf *m, uint8_t port)
562     {
563         unsigned lcore_id, len;
564         struct lcore_queue_conf *qconf;
565
566         lcore_id = rte_lcore_id();
567         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
568         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
569         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
570         len++;
571
572         /* enough pkts to be sent */
573
574         if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) {
575             l2fwd_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
576             len = 0;
577         }
578
579         qconf->tx_mbufs[port].len = len; return 0;
580     }
581
582 To ensure that no packets remain in the tables, the flush job exists. The l2fwd_flush_job()
583 is called periodically to for each lcore draining TX queue of each port.
584 This technique introduces some latency when there are not many packets to send,
585 however it improves performance:
586
587 .. code-block:: c
588
589     static void
590     l2fwd_flush_job(__rte_unused struct rte_timer *timer, __rte_unused void *arg)
591     {
592         uint64_t now;
593         unsigned lcore_id;
594         struct lcore_queue_conf *qconf;
595         struct mbuf_table *m_table;
596         uint8_t portid;
597
598         lcore_id = rte_lcore_id();
599         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
600
601         rte_jobstats_start(&qconf->jobs_context, &qconf->flush_job);
602
603         now = rte_get_timer_cycles();
604         lcore_id = rte_lcore_id();
605         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
606         for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++) {
607             m_table = &qconf->tx_mbufs[portid];
608             if (m_table->len == 0 || m_table->next_flush_time <= now)
609                 continue;
610
611             l2fwd_send_burst(qconf, portid);
612         }
613
614
615         /* Pass target to indicate that this job is happy of time interval
616          * in which it was called. */
617         rte_jobstats_finish(&qconf->flush_job, qconf->flush_job.target);
618     }