New upstream version 17.11-rc3
[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 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
101
102 The application is located in the ``l2fwd-jobstats`` sub-directory.
103
104 Running the Application
105 -----------------------
106
107 The application requires a number of command line options:
108
109 .. code-block:: console
110
111     ./build/l2fwd-jobstats [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ] [-l]
112
113 where,
114
115 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure
116
117 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
118
119 *   l: Use locale thousands separator when formatting big numbers.
120
121 To run the application in linuxapp environment with 4 lcores, 16 ports, 8 RX queues per lcore and
122 thousands  separator printing, issue the command:
123
124 .. code-block:: console
125
126     $ ./build/l2fwd-jobstats -l 0-3 -n 4 -- -q 8 -p ffff -l
127
128 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
129 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
130
131 Explanation
132 -----------
133
134 The following sections provide some explanation of the code.
135
136 Command Line Arguments
137 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
138
139 The L2 Forwarding sample application takes specific parameters,
140 in addition to Environment Abstraction Layer (EAL) arguments
141 (see `Running the Application`_).
142 The preferred way to parse parameters is to use the getopt() function,
143 since it is part of a well-defined and portable library.
144
145 The parsing of arguments is done in the l2fwd_parse_args() function.
146 The method of argument parsing is not described here.
147 Refer to the *glibc getopt(3)* man page for details.
148
149 EAL arguments are parsed first, then application-specific arguments.
150 This is done at the beginning of the main() function:
151
152 .. code-block:: c
153
154     /* init EAL */
155
156     ret = rte_eal_init(argc, argv);
157     if (ret < 0)
158         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL arguments\n");
159
160     argc -= ret;
161     argv += ret;
162
163     /* parse application arguments (after the EAL ones) */
164
165     ret = l2fwd_parse_args(argc, argv);
166     if (ret < 0)
167         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid L2FWD arguments\n");
168
169 Mbuf Pool Initialization
170 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
171
172 Once the arguments are parsed, the mbuf pool is created.
173 The mbuf pool contains a set of mbuf objects that will be used by the driver
174 and the application to store network packet data:
175
176 .. code-block:: c
177
178     /* create the mbuf pool */
179     l2fwd_pktmbuf_pool = rte_pktmbuf_pool_create("mbuf_pool", NB_MBUF,
180                 MEMPOOL_CACHE_SIZE, 0, RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE,
181                 rte_socket_id());
182
183     if (l2fwd_pktmbuf_pool == NULL)
184         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot init mbuf pool\n");
185
186 The rte_mempool is a generic structure used to handle pools of objects.
187 In this case, it is necessary to create a pool that will be used by the driver.
188 The number of allocated pkt mbufs is NB_MBUF, with a data room size of
189 RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE each.
190 A per-lcore cache of MEMPOOL_CACHE_SIZE mbufs is kept.
191 The memory is allocated in rte_socket_id() socket,
192 but it is possible to extend this code to allocate one mbuf pool per socket.
193
194 The rte_pktmbuf_pool_create() function uses the default mbuf pool and mbuf
195 initializers, respectively rte_pktmbuf_pool_init() and rte_pktmbuf_init().
196 An advanced application may want to use the mempool API to create the
197 mbuf pool with more control.
198
199 Driver Initialization
200 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
201
202 The main part of the code in the main() function relates to the initialization of the driver.
203 To fully understand this code, it is recommended to study the chapters that related to the Poll Mode Driver
204 in the *DPDK Programmer's Guide* and the *DPDK API Reference*.
205
206 .. code-block:: c
207
208     nb_ports = rte_eth_dev_count();
209
210     if (nb_ports == 0)
211         rte_exit(EXIT_FAILURE, "No Ethernet ports - bye\n");
212
213     /* reset l2fwd_dst_ports */
214
215     for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++)
216         l2fwd_dst_ports[portid] = 0;
217
218     last_port = 0;
219
220     /*
221      * Each logical core is assigned a dedicated TX queue on each port.
222      */
223     for (portid = 0; portid < nb_ports; portid++) {
224         /* skip ports that are not enabled */
225         if ((l2fwd_enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
226            continue;
227
228         if (nb_ports_in_mask % 2) {
229             l2fwd_dst_ports[portid] = last_port;
230             l2fwd_dst_ports[last_port] = portid;
231         }
232         else
233            last_port = portid;
234
235         nb_ports_in_mask++;
236
237         rte_eth_dev_info_get((uint8_t) portid, &dev_info);
238     }
239
240 The next step is to configure the RX and TX queues.
241 For each port, there is only one RX queue (only one lcore is able to poll a given port).
242 The number of TX queues depends on the number of available lcores.
243 The rte_eth_dev_configure() function is used to configure the number of queues for a port:
244
245 .. code-block:: c
246
247     ret = rte_eth_dev_configure((uint8_t)portid, 1, 1, &port_conf);
248     if (ret < 0)
249         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot configure device: "
250             "err=%d, port=%u\n",
251             ret, portid);
252
253 The global configuration is stored in a static structure:
254
255 .. code-block:: c
256
257     static const struct rte_eth_conf port_conf = {
258         .rxmode = {
259             .split_hdr_size = 0,
260             .header_split = 0,   /**< Header Split disabled */
261             .hw_ip_checksum = 0, /**< IP checksum offload disabled */
262             .hw_vlan_filter = 0, /**< VLAN filtering disabled */
263             .jumbo_frame = 0,    /**< Jumbo Frame Support disabled */
264             .hw_strip_crc= 0,    /**< CRC stripped by hardware */
265         },
266
267         .txmode = {
268             .mq_mode = ETH_DCB_NONE
269         },
270     };
271
272 RX Queue Initialization
273 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
274
275 The application uses one lcore to poll one or several ports, depending on the -q option,
276 which specifies the number of queues per lcore.
277
278 For example, if the user specifies -q 4, the application is able to poll four ports with one lcore.
279 If there are 16 ports on the target (and if the portmask argument is -p ffff ),
280 the application will need four lcores to poll all the ports.
281
282 .. code-block:: c
283
284     ret = rte_eth_rx_queue_setup(portid, 0, nb_rxd,
285                 rte_eth_dev_socket_id(portid),
286                 NULL,
287                 l2fwd_pktmbuf_pool);
288
289     if (ret < 0)
290         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_rx_queue_setup:err=%d, port=%u\n",
291                 ret, (unsigned) portid);
292
293 The list of queues that must be polled for a given lcore is stored in a private structure called struct lcore_queue_conf.
294
295 .. code-block:: c
296
297     struct lcore_queue_conf {
298         unsigned n_rx_port;
299         unsigned rx_port_list[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
300         truct mbuf_table tx_mbufs[RTE_MAX_ETHPORTS];
301
302         struct rte_timer rx_timers[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
303         struct rte_jobstats port_fwd_jobs[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
304
305         struct rte_timer flush_timer;
306         struct rte_jobstats flush_job;
307         struct rte_jobstats idle_job;
308         struct rte_jobstats_context jobs_context;
309
310         rte_atomic16_t stats_read_pending;
311         rte_spinlock_t lock;
312     } __rte_cache_aligned;
313
314 Values of struct lcore_queue_conf:
315
316 *   n_rx_port and rx_port_list[] are used in the main packet processing loop
317     (see Section `Receive, Process and Transmit Packets`_ later in this chapter).
318
319 *   rx_timers and flush_timer are used to ensure forced TX on low packet rate.
320
321 *   flush_job, idle_job and jobs_context are librte_jobstats objects used for managing l2fwd jobs.
322
323 *   stats_read_pending and lock are used during job stats read phase.
324
325 TX Queue Initialization
326 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
327
328 Each lcore should be able to transmit on any port. For every port, a single TX queue is initialized.
329
330 .. code-block:: c
331
332     /* init one TX queue on each port */
333
334     fflush(stdout);
335     ret = rte_eth_tx_queue_setup(portid, 0, nb_txd,
336             rte_eth_dev_socket_id(portid),
337             NULL);
338     if (ret < 0)
339         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_tx_queue_setup:err=%d, port=%u\n",
340                 ret, (unsigned) portid);
341
342 Jobs statistics initialization
343 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
344 There are several statistics objects available:
345
346 *   Flush job statistics
347
348 .. code-block:: c
349
350     rte_jobstats_init(&qconf->flush_job, "flush", drain_tsc, drain_tsc,
351             drain_tsc, 0);
352
353     rte_timer_init(&qconf->flush_timer);
354     ret = rte_timer_reset(&qconf->flush_timer, drain_tsc, PERIODICAL,
355                 lcore_id, &l2fwd_flush_job, NULL);
356
357     if (ret < 0) {
358         rte_exit(1, "Failed to reset flush job timer for lcore %u: %s",
359                     lcore_id, rte_strerror(-ret));
360     }
361
362 *   Statistics per RX port
363
364 .. code-block:: c
365
366     rte_jobstats_init(job, name, 0, drain_tsc, 0, MAX_PKT_BURST);
367     rte_jobstats_set_update_period_function(job, l2fwd_job_update_cb);
368
369     rte_timer_init(&qconf->rx_timers[i]);
370     ret = rte_timer_reset(&qconf->rx_timers[i], 0, PERIODICAL, lcore_id,
371             l2fwd_fwd_job, (void *)(uintptr_t)i);
372
373     if (ret < 0) {
374         rte_exit(1, "Failed to reset lcore %u port %u job timer: %s",
375                     lcore_id, qconf->rx_port_list[i], rte_strerror(-ret));
376     }
377
378 Following parameters are passed to rte_jobstats_init():
379
380 *   0 as minimal poll period
381
382 *   drain_tsc as maximum poll period
383
384 *   MAX_PKT_BURST as desired target value (RX burst size)
385
386 Main loop
387 ~~~~~~~~~
388
389 The forwarding path is reworked comparing to original L2 Forwarding application.
390 In the l2fwd_main_loop() function three loops are placed.
391
392 .. code-block:: c
393
394     for (;;) {
395         rte_spinlock_lock(&qconf->lock);
396
397         do {
398             rte_jobstats_context_start(&qconf->jobs_context);
399
400             /* Do the Idle job:
401              * - Read stats_read_pending flag
402              * - check if some real job need to be executed
403              */
404             rte_jobstats_start(&qconf->jobs_context, &qconf->idle_job);
405
406             do {
407                 uint8_t i;
408                 uint64_t now = rte_get_timer_cycles();
409
410                 need_manage = qconf->flush_timer.expire < now;
411                 /* Check if we was esked to give a stats. */
412                 stats_read_pending =
413                         rte_atomic16_read(&qconf->stats_read_pending);
414                 need_manage |= stats_read_pending;
415
416                 for (i = 0; i < qconf->n_rx_port && !need_manage; i++)
417                     need_manage = qconf->rx_timers[i].expire < now;
418
419             } while (!need_manage);
420             rte_jobstats_finish(&qconf->idle_job, qconf->idle_job.target);
421
422             rte_timer_manage();
423             rte_jobstats_context_finish(&qconf->jobs_context);
424         } while (likely(stats_read_pending == 0));
425
426         rte_spinlock_unlock(&qconf->lock);
427         rte_pause();
428     }
429
430 First infinite for loop is to minimize impact of stats reading. Lock is only locked/unlocked when asked.
431
432 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.
433 In this place functions l2fwd_fwd_job() and l2fwd_flush_job() are called when needed.
434 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
435 and if stats_read_pending is set, loop breaks allowing stats to be read.
436
437 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
438 for this lcore. Statistics from this part of code is considered as the headroom available for additional processing.
439
440 Receive, Process and Transmit Packets
441 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
442
443 The main task of l2fwd_fwd_job() function is to read ingress packets from the RX queue of particular port and forward it.
444 This is done using the following code:
445
446 .. code-block:: c
447
448     total_nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0, pkts_burst,
449             MAX_PKT_BURST);
450
451     for (j = 0; j < total_nb_rx; j++) {
452         m = pkts_burst[j];
453         rte_prefetch0(rte_pktmbuf_mtod(m, void *));
454         l2fwd_simple_forward(m, portid);
455     }
456
457 Packets are read in a burst of size MAX_PKT_BURST.
458 Then, each mbuf in the table is processed by the l2fwd_simple_forward() function.
459 The processing is very simple: process the TX port from the RX port, then replace the source and destination MAC addresses.
460
461 The rte_eth_rx_burst() function writes the mbuf pointers in a local table and returns the number of available mbufs in the table.
