Imported Upstream version 16.07-rc1
[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, 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
61 The application can also be used in a virtualized environment as shown in :numref:`figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup`.
62
63 The L2 Forwarding application can also be used as a starting point for developing a new application based on the DPDK.
64
65 .. _figure_l2_fwd_benchmark_setup:
66
67 .. figure:: img/l2_fwd_benchmark_setup.*
68
69    Performance Benchmark Setup (Basic Environment)
70
71
72 .. _figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup:
73
74 .. figure:: img/l2_fwd_virtenv_benchmark_setup.*
75
76    Performance Benchmark Setup (Virtualized Environment)
77
78 .. _l2_fwd_vf_setup:
79
80 Virtual Function Setup Instructions
81 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
82
83 This application can use the virtual function available in the system and
84 therefore can be used in a virtual machine without passing through
85 the whole Network Device into a guest machine in a virtualized scenario.
86 The virtual functions can be enabled in the host machine or the hypervisor with the respective physical function driver.
87
88 For example, in a Linux* host machine, it is possible to enable a virtual function using the following command:
89
90 .. code-block:: console
91
92     modprobe ixgbe max_vfs=2,2
93
94 This command enables two Virtual Functions on each of Physical Function of the NIC,
95 with two physical ports in the PCI configuration space.
96 It is important to note that enabled Virtual Function 0 and 2 would belong to Physical Function 0
97 and Virtual Function 1 and 3 would belong to Physical Function 1,
98 in this case enabling a total of four Virtual Functions.
99
100 Compiling the Application
101 -------------------------
102
103 #.  Go to the example directory:
104
105     .. code-block:: console
106
107         export RTE_SDK=/path/to/rte_sdk
108         cd ${RTE_SDK}/examples/l2fwd
109
110 #.  Set the target (a default target is used if not specified). For example:
111
112     .. code-block:: console
113
114         export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
115
116     *See the DPDK Getting Started Guide* for possible RTE_TARGET values.
117
118 #.  Build the application:
119
120     .. code-block:: console
121
122         make
123
124 Running the Application
125 -----------------------
126
127 The application requires a number of command line options:
128
129 .. code-block:: console
130
131     ./build/l2fwd [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ]
132
133 where,
134
135 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure
136
137 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
138
139 To run the application in linuxapp environment with 4 lcores, 16 ports and 8 RX queues per lcore, issue the command:
140
141 .. code-block:: console
142
143     $ ./build/l2fwd -c f -n 4 -- -q 8 -p ffff
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 .. _l2_fwd_app_cmd_arguments:
154
155 Command Line Arguments
156 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
157
158 The L2 Forwarding sample application takes specific parameters,
159 in addition to Environment Abstraction Layer (EAL) arguments.
160 The preferred way to parse parameters is to use the getopt() function,
161 since it is part of a well-defined and portable library.
162
163 The parsing of arguments is done in the l2fwd_parse_args() function.
164 The method of argument parsing is not described here.
165 Refer to the *glibc getopt(3)* man page for details.
166
167 EAL arguments are parsed first, then application-specific arguments.
168 This is done at the beginning of the main() function:
169
170 .. code-block:: c
171
172     /* init EAL */
173
174     ret = rte_eal_init(argc, argv);
175     if (ret < 0)
176         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL arguments\n");
177
178     argc -= ret;
179     argv += ret;
180
181     /* parse application arguments (after the EAL ones) */
182
183     ret = l2fwd_parse_args(argc, argv);
184     if (ret < 0)
185         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid L2FWD arguments\n");
186
187 .. _l2_fwd_app_mbuf_init:
188
189 Mbuf Pool Initialization
190 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
191
192 Once the arguments are parsed, the mbuf pool is created.
193 The mbuf pool contains a set of mbuf objects that will be used by the driver
194 and the application to store network packet data:
195
196 .. code-block:: c
197
198     /* create the mbuf pool */
199
200     l2fwd_pktmbuf_pool = rte_mempool_create("mbuf_pool", NB_MBUF, MBUF_SIZE, 32, sizeof(struct rte_pktmbuf_pool_private),
201         rte_pktmbuf_pool_init, NULL, rte_pktmbuf_init, NULL, SOCKET0, 0);
202
203     if (l2fwd_pktmbuf_pool == NULL)
204         rte_panic("Cannot init mbuf pool\n");
205
206 The rte_mempool is a generic structure used to handle pools of objects.
207 In this case, it is necessary to create a pool that will be used by the driver,
208 which expects to have some reserved space in the mempool structure,
209 sizeof(struct rte_pktmbuf_pool_private) bytes.
210 The number of allocated pkt mbufs is NB_MBUF, with a size of MBUF_SIZE each.
211 A per-lcore cache of 32 mbufs is kept.
212 The memory is allocated in NUMA socket 0,
213 but it is possible to extend this code to allocate one mbuf pool per socket.
214
215 Two callback pointers are also given to the rte_mempool_create() function:
216
217 *   The first callback pointer is to rte_pktmbuf_pool_init() and is used
218     to initialize the private data of the mempool, which is needed by the driver.
219     This function is provided by the mbuf API, but can be copied and extended by the developer.
220
221 *   The second callback pointer given to rte_mempool_create() is the mbuf initializer.
222     The default is used, that is, rte_pktmbuf_init(), which is provided in the rte_mbuf library.
223     If a more complex application wants to extend the rte_pktmbuf structure for its own needs,
224     a new function derived from rte_pktmbuf_init( ) can be created.
225
226 .. _l2_fwd_app_dvr_init:
227
228 Driver Initialization
229 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
230
231 The main part of the code in the main() function relates to the initialization of the driver.
232 To fully understand this code, it is recommended to study the chapters that related to the Poll Mode Driver
233 in the *DPDK Programmer's Guide* - Rel 1.4 EAR and the *DPDK API Reference*.
234
235 .. code-block:: c
236
237     if (rte_eal_pci_probe() < 0)
238         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot probe PCI\n");
239
240     nb_ports = rte_eth_dev_count();
241
242     if (nb_ports == 0)
243         rte_exit(EXIT_FAILURE, "No Ethernet ports - bye\n");
244
245     /* reset l2fwd_dst_ports */
246
247     for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++)
248         l2fwd_dst_ports[portid] = 0;
249
250     last_port = 0;
251
252     /*
253      * Each logical core is assigned a dedicated TX queue on each port.
254      */
255
256     for (portid = 0; portid < nb_ports; portid++) {
257         /* skip ports that are not enabled */
258
259         if ((l2fwd_enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
260            continue;
261
262         if (nb_ports_in_mask % 2) {
263             l2fwd_dst_ports[portid] = last_port;
264             l2fwd_dst_ports[last_port] = portid;
265         }
266         else
267            last_port = portid;
268
269         nb_ports_in_mask++;
270
271         rte_eth_dev_info_get((uint8_t) portid, &dev_info);
272     }
273
274 Observe that:
275
276 *   rte_igb_pmd_init_all() simultaneously registers the driver as a PCI driver and as an Ethernet* Poll Mode Driver.
277
278 *   rte_eal_pci_probe() parses the devices on the PCI bus and initializes recognized devices.
279
280 The next step is to configure the RX and TX queues.
281 For each port, there is only one RX queue (only one lcore is able to poll a given port).
282 The number of TX queues depends on the number of available lcores.
283 The rte_eth_dev_configure() function is used to configure the number of queues for a port:
284
285 .. code-block:: c
286
287     ret = rte_eth_dev_configure((uint8_t)portid, 1, 1, &port_conf);
288     if (ret < 0)
289         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot configure device: "
290             "err=%d, port=%u\n",
291             ret, portid);
292
293 The global configuration is stored in a static structure:
294
295 .. code-block:: c
296
297     static const struct rte_eth_conf port_conf = {
298         .rxmode = {
299             .split_hdr_size = 0,
300             .header_split = 0,   /**< Header Split disabled */
301             .hw_ip_checksum = 0, /**< IP checksum offload disabled */
302             .hw_vlan_filter = 0, /**< VLAN filtering disabled */
303             .jumbo_frame = 0,    /**< Jumbo Frame Support disabled */
304             .hw_strip_crc= 0,    /**< CRC stripped by hardware */
305         },
306
307         .txmode = {
308             .mq_mode = ETH_DCB_NONE
309         },
310     };
311
312 .. _l2_fwd_app_rx_init:
313
314 RX Queue Initialization
315 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
316
317 The application uses one lcore to poll one or several ports, depending on the -q option,
318 which specifies the number of queues per lcore.
319
320 For example, if the user specifies -q 4, the application is able to poll four ports with one lcore.
321 If there are 16 ports on the target (and if the portmask argument is -p ffff ),
322 the application will need four lcores to poll all the ports.
323
324 .. code-block:: c
325
326     ret = rte_eth_rx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_rxd, SOCKET0, &rx_conf, l2fwd_pktmbuf_pool);
327     if (ret < 0)
328
329         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_rx_queue_setup: "
330             "err=%d, port=%u\n",
331             ret, portid);
332
333 The list of queues that must be polled for a given lcore is stored in a private structure called struct lcore_queue_conf.
334
335 .. code-block:: c
336
337     struct lcore_queue_conf {
338         unsigned n_rx_port;
339         unsigned rx_port_list[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
340         struct mbuf_table tx_mbufs[L2FWD_MAX_PORTS];
341     } rte_cache_aligned;
342
343     struct lcore_queue_conf lcore_queue_conf[RTE_MAX_LCORE];
344
345 The values n_rx_port and rx_port_list[] are used in the main packet processing loop
346 (see :ref:`l2_fwd_app_rx_tx_packets`).
347
348 The global configuration for the RX queues is stored in a static structure:
349
350 .. code-block:: c
351
352     static const struct rte_eth_rxconf rx_conf = {
353         .rx_thresh = {
354             .pthresh = RX_PTHRESH,
355             .hthresh = RX_HTHRESH,
356             .wthresh = RX_WTHRESH,
357         },
358     };
359
360 .. _l2_fwd_app_tx_init:
361
362 TX Queue Initialization
363 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
364
365 Each lcore should be able to transmit on any port. For every port, a single TX queue is initialized.
366
367 .. code-block:: c
368
369     /* init one TX queue on each port */
370
371     fflush(stdout);
372
373     ret = rte_eth_tx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_txd, rte_eth_dev_socket_id(portid), &tx_conf);
374     if (ret < 0)
375         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_tx_queue_setup:err=%d, port=%u\n", ret, (unsigned) portid);
376
377 The global configuration for TX queues is stored in a static structure:
378
379 .. code-block:: c
380
381     static const struct rte_eth_txconf tx_conf = {
382         .tx_thresh = {
383             .pthresh = TX_PTHRESH,
384             .hthresh = TX_HTHRESH,
385             .wthresh = TX_WTHRESH,
386         },
387         .tx_free_thresh = RTE_TEST_TX_DESC_DEFAULT + 1, /* disable feature */
388     };
389
390 .. _l2_fwd_app_rx_tx_packets:
391
392 Receive, Process and Transmit Packets
393 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
394
395 In the l2fwd_main_loop() function, the main task is to read ingress packets from the RX queues.
396 This is done using the following code:
397
398 .. code-block:: c
399
400     /*
401      * Read packet from RX queues
402      */
403
404     for (i = 0; i < qconf->n_rx_port; i++) {
405         portid = qconf->rx_port_list[i];
406         nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0,  pkts_burst, MAX_PKT_BURST);
407
408         for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
409             m = pkts_burst[j];
410             rte_prefetch0[rte_pktmbuf_mtod(m, void *)); l2fwd_simple_forward(m, portid);
411         }
412     }
413
414 Packets are read in a burst of size MAX_PKT_BURST.
415 The rte_eth_rx_burst() function writes the mbuf pointers in a local table and returns the number of available mbufs in the table.
416
417 Then, each mbuf in the table is processed by the l2fwd_simple_forward() function.
418 The processing is very simple: process the TX port from the RX port, then replace the source and destination MAC addresses.
419
420 .. note::
421
422     In the following code, one line for getting the output port requires some explanation.
423
424 During the initialization process, a static array of destination ports (l2fwd_dst_ports[]) is filled such that for each source port,
425 a destination port is assigned that is either the next or previous enabled port from the portmask.
426 Naturally, the number of ports in the portmask must be even, otherwise, the application exits.
427
428 .. code-block:: c
429
430     static void
431     l2fwd_simple_forward(struct rte_mbuf *m, unsigned portid)
432     {
433         struct ether_hdr *eth;
434         void *tmp;
435         unsigned dst_port;
436
437         dst_port = l2fwd_dst_ports[portid];
438
439         eth = rte_pktmbuf_mtod(m, struct ether_hdr *);
440
441         /* 02:00:00:00:00:xx */
442
443         tmp = &eth->d_addr.addr_bytes[0];
444
445         *((uint64_t *)tmp) = 0x000000000002 + ((uint64_t) dst_port << 40);
446
447         /* src addr */
448
449         ether_addr_copy(&l2fwd_ports_eth_addr[dst_port], &eth->s_addr);
450
451         l2fwd_send_packet(m, (uint8_t) dst_port);
452     }
453
454 Then, the packet is sent using the l2fwd_send_packet (m, dst_port) function.
455 For this test application, the processing is exactly the same for all packets arriving on the same RX port.
456 Therefore, it would have been possible to call the l2fwd_send_burst() function directly from the main loop
457 to send all the received packets on the same TX port,
458 using the burst-oriented send function, which is more efficient.
459
460 However, in real-life applications (such as, L3 routing),
461 packet N is not necessarily forwarded on the same port as packet N-1.
462 The application is implemented to illustrate that, so the same approach can be reused in a more complex application.
463
464 The l2fwd_send_packet() function stores the packet in a per-lcore and per-txport table.
465 If the table is full, the whole packets table is transmitted using the l2fwd_send_burst() function:
466
467 .. code-block:: c
468
469     /* Send the packet on an output interface */
470
471     static int
472     l2fwd_send_packet(struct rte_mbuf *m, uint8_t port)
473     {
474         unsigned lcore_id, len;
475         struct lcore_queue_conf \*qconf;
476
477         lcore_id = rte_lcore_id();
478         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
479         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
480         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
481         len++;
482
483         /* enough pkts to be sent */
484
485         if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) {
486             l2fwd_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
487             len = 0;
488         }
489
490         qconf->tx_mbufs[port].len = len; return 0;
491     }
492
493 To ensure that no packets remain in the tables, each lcore does a draining of TX queue in its main loop.
494 This technique introduces some latency when there are not many packets to send,
495 however it improves performance:
496
497 .. code-block:: c
498
499     cur_tsc = rte_rdtsc();
500
501     /*
502      *   TX burst queue drain
503      */
504
505     diff_tsc = cur_tsc - prev_tsc;
506
507     if (unlikely(diff_tsc > drain_tsc)) {
508         for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++) {
509             if (qconf->tx_mbufs[portid].len == 0)
510                 continue;
511
512             l2fwd_send_burst(&lcore_queue_conf[lcore_id], qconf->tx_mbufs[portid].len, (uint8_t) portid);
513
514             qconf->tx_mbufs[portid].len = 0;
515         }
516
517         /* if timer is enabled */
518
519         if (timer_period > 0) {
520             /* advance the timer */
521
522             timer_tsc += diff_tsc;
523
524             /* if timer has reached its timeout */
525
526             if (unlikely(timer_tsc >= (uint64_t) timer_period)) {
527                 /* do this only on master core */
528
529                 if (lcore_id == rte_get_master_lcore()) {
530                     print_stats();
531
532                     /* reset the timer */
533                     timer_tsc = 0;
534                 }
535             }
536         }
537
538         prev_tsc = cur_tsc;
539     }