Imported Upstream version 16.04
[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     if (nb_ports > RTE_MAX_ETHPORTS)
246         nb_ports = RTE_MAX_ETHPORTS;
247
248     /* reset l2fwd_dst_ports */
249
250     for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++)
251         l2fwd_dst_ports[portid] = 0;
252
253     last_port = 0;
254
255     /*
256      * Each logical core is assigned a dedicated TX queue on each port.
257      */
258
259     for (portid = 0; portid < nb_ports; portid++) {
260         /* skip ports that are not enabled */
261
262         if ((l2fwd_enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
263            continue;
264
265         if (nb_ports_in_mask % 2) {
266             l2fwd_dst_ports[portid] = last_port;
267             l2fwd_dst_ports[last_port] = portid;
268         }
269         else
270            last_port = portid;
271
272         nb_ports_in_mask++;
273
274         rte_eth_dev_info_get((uint8_t) portid, &dev_info);
275     }
276
277 Observe that:
278
279 *   rte_igb_pmd_init_all() simultaneously registers the driver as a PCI driver and as an Ethernet* Poll Mode Driver.
280
281 *   rte_eal_pci_probe() parses the devices on the PCI bus and initializes recognized devices.
282
283 The next step is to configure the RX and TX queues.
284 For each port, there is only one RX queue (only one lcore is able to poll a given port).
285 The number of TX queues depends on the number of available lcores.
286 The rte_eth_dev_configure() function is used to configure the number of queues for a port:
287
288 .. code-block:: c
289
290     ret = rte_eth_dev_configure((uint8_t)portid, 1, 1, &port_conf);
291     if (ret < 0)
292         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot configure device: "
293             "err=%d, port=%u\n",
294             ret, portid);
295
296 The global configuration is stored in a static structure:
297
298 .. code-block:: c
299
300     static const struct rte_eth_conf port_conf = {
301         .rxmode = {
302             .split_hdr_size = 0,
303             .header_split = 0,   /**< Header Split disabled */
304             .hw_ip_checksum = 0, /**< IP checksum offload disabled */
305             .hw_vlan_filter = 0, /**< VLAN filtering disabled */
306             .jumbo_frame = 0,    /**< Jumbo Frame Support disabled */
307             .hw_strip_crc= 0,    /**< CRC stripped by hardware */
308         },
309
310         .txmode = {
311             .mq_mode = ETH_DCB_NONE
312         },
313     };
314
315 .. _l2_fwd_app_rx_init:
316
317 RX Queue Initialization
318 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
319
320 The application uses one lcore to poll one or several ports, depending on the -q option,
321 which specifies the number of queues per lcore.
322
323 For example, if the user specifies -q 4, the application is able to poll four ports with one lcore.
324 If there are 16 ports on the target (and if the portmask argument is -p ffff ),
325 the application will need four lcores to poll all the ports.
326
327 .. code-block:: c
328
329     ret = rte_eth_rx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_rxd, SOCKET0, &rx_conf, l2fwd_pktmbuf_pool);
330     if (ret < 0)
331
332         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_rx_queue_setup: "
333             "err=%d, port=%u\n",
334             ret, portid);
335
336 The list of queues that must be polled for a given lcore is stored in a private structure called struct lcore_queue_conf.
337
338 .. code-block:: c
339
340     struct lcore_queue_conf {
341         unsigned n_rx_port;
342         unsigned rx_port_list[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
343         struct mbuf_table tx_mbufs[L2FWD_MAX_PORTS];
344     } rte_cache_aligned;
345
346     struct lcore_queue_conf lcore_queue_conf[RTE_MAX_LCORE];
347
348 The values n_rx_port and rx_port_list[] are used in the main packet processing loop
349 (see :ref:`l2_fwd_app_rx_tx_packets`).
350
351 The global configuration for the RX queues is stored in a static structure:
352
353 .. code-block:: c
354
355     static const struct rte_eth_rxconf rx_conf = {
356         .rx_thresh = {
357             .pthresh = RX_PTHRESH,
358             .hthresh = RX_HTHRESH,
359             .wthresh = RX_WTHRESH,
360         },
361     };
362
363 .. _l2_fwd_app_tx_init:
364
365 TX Queue Initialization
366 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
367
368 Each lcore should be able to transmit on any port. For every port, a single TX queue is initialized.
369
370 .. code-block:: c
371
372     /* init one TX queue on each port */
373
374     fflush(stdout);
375
376     ret = rte_eth_tx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_txd, rte_eth_dev_socket_id(portid), &tx_conf);
377     if (ret < 0)
378         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_tx_queue_setup:err=%d, port=%u\n", ret, (unsigned) portid);
379
380 The global configuration for TX queues is stored in a static structure:
381
382 .. code-block:: c
383
384     static const struct rte_eth_txconf tx_conf = {
385         .tx_thresh = {
386             .pthresh = TX_PTHRESH,
387             .hthresh = TX_HTHRESH,
388             .wthresh = TX_WTHRESH,
389         },
390         .tx_free_thresh = RTE_TEST_TX_DESC_DEFAULT + 1, /* disable feature */
391     };
392
393 .. _l2_fwd_app_rx_tx_packets:
394
395 Receive, Process and Transmit Packets
396 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
397
398 In the l2fwd_main_loop() function, the main task is to read ingress packets from the RX queues.
399 This is done using the following code:
400
401 .. code-block:: c
402
403     /*
404      * Read packet from RX queues
405      */
406
407     for (i = 0; i < qconf->n_rx_port; i++) {
408         portid = qconf->rx_port_list[i];
409         nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0,  pkts_burst, MAX_PKT_BURST);
410
411         for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
412             m = pkts_burst[j];
413             rte_prefetch0[rte_pktmbuf_mtod(m, void *)); l2fwd_simple_forward(m, portid);
414         }
415     }
416
417 Packets are read in a burst of size MAX_PKT_BURST.
418 The rte_eth_rx_burst() function writes the mbuf pointers in a local table and returns the number of available mbufs in the table.
419
420 Then, each mbuf in the table is processed by the l2fwd_simple_forward() function.
421 The processing is very simple: process the TX port from the RX port, then replace the source and destination MAC addresses.
422
423 .. note::
424
425     In the following code, one line for getting the output port requires some explanation.
426
427 During the initialization process, a static array of destination ports (l2fwd_dst_ports[]) is filled such that for each source port,
428 a destination port is assigned that is either the next or previous enabled port from the portmask.
429 Naturally, the number of ports in the portmask must be even, otherwise, the application exits.
430
431 .. code-block:: c
432
433     static void
434     l2fwd_simple_forward(struct rte_mbuf *m, unsigned portid)
435     {
436         struct ether_hdr *eth;
437         void *tmp;
438         unsigned dst_port;
439
440         dst_port = l2fwd_dst_ports[portid];
441
442         eth = rte_pktmbuf_mtod(m, struct ether_hdr *);
443
444         /* 02:00:00:00:00:xx */
445
446         tmp = &eth->d_addr.addr_bytes[0];
447
448         *((uint64_t *)tmp) = 0x000000000002 + ((uint64_t) dst_port << 40);
449
450         /* src addr */
451
452         ether_addr_copy(&l2fwd_ports_eth_addr[dst_port], &eth->s_addr);
453
454         l2fwd_send_packet(m, (uint8_t) dst_port);
455     }
456
457 Then, the packet is sent using the l2fwd_send_packet (m, dst_port) function.
458 For this test application, the processing is exactly the same for all packets arriving on the same RX port.
459 Therefore, it would have been possible to call the l2fwd_send_burst() function directly from the main loop
460 to send all the received packets on the same TX port,
461 using the burst-oriented send function, which is more efficient.
462
463 However, in real-life applications (such as, L3 routing),
464 packet N is not necessarily forwarded on the same port as packet N-1.
465 The application is implemented to illustrate that, so the same approach can be reused in a more complex application.
466
467 The l2fwd_send_packet() function stores the packet in a per-lcore and per-txport table.
468 If the table is full, the whole packets table is transmitted using the l2fwd_send_burst() function:
469
470 .. code-block:: c
471
472     /* Send the packet on an output interface */
473
474     static int
475     l2fwd_send_packet(struct rte_mbuf *m, uint8_t port)
476     {
477         unsigned lcore_id, len;
478         struct lcore_queue_conf \*qconf;
479
480         lcore_id = rte_lcore_id();
481         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
482         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
483         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
484         len++;
485
486         /* enough pkts to be sent */
487
488         if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) {
489             l2fwd_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
490             len = 0;
491         }
492
493         qconf->tx_mbufs[port].len = len; return 0;
494     }
495
496 To ensure that no packets remain in the tables, each lcore does a draining of TX queue in its main loop.
497 This technique introduces some latency when there are not many packets to send,
498 however it improves performance:
499
500 .. code-block:: c
501
502     cur_tsc = rte_rdtsc();
503
504     /*
505      *   TX burst queue drain
506      */
507
508     diff_tsc = cur_tsc - prev_tsc;
509
510     if (unlikely(diff_tsc > drain_tsc)) {
511         for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++) {
512             if (qconf->tx_mbufs[portid].len == 0)
513                 continue;
514
515             l2fwd_send_burst(&lcore_queue_conf[lcore_id], qconf->tx_mbufs[portid].len, (uint8_t) portid);
516
517             qconf->tx_mbufs[portid].len = 0;
518         }
519
520         /* if timer is enabled */
521
522         if (timer_period > 0) {
523             /* advance the timer */
524
525             timer_tsc += diff_tsc;
526
527             /* if timer has reached its timeout */
528
529             if (unlikely(timer_tsc >= (uint64_t) timer_period)) {
530                 /* do this only on master core */
531
532                 if (lcore_id == rte_get_master_lcore()) {
533                     print_stats();
534
535                     /* reset the timