New upstream version 18.02
[deb_dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l2_forward_job_stats.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2015 Intel Corporation.
3
4 L2 Forwarding Sample Application (in Real and Virtualized Environments) with core load statistics.
5 ==================================================================================================
6
7 The L2 Forwarding sample application is a simple example of packet processing using
8 the Data Plane Development Kit (DPDK) which
9 also takes advantage of Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) features in a virtualized environment.
10
11 .. note::
12
13     This application is a variation of L2 Forwarding sample application. It demonstrate possible
14     scheme of job stats library usage therefore some parts of this document is identical with original
15     L2 forwarding application.
16
17 Overview
18 --------
19
20 The L2 Forwarding sample application, which can operate in real and virtualized environments,
21 performs L2 forwarding for each packet that is received.
22 The destination port is the adjacent port from the enabled portmask, that is,
23 if the first four ports are enabled (portmask 0xf),
24 ports 1 and 2 forward into each other, and ports 3 and 4 forward into each other.
25 Also, the MAC addresses are affected as follows:
26
27 *   The source MAC address is replaced by the TX port MAC address
28
29 *   The destination MAC address is replaced by  02:00:00:00:00:TX_PORT_ID
30
31 This application can be used to benchmark performance using a traffic-generator, as shown in the :numref:`figure_l2_fwd_benchmark_setup_jobstats`.
32
33 The application can also be used in a virtualized environment as shown in :numref:`figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup_jobstats`.
34
35 The L2 Forwarding application can also be used as a starting point for developing a new application based on the DPDK.
36
37 .. _figure_l2_fwd_benchmark_setup_jobstats:
38
39 .. figure:: img/l2_fwd_benchmark_setup.*
40
41    Performance Benchmark Setup (Basic Environment)
42
43 .. _figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup_jobstats:
44
45 .. figure:: img/l2_fwd_virtenv_benchmark_setup.*
46
47    Performance Benchmark Setup (Virtualized Environment)
48
49
50 Virtual Function Setup Instructions
51 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
52
53 This application can use the virtual function available in the system and
54 therefore can be used in a virtual machine without passing through
55 the whole Network Device into a guest machine in a virtualized scenario.
56 The virtual functions can be enabled in the host machine or the hypervisor with the respective physical function driver.
57
58 For example, in a Linux* host machine, it is possible to enable a virtual function using the following command:
59
60 .. code-block:: console
61
62     modprobe ixgbe max_vfs=2,2
63
64 This command enables two Virtual Functions on each of Physical Function of the NIC,
65 with two physical ports in the PCI configuration space.
66 It is important to note that enabled Virtual Function 0 and 2 would belong to Physical Function 0
67 and Virtual Function 1 and 3 would belong to Physical Function 1,
68 in this case enabling a total of four Virtual Functions.
69
70 Compiling the Application
71 -------------------------
72
73 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
74
75 The application is located in the ``l2fwd-jobstats`` sub-directory.
76
77 Running the Application
78 -----------------------
79
80 The application requires a number of command line options:
81
82 .. code-block:: console
83
84     ./build/l2fwd-jobstats [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ] [-l]
85
86 where,
87
88 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure
89
90 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
91
92 *   l: Use locale thousands separator when formatting big numbers.
93
94 To run the application in linuxapp environment with 4 lcores, 16 ports, 8 RX queues per lcore and
95 thousands  separator printing, issue the command:
96
97 .. code-block:: console
98
99     $ ./build/l2fwd-jobstats -l 0-3 -n 4 -- -q 8 -p ffff -l
100
101 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
102 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
103
104 Explanation
105 -----------
106
107 The following sections provide some explanation of the code.
108
109 Command Line Arguments
110 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
111
112 The L2 Forwarding sample application takes specific parameters,
113 in addition to Environment Abstraction Layer (EAL) arguments
114 (see `Running the Application`_).
115 The preferred way to parse parameters is to use the getopt() function,
116 since it is part of a well-defined and portable library.
117
118 The parsing of arguments is done in the l2fwd_parse_args() function.
119 The method of argument parsing is not described here.
120 Refer to the *glibc getopt(3)* man page for details.
121
122 EAL arguments are parsed first, then application-specific arguments.
123 This is done at the beginning of the main() function:
124
125 .. code-block:: c
126
127     /* init EAL */
128
129     ret = rte_eal_init(argc, argv);
130     if (ret < 0)
131         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL arguments\n");
132
133     argc -= ret;
134     argv += ret;
135
136     /* parse application arguments (after the EAL ones) */
137
138     ret = l2fwd_parse_args(argc, argv);
139     if (ret < 0)
140         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid L2FWD arguments\n");
141
142 Mbuf Pool Initialization
143 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
144
145 Once the arguments are parsed, the mbuf pool is created.
146 The mbuf pool contains a set of mbuf objects that will be used by the driver
147 and the application to store network packet data:
148
149 .. code-block:: c
150
151     /* create the mbuf pool */
152     l2fwd_pktmbuf_pool = rte_pktmbuf_pool_create("mbuf_pool", NB_MBUF,
153                 MEMPOOL_CACHE_SIZE, 0, RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE,
154                 rte_socket_id());
155
156     if (l2fwd_pktmbuf_pool == NULL)
157         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot init mbuf pool\n");
158
159 The rte_mempool is a generic structure used to handle pools of objects.
160 In this case, it is necessary to create a pool that will be used by the driver.
161 The number of allocated pkt mbufs is NB_MBUF, with a data room size of
162 RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE each.
163 A per-lcore cache of MEMPOOL_CACHE_SIZE mbufs is kept.
164 The memory is allocated in rte_socket_id() socket,
165 but it is possible to extend this code to allocate one mbuf pool per socket.
166
167 The rte_pktmbuf_pool_create() function uses the default mbuf pool and mbuf
168 initializers, respectively rte_pktmbuf_pool_init() and rte_pktmbuf_init().
169 An advanced application may want to use the mempool API to create the
170 mbuf pool with more control.
171
172 Driver Initialization
173 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
174
175 The main part of the code in the main() function relates to the initialization of the driver.
176 To fully understand this code, it is recommended to study the chapters that related to the Poll Mode Driver
177 in the *DPDK Programmer's Guide* and the *DPDK API Reference*.
178
179 .. code-block:: c
180
181     nb_ports = rte_eth_dev_count();
182
183     if (nb_ports == 0)
184         rte_exit(EXIT_FAILURE, "No Ethernet ports - bye\n");
185
186     /* reset l2fwd_dst_ports */
187
188     for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++)
189         l2fwd_dst_ports[portid] = 0;
190
191     last_port = 0;
192
193     /*
194      * Each logical core is assigned a dedicated TX queue on each port.
195      */
196     for (portid = 0; portid < nb_ports; portid++) {
197         /* skip ports that are not enabled */
198         if ((l2fwd_enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
199            continue;
200
201         if (nb_ports_in_mask % 2) {
202             l2fwd_dst_ports[portid] = last_port;
203             l2fwd_dst_ports[last_port] = portid;
204         }
205         else
206            last_port = portid;
207
208         nb_ports_in_mask++;
209
210         rte_eth_dev_info_get((uint8_t) portid, &dev_info);
211     }
212
213 The next step is to configure the RX and TX queues.
214 For each port, there is only one RX queue (only one lcore is able to poll a given port).
215 The number of TX queues depends on the number of available lcores.
216 The rte_eth_dev_configure() function is used to configure the number of queues for a port:
217
218 .. code-block:: c
219
220     ret = rte_eth_dev_configure((uint8_t)portid, 1, 1, &port_conf);
221     if (ret < 0)
222         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot configure device: "
223             "err=%d, port=%u\n",
224             ret, portid);
225
226 The global configuration is stored in a static structure:
227
228 .. code-block:: c
229
230     static const struct rte_eth_conf port_conf = {
231         .rxmode = {
232             .split_hdr_size = 0,
233             .header_split = 0,   /**< Header Split disabled */
234             .hw_ip_checksum = 0, /**< IP checksum offload disabled */
235             .hw_vlan_filter = 0, /**< VLAN filtering disabled */
236             .jumbo_frame = 0,    /**< Jumbo Frame Support disabled */
237             .hw_strip_crc= 0,    /**< CRC stripped by hardware */
238         },
239
240         .txmode = {
241             .mq_mode = ETH_DCB_NONE
242         },
243     };
244
245 RX Queue Initialization
246 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
247
248 The application uses one lcore to poll one or several ports, depending on the -q option,
249 which specifies the number of queues per lcore.
250
251 For example, if the user specifies -q 4, the application is able to poll four ports with one lcore.
252 If there are 16 ports on the target (and if the portmask argument is -p ffff ),
253 the application will need four lcores to poll all the ports.
254
255 .. code-block:: c
256
257     ret = rte_eth_rx_queue_setup(portid, 0, nb_rxd,
258                 rte_eth_dev_socket_id(portid),
259                 NULL,
260                 l2fwd_pktmbuf_pool);
261
262     if (ret < 0)
263         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_rx_queue_setup:err=%d, port=%u\n",
264                 ret, (unsigned) portid);
265
266 The list of queues that must be polled for a given lcore is stored in a private structure called struct lcore_queue_conf.
267
268 .. code-block:: c
269
270     struct lcore_queue_conf {
271         unsigned n_rx_port;
272         unsigned rx_port_list[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
273         truct mbuf_table tx_mbufs[RTE_MAX_ETHPORTS];
274
275         struct rte_timer rx_timers[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
276         struct rte_jobstats port_fwd_jobs[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
277
278         struct rte_timer flush_timer;
279         struct rte_jobstats flush_job;
280         struct rte_jobstats idle_job;
281         struct rte_jobstats_context jobs_context;
282
283         rte_atomic16_t stats_read_pending;
284         rte_spinlock_t lock;
285     } __rte_cache_aligned;
286
287 Values of struct lcore_queue_conf:
288
289 *   n_rx_port and rx_port_list[] are used in the main packet processing loop
290     (see Section `Receive, Process and Transmit Packets`_ later in this chapter).
291
292 *   rx_timers and flush_timer are used to ensure forced TX on low packet rate.
293
294 *   flush_job, idle_job and jobs_context are librte_jobstats objects used for managing l2fwd jobs.
295
296 *   stats_read_pending and lock are used during job stats read phase.
297
298 TX Queue Initialization
299 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
300
301 Each lcore should be able to transmit on any port. For every port, a single TX queue is initialized.
302
303 .. code-block:: c
304
305     /* init one TX queue on each port */
306
307     fflush(stdout);
308     ret = rte_eth_tx_queue_setup(portid, 0, nb_txd,
309             rte_eth_dev_socket_id(portid),
310             NULL);
311     if (ret < 0)
312         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_tx_queue_setup:err=%d, port=%u\n",
313                 ret, (unsigned) portid);
314
315 Jobs statistics initialization
316 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
317 There are several statistics objects available:
318
319 *   Flush job statistics
320
321 .. code-block:: c
322
323     rte_jobstats_init(&qconf->flush_job, "flush", drain_tsc, drain_tsc,
324             drain_tsc, 0);
325
326     rte_timer_init(&qconf->flush_timer);
327     ret = rte_timer_reset(&qconf->flush_timer, drain_tsc, PERIODICAL,
328                 lcore_id, &l2fwd_flush_job, NULL);
329
330     if (ret < 0) {
331         rte_exit(1, "Failed to reset flush job timer for lcore %u: %s",
332                     lcore_id, rte_strerror(-ret));
333     }
334
335 *   Statistics per RX port
336
337 .. code-block:: c
338
339     rte_jobstats_init(job, name, 0, drain_tsc, 0, MAX_PKT_BURST);
340     rte_jobstats_set_update_period_function(job, l2fwd_job_update_cb);
341
342     rte_timer_init(&qconf->rx_timers[i]);
343     ret = rte_timer_reset(&qconf->rx_timers[i], 0, PERIODICAL, lcore_id,
344             l2fwd_fwd_job, (void *)(uintptr_t)i);
345
346     if (ret < 0) {
347         rte_exit(1, "Failed to reset lcore %u port %u job timer: %s",
348                     lcore_id, qconf->rx_port_list[i], rte_strerror(-ret));
349     }
350
351 Following parameters are passed to rte_jobstats_init():
352
353 *   0 as minimal poll period
354
355 *   drain_tsc as maximum poll period
356
357 *   MAX_PKT_BURST as desired target value (RX burst size)
