New upstream version 17.11-rc3
[deb_dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l2_forward_real_virtual.rst
1 ..  BSD LICENSE
2     Copyright(c) 2010-2014 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_app_real_and_virtual:
32
33 L2 Forwarding Sample Application (in Real and Virtualized Environments)
34 =======================================================================
35
36 The L2 Forwarding sample application is a simple example of packet processing using
37 the Data Plane Development Kit (DPDK) which
38 also takes advantage of Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) features in a virtualized environment.
39
40 .. note::
41
42     Please note that previously a separate L2 Forwarding in Virtualized Environments sample application was used,
43     however, in later DPDK versions these sample applications have been merged.
44
45 Overview
46 --------
47
48 The L2 Forwarding sample application, which can operate in real and virtualized environments,
49 performs L2 forwarding for each packet that is received on an RX_PORT.
50 The destination port is the adjacent port from the enabled portmask, that is,
51 if the first four ports are enabled (portmask 0xf),
52 ports 1 and 2 forward into each other, and ports 3 and 4 forward into each other.
53 Also, if MAC addresses updating is enabled, the MAC addresses are affected as follows:
54
55 *   The source MAC address is replaced by the TX_PORT MAC address
56
57 *   The destination MAC address is replaced by  02:00:00:00:00:TX_PORT_ID
58
59 This application can be used to benchmark performance using a traffic-generator, as shown in the :numref:`figure_l2_fwd_benchmark_setup`,
60 or in a virtualized environment as shown in :numref:`figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup`.
61
62 .. _figure_l2_fwd_benchmark_setup:
63
64 .. figure:: img/l2_fwd_benchmark_setup.*
65
66    Performance Benchmark Setup (Basic Environment)
67
68 .. _figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup:
69
70 .. figure:: img/l2_fwd_virtenv_benchmark_setup.*
71
72    Performance Benchmark Setup (Virtualized Environment)
73
74 This application may be used for basic VM to VM communication as shown in :numref:`figure_l2_fwd_vm2vm`,
75 when MAC addresses updating is disabled.
76
77 .. _figure_l2_fwd_vm2vm:
78
79 .. figure:: img/l2_fwd_vm2vm.*
80
81    Virtual Machine to Virtual Machine communication.
82
83 The L2 Forwarding application can also be used as a starting point for developing a new application based on the DPDK.
84
85 .. _l2_fwd_vf_setup:
86
87 Virtual Function Setup Instructions
88 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
89
90 This application can use the virtual function available in the system and
91 therefore can be used in a virtual machine without passing through
92 the whole Network Device into a guest machine in a virtualized scenario.
93 The virtual functions can be enabled in the host machine or the hypervisor with the respective physical function driver.
94
95 For example, in a Linux* host machine, it is possible to enable a virtual function using the following command:
96
97 .. code-block:: console
98
99     modprobe ixgbe max_vfs=2,2
100
101 This command enables two Virtual Functions on each of Physical Function of the NIC,
102 with two physical ports in the PCI configuration space.
103 It is important to note that enabled Virtual Function 0 and 2 would belong to Physical Function 0
104 and Virtual Function 1 and 3 would belong to Physical Function 1,
105 in this case enabling a total of four Virtual Functions.
106
107 Compiling the Application
108 -------------------------
109
110 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
111
112 The application is located in the ``l2fwd`` sub-directory.
113
114 Running the Application
115 -----------------------
116
117 The application requires a number of command line options:
118
119 .. code-block:: console
120
121     ./build/l2fwd [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ] --[no-]mac-updating
122
123 where,
124
125 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure
126
127 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
128
129 *   --[no-]mac-updating: Enable or disable MAC addresses updating (enabled by default).
130
131 To run the application in linuxapp environment with 4 lcores, 16 ports and 8 RX queues per lcore and MAC address
132 updating enabled, issue the command:
133
134 .. code-block:: console
135
136     $ ./build/l2fwd -l 0-3 -n 4 -- -q 8 -p ffff
137
138 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
139 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
140
141 Explanation
142 -----------
143
144 The following sections provide some explanation of the code.
145
146 .. _l2_fwd_app_cmd_arguments:
147
148 Command Line Arguments
149 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
150
151 The L2 Forwarding sample application takes specific parameters,
152 in addition to Environment Abstraction Layer (EAL) arguments.
153 The preferred way to parse parameters is to use the getopt() function,
154 since it is part of a well-defined and portable library.
155
156 The parsing of arguments is done in the l2fwd_parse_args() function.
157 The method of argument parsing is not described here.
158 Refer to the *glibc getopt(3)* man page for details.
159
160 EAL arguments are parsed first, then application-specific arguments.
161 This is done at the beginning of the main() function:
162
163 .. code-block:: c
164
165     /* init EAL */
166
167     ret = rte_eal_init(argc, argv);
168     if (ret < 0)
169         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL arguments\n");
170
171     argc -= ret;
172     argv += ret;
173
174     /* parse application arguments (after the EAL ones) */
175
176     ret = l2fwd_parse_args(argc, argv);
177     if (ret < 0)
178         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid L2FWD arguments\n");
179
180 .. _l2_fwd_app_mbuf_init:
181
182 Mbuf Pool Initialization
183 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
184
185 Once the arguments are parsed, the mbuf pool is created.
186 The mbuf pool contains a set of mbuf objects that will be used by the driver
187 and the application to store network packet data:
188
189 .. code-block:: c
190
191     /* create the mbuf pool */
192
193     l2fwd_pktmbuf_pool = rte_pktmbuf_pool_create("mbuf_pool", NB_MBUF,
194         MEMPOOL_CACHE_SIZE, 0, RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE,
195         rte_socket_id());
196
197     if (l2fwd_pktmbuf_pool == NULL)
198         rte_panic("Cannot init mbuf pool\n");
199
200 The rte_mempool is a generic structure used to handle pools of objects.
201 In this case, it is necessary to create a pool that will be used by the driver.
202 The number of allocated pkt mbufs is NB_MBUF, with a data room size of
203 RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE each.
204 A per-lcore cache of 32 mbufs is kept.
205 The memory is allocated in NUMA socket 0,
206 but it is possible to extend this code to allocate one mbuf pool per socket.
207
208 The rte_pktmbuf_pool_create() function uses the default mbuf pool and mbuf
209 initializers, respectively rte_pktmbuf_pool_init() and rte_pktmbuf_init().
210 An advanced application may want to use the mempool API to create the
211 mbuf pool with more control.
212
213 .. _l2_fwd_app_dvr_init:
214
215 Driver Initialization
216 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
217
218 The main part of the code in the main() function relates to the initialization of the driver.
219 To fully understand this code, it is recommended to study the chapters that related to the Poll Mode Driver
220 in the *DPDK Programmer's Guide* - Rel 1.4 EAR and the *DPDK API Reference*.
221
222 .. code-block:: c
223
224     if (rte_pci_probe() < 0)
225         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot probe PCI\n");
226
227     nb_ports = rte_eth_dev_count();
228
229     if (nb_ports == 0)
230         rte_exit(EXIT_FAILURE, "No Ethernet ports - bye\n");
231
232     /* reset l2fwd_dst_ports */
233
234     for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++)
235         l2fwd_dst_ports[portid] = 0;
236
237     last_port = 0;
238
239     /*
240      * Each logical core is assigned a dedicated TX queue on each port.
241      */
242
243     for (portid = 0; portid < nb_ports; portid++) {
244         /* skip ports that are not enabled */
245
246         if ((l2fwd_enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
247            continue;
248
249         if (nb_ports_in_mask % 2) {
250             l2fwd_dst_ports[portid] = last_port;
251             l2fwd_dst_ports[last_port] = portid;
252         }
253         else
254            last_port = portid;
255
256         nb_ports_in_mask++;
257
258         rte_eth_dev_info_get((uint8_t) portid, &dev_info);
259     }
260
261 Observe that:
262
263 *   rte_igb_pmd_init_all() simultaneously registers the driver as a PCI driver and as an Ethernet* Poll Mode Driver.
264
265 *   rte_pci_probe() parses the devices on the PCI bus and initializes recognized devices.
266
267 The next step is to configure the RX and TX queues.
268 For each port, there is only one RX queue (only one lcore is able to poll a given port).
269 The number of TX queues depends on the number of available lcores.
270 The rte_eth_dev_configure() function is used to configure the number of queues for a port:
271
272 .. code-block:: c
273
274     ret = rte_eth_dev_configure((uint8_t)portid, 1, 1, &port_conf);
275     if (ret < 0)
276         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot configure device: "
277             "err=%d, port=%u\n",
278             ret, portid);
279
280 The global configuration is stored in a static structure:
281
282 .. code-block:: c
283
284     static const struct rte_eth_conf port_conf = {
285         .rxmode = {
286             .split_hdr_size = 0,
287             .header_split = 0,   /**< Header Split disabled */
288             .hw_ip_checksum = 0, /**< IP checksum offload disabled */
289             .hw_vlan_filter = 0, /**< VLAN filtering disabled */
290             .jumbo_frame = 0,    /**< Jumbo Frame Support disabled */
291             .hw_strip_crc= 0,    /**< CRC stripped by hardware */
292         },
293
294         .txmode = {
295             .mq_mode = ETH_DCB_NONE
296         },
297     };
298
299 .. _l2_fwd_app_rx_init:
300
301 RX Queue Initialization
302 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
303
304 The application uses one lcore to poll one or several ports, depending on the -q option,
305 which specifies the number of queues per lcore.
306
307 For example, if the user specifies -q 4, the application is able to poll four ports with one lcore.
308 If there are 16 ports on the target (and if the portmask argument is -p ffff ),
309 the application will need four lcores to poll all the ports.
310
311 .. code-block:: c
312
313     ret = rte_eth_rx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_rxd, SOCKET0, &rx_conf, l2fwd_pktmbuf_pool);
314     if (ret < 0)
315
316         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_rx_queue_setup: "
317             "err=%d, port=%u\n",
318             ret, portid);
319
320 The list of queues that must be polled for a given lcore is stored in a private structure called struct lcore_queue_conf.
321
322 .. code-block:: c
323
324     struct lcore_queue_conf {
325         unsigned n_rx_port;
326         unsigned rx_port_list[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
327         struct mbuf_table tx_mbufs[L2FWD_MAX_PORTS];
328     } rte_cache_aligned;
329
330     struct lcore_queue_conf lcore_queue_conf[RTE_MAX_LCORE];
331
332 The values n_rx_port and rx_port_list[] are used in the main packet processing loop
333 (see :ref:`l2_fwd_app_rx_tx_packets`).
334
335 The global configuration for the RX queues is stored in a static structure:
336
337 .. code-block:: c
338
339     static const struct rte_eth_rxconf rx_conf = {
340         .rx_thresh = {
341             .pthresh = RX_PTHRESH,
342             .hthresh = RX_HTHRESH,
343             .wthresh = RX_WTHRESH,
344         },
345     };
346
347 .. _l2_fwd_app_tx_init:
348
349 TX Queue Initialization
350 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
351
352 Each lcore should be able to transmit on any port. For every port, a single TX queue is initialized.
353
354 .. code-block:: c
355
356     /* init one TX queue on each port */
357
358     fflush(stdout);
359
360     ret = rte_eth_tx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_txd, rte_eth_dev_socket_id(portid), &tx_conf);
361     if (ret < 0)
362         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_tx_queue_setup:err=%d, port=%u\n", ret, (unsigned) portid);
363
364 The global configuration for TX queues is stored in a static structure:
365
366 .. code-block:: c
367
368     static const struct rte_eth_txconf tx_conf = {
369         .tx_thresh = {
370             .pthresh = TX_PTHRESH,
371             .hthresh = TX_HTHRESH,
372             .wthresh = TX_WTHRESH,
373         },
374         .tx_free_thresh = RTE_TEST_TX_DESC_DEFAULT + 1, /* disable feature */
375     };
376
377 .. _l2_fwd_app_rx_tx_packets:
378
379 Receive, Process and Transmit Packets
380 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
381
382 In the l2fwd_main_loop() function, the main task is to read ingress packets from the RX queues.
383 This is done using the following code:
384
385 .. code-block:: c
386
387     /*
388      * Read packet from RX queues
389      */
390
391     for (i = 0; i < qconf->n_rx_port; i++) {
392         portid = qconf->rx_port_list[i];
393         nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0,  pkts_burst, MAX_PKT_BURST);
394
395         for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
396             m = pkts_burst[j];
397             rte_prefetch0[rte_pktmbuf_mtod(m, void *)); l2fwd_simple_forward(m, portid);
398         }
399     }
400
401 Packets are read in a burst of size MAX_PKT_BURST.
402 The rte_eth_rx_burst() function writes the mbuf pointers in a local table and returns the number of available mbufs in the table.
403
404 Then, each mbuf in the table is processed by the l2fwd_simple_forward() function.
405 The processing is very simple: process the TX port from the RX port, then replace the source and destination MAC addresses if MAC
406 addresses updating is enabled.
407
408 .. note::
409
410     In the following code, one line for getting the output port requires some explanation.
411
412 During the initialization process, a static array of destination ports (l2fwd_dst_ports[]) is filled such that for each source port,
413 a destination port is assigned that is either the next or previous enabled port from the portmask.
414 Naturally, the number of ports in the portmask must be even, otherwise, the application exits.
415
416 .. code-block:: c
417
418     static void
419     l2fwd_simple_forward(struct rte_mbuf *m, unsigned portid)
420     {
421         struct ether_hdr *eth;
422         void *tmp;
423         unsigned dst_port;
424
425         dst_port = l2fwd_dst_ports[portid];
426
427         eth = rte_pktmbuf_mtod(m, struct ether_hdr *);
428
429         /* 02:00:00:00:00:xx */
430
431         tmp = &eth->d_addr.addr_bytes[0];
432
433         *((uint64_t *)tmp) = 0x000000000002 + ((uint64_t) dst_port << 40);
434
435         /* src addr */
436
437         ether_addr_copy(&l2fwd_ports_eth_addr[dst_port], &eth->s_addr);
438
439         l2fwd_send_packet(m, (uint8_t) dst_port);
440     }
441
442 Then, the packet is sent using the l2fwd_send_packet (m, dst_port) function.
443 For this test application, the processing is exactly the same for all packets arriving on the same RX port.
444 Therefore, it would have been possible to call the l2fwd_send_burst() function directly from the main loop
445 to send all the received packets on the same TX port,
446 using the burst-oriented send function, which is more efficient.
447
448 However, in real-life applications (such as, L3 routing),
449 packet N is not necessarily forwarded on the same port as packet N-1.
450 The application is implemented to illustrate that, so the same approach can be reused in a more complex application.
451
452 The l2fwd_send_packet() function stores the packet in a per-lcore and per-txport table.
453 If the table is full, the whole packets table is transmitted using the l2fwd_send_burst() function:
454
455 .. code-block:: c
456
457     /* Send the packet on an output interface */
458
459     static int
460     l2fwd_send_packet(struct rte_mbuf *m, uint16_t port)
461     {
462         unsigned lcore_id, len;
463         struct lcore_queue_conf *qconf;
464
465         lcore_id = rte_lcore_id();
466         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
467         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
468         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
469         len++;
470
471         /* enough pkts to be sent */
472
473         if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) {
474             l2fwd_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
475             len = 0;
476         }
477
478         qconf->tx_mbufs[port].len = len; return 0;
479     }
480
481 To ensure that no packets remain in the tables, each lcore does a draining of TX queue in its main loop.
482 This technique introduces some latency when there are not many packets to send,
483 however it improves performance:
484
485 .. code-block:: c
486
487     cur_tsc = rte_rdtsc();
488
489     /*
490      *   TX burst queue drain
491      */
492
493     diff_tsc = cur_tsc - prev_tsc;
494
495     if (unlikely(diff_tsc > drain_tsc)) {
496         for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++) {
497             if (qconf->tx_mbufs[portid].len == 0)
498                 continue;
499
500             l2fwd_send_burst(&lcore_queue_conf[lcore_id], qconf->tx_mbufs[portid].len, (uint8_t) portid);
501
502             qconf->tx_mbufs[portid].len = 0;
503         }
504
505         /* if timer is enabled */
506
507         if (timer_period > 0) {
508             /* advance the timer */
509
510             timer_tsc += diff_tsc;
511
512             /* if timer has reached its timeout */
513
514             if (unlikely(timer_tsc >= (uint64_t) timer_period)) {
515                 /* do this only on master core */
516
517                 if (lcore_id == rte_get_master_lcore()) {
518                     print_stats();
519
520                     /* reset the timer */
521                     timer_tsc = 0;
522                 }
523             }
524         }
525
526         prev_tsc = cur_tsc;
527     }