462
463 After first read second try is issued.
464
465 .. code-block:: c
466
467     if (total_nb_rx == MAX_PKT_BURST) {
468         const uint16_t nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0, pkts_burst,
469                 MAX_PKT_BURST);
470
471         total_nb_rx += nb_rx;
472         for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
473             m = pkts_burst[j];
474             rte_prefetch0(rte_pktmbuf_mtod(m, void *));
475             l2fwd_simple_forward(m, portid);
476         }
477     }
478
479 This second read is important to give job stats library a feedback how many packets was processed.
480
481 .. code-block:: c
482
483     /* Adjust period time in which we are running here. */
484     if (rte_jobstats_finish(job, total_nb_rx) != 0) {
485         rte_timer_reset(&qconf->rx_timers[port_idx], job->period, PERIODICAL,
486                 lcore_id, l2fwd_fwd_job, arg);
487     }
488
489 To maximize performance exactly MAX_PKT_BURST is expected (the target value) to be read for each l2fwd_fwd_job() call.
490 If total_nb_rx is smaller than target value job->period will be increased. If it is greater the period will be decreased.
491
492 .. note::
493
494     In the following code, one line for getting the output port requires some explanation.
495
496 During the initialization process, a static array of destination ports (l2fwd_dst_ports[]) is filled such that for each source port,
497 a destination port is assigned that is either the next or previous enabled port from the portmask.
498 Naturally, the number of ports in the portmask must be even, otherwise, the application exits.
499
500 .. code-block:: c
501
502     static void
503     l2fwd_simple_forward(struct rte_mbuf *m, unsigned portid)
504     {
505         struct ether_hdr *eth;
506         void *tmp;
507         unsigned dst_port;
508
509         dst_port = l2fwd_dst_ports[portid];
510
511         eth = rte_pktmbuf_mtod(m, struct ether_hdr *);
512
513         /* 02:00:00:00:00:xx */
514
515         tmp = &eth->d_addr.addr_bytes[0];
516
517         *((uint64_t *)tmp) = 0x000000000002 + ((uint64_t) dst_port << 40);
518
519         /* src addr */
520
521         ether_addr_copy(&l2fwd_ports_eth_addr[dst_port], &eth->s_addr);
522
523         l2fwd_send_packet(m, (uint8_t) dst_port);
524     }
525
526 Then, the packet is sent using the l2fwd_send_packet (m, dst_port) function.
527 For this test application, the processing is exactly the same for all packets arriving on the same RX port.
528 Therefore, it would have been possible to call the l2fwd_send_burst() function directly from the main loop
529 to send all the received packets on the same TX port,
530 using the burst-oriented send function, which is more efficient.
531
532 However, in real-life applications (such as, L3 routing),
533 packet N is not necessarily forwarded on the same port as packet N-1.
534 The application is implemented to illustrate that, so the same approach can be reused in a more complex application.
535
536 The l2fwd_send_packet() function stores the packet in a per-lcore and per-txport table.
537 If the table is full, the whole packets table is transmitted using the l2fwd_send_burst() function:
538
539 .. code-block:: c
540
541     /* Send the packet on an output interface */
542
543     static int
544     l2fwd_send_packet(struct rte_mbuf *m, uint16_t port)
545     {
546         unsigned lcore_id, len;
547         struct lcore_queue_conf *qconf;
548
549         lcore_id = rte_lcore_id();
550         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
551         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
552         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
553         len++;
554
555         /* enough pkts to be sent */
556
557         if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) {
558             l2fwd_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
559             len = 0;
560         }
561
562         qconf->tx_mbufs[port].len = len; return 0;
563     }
564
565 To ensure that no packets remain in the tables, the flush job exists. The l2fwd_flush_job()
566 is called periodically to for each lcore draining TX queue of each port.
567 This technique introduces some latency when there are not many packets to send,
568 however it improves performance:
569
570 .. code-block:: c
571
572     static void
573     l2fwd_flush_job(__rte_unused struct rte_timer *timer, __rte_unused void *arg)
574     {
575         uint64_t now;
576         unsigned lcore_id;
577         struct lcore_queue_conf *qconf;
578         struct mbuf_table *m_table;
579         uint16_t portid;
580
581         lcore_id = rte_lcore_id();
582         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
583
584         rte_jobstats_start(&qconf->jobs_context, &qconf->flush_job);
585
586         now = rte_get_timer_cycles();
587         lcore_id = rte_lcore_id();
588         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
589         for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++) {
590             m_table = &qconf->tx_mbufs[portid];
591             if (m_table->len == 0 || m_table->next_flush_time <= now)
592                 continue;
593
594             l2fwd_send_burst(qconf, portid);
595         }
596
597
598         /* Pass target to indicate that this job is happy of time interval
599          * in which it was called. */
600         rte_jobstats_finish(&qconf->flush_job, qconf->flush_job.target);
601     }