358
359 Main loop
360 ~~~~~~~~~
361
362 The forwarding path is reworked comparing to original L2 Forwarding application.
363 In the l2fwd_main_loop() function three loops are placed.
364
365 .. code-block:: c
366
367     for (;;) {
368         rte_spinlock_lock(&qconf->lock);
369
370         do {
371             rte_jobstats_context_start(&qconf->jobs_context);
372
373             /* Do the Idle job:
374              * - Read stats_read_pending flag
375              * - check if some real job need to be executed
376              */
377             rte_jobstats_start(&qconf->jobs_context, &qconf->idle_job);
378
379             do {
380                 uint8_t i;
381                 uint64_t now = rte_get_timer_cycles();
382
383                 need_manage = qconf->flush_timer.expire < now;
384                 /* Check if we was esked to give a stats. */
385                 stats_read_pending =
386                         rte_atomic16_read(&qconf->stats_read_pending);
387                 need_manage |= stats_read_pending;
388
389                 for (i = 0; i < qconf->n_rx_port && !need_manage; i++)
390                     need_manage = qconf->rx_timers[i].expire < now;
391
392             } while (!need_manage);
393             rte_jobstats_finish(&qconf->idle_job, qconf->idle_job.target);
394
395             rte_timer_manage();
396             rte_jobstats_context_finish(&qconf->jobs_context);
397         } while (likely(stats_read_pending == 0));
398
399         rte_spinlock_unlock(&qconf->lock);
400         rte_pause();
401     }
402
403 First infinite for loop is to minimize impact of stats reading. Lock is only locked/unlocked when asked.
404
405 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.
406 In this place functions l2fwd_fwd_job() and l2fwd_flush_job() are called when needed.
407 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
408 and if stats_read_pending is set, loop breaks allowing stats to be read.
409
410 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
411 for this lcore. Statistics from this part of code is considered as the headroom available for additional processing.
412
413 Receive, Process and Transmit Packets
414 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
415
416 The main task of l2fwd_fwd_job() function is to read ingress packets from the RX queue of particular port and forward it.
417 This is done using the following code:
418
419 .. code-block:: c
420
421     total_nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0, pkts_burst,
422             MAX_PKT_BURST);
423
424     for (j = 0; j < total_nb_rx; j++) {
425         m = pkts_burst[j];
426         rte_prefetch0(rte_pktmbuf_mtod(m, void *));
427         l2fwd_simple_forward(m, portid);
428     }
429
430 Packets are read in a burst of size MAX_PKT_BURST.
431 Then, each mbuf in the table is processed by the l2fwd_simple_forward() function.
432 The processing is very simple: process the TX port from the RX port, then replace the source and destination MAC addresses.
433
434 The rte_eth_rx_burst() function writes the mbuf pointers in a local table and returns the number of available mbufs in the table.
435
436 After first read second try is issued.
437
438 .. code-block:: c
439
440     if (total_nb_rx == MAX_PKT_BURST) {
441         const uint16_t nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0, pkts_burst,
442                 MAX_PKT_BURST);
443
444         total_nb_rx += nb_rx;
445         for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
446             m = pkts_burst[j];
447             rte_prefetch0(rte_pktmbuf_mtod(m, void *));
448             l2fwd_simple_forward(m, portid);
449         }
450     }
451
452 This second read is important to give job stats library a feedback how many packets was processed.
453
454 .. code-block:: c
455
456     /* Adjust period time in which we are running here. */
457     if (rte_jobstats_finish(job, total_nb_rx) != 0) {
458         rte_timer_reset(&qconf->rx_timers[port_idx], job->period, PERIODICAL,
459                 lcore_id, l2fwd_fwd_job, arg);
460     }
461
462 To maximize performance exactly MAX_PKT_BURST is expected (the target value) to be read for each l2fwd_fwd_job() call.
463 If total_nb_rx is smaller than target value job->period will be increased. If it is greater the period will be decreased.
464
465 .. note::
466
467     In the following code, one line for getting the output port requires some explanation.
468
469 During the initialization process, a static array of destination ports (l2fwd_dst_ports[]) is filled such that for each source port,
470 a destination port is assigned that is either the next or previous enabled port from the portmask.
471 Naturally, the number of ports in the portmask must be even, otherwise, the application exits.
472
473 .. code-block:: c
474
475     static void
476     l2fwd_simple_forward(struct rte_mbuf *m, unsigned portid)
477     {
478         struct ether_hdr *eth;
479         void *tmp;
480         unsigned dst_port;
481
482         dst_port = l2fwd_dst_ports[portid];
483
484         eth = rte_pktmbuf_mtod(m, struct ether_hdr *);
485
486         /* 02:00:00:00:00:xx */
487
488         tmp = &eth->d_addr.addr_bytes[0];
489
490         *((uint64_t *)tmp) = 0x000000000002 + ((uint64_t) dst_port << 40);
491
492         /* src addr */
493
494         ether_addr_copy(&l2fwd_ports_eth_addr[dst_port], &eth->s_addr);
495
496         l2fwd_send_packet(m, (uint8_t) dst_port);
497     }
498
499 Then, the packet is sent using the l2fwd_send_packet (m, dst_port) function.
500 For this test application, the processing is exactly the same for all packets arriving on the same RX port.
501 Therefore, it would have been possible to call the l2fwd_send_burst() function directly from the main loop
502 to send all the received packets on the same TX port,
503 using the burst-oriented send function, which is more efficient.
504
505 However, in real-life applications (such as, L3 routing),
506 packet N is not necessarily forwarded on the same port as packet N-1.
507 The application is implemented to illustrate that, so the same approach can be reused in a more complex application.
508
509 The l2fwd_send_packet() function stores the packet in a per-lcore and per-txport table.
510 If the table is full, the whole packets table is transmitted using the l2fwd_send_burst() function:
511
512 .. code-block:: c
513
514     /* Send the packet on an output interface */
515
516     static int
517     l2fwd_send_packet(struct rte_mbuf *m, uint16_t port)
518     {
519         unsigned lcore_id, len;
520         struct lcore_queue_conf *qconf;
521
522         lcore_id = rte_lcore_id();
523         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
524         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
525         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
526         len++;
527
528         /* enough pkts to be sent */
529
530         if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) {
531             l2fwd_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
532             len = 0;
533         }
534
535         qconf->tx_mbufs[port].len = len; return 0;
536     }
537
538 To ensure that no packets remain in the tables, the flush job exists. The l2fwd_flush_job()
539 is called periodically to for each lcore draining TX queue of each port.
540 This technique introduces some latency when there are not many packets to send,
541 however it improves performance:
542
543 .. code-block:: c
544
545     static void
546     l2fwd_flush_job(__rte_unused struct rte_timer *timer, __rte_unused void *arg)
547     {
548         uint64_t now;
549         unsigned lcore_id;
550         struct lcore_queue_conf *qconf;
551         struct mbuf_table *m_table;
552         uint16_t portid;
553
554         lcore_id = rte_lcore_id();
555         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
556
557         rte_jobstats_start(&qconf->jobs_context, &qconf->flush_job);
558
559         now = rte_get_timer_cycles();
560         lcore_id = rte_lcore_id();
561         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
562         for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++) {
563             m_table = &qconf->tx_mbufs[portid];
564             if (m_table->len == 0 || m_table->next_flush_time <= now)
565                 continue;
566
567             l2fwd_send_burst(qconf, portid);
568         }
569
570
571         /* Pass target to indicate that this job is happy of time interval
572          * in which it was called. */
573         rte_jobstats_finish(&qconf->flush_job, qconf->flush_job.target);
574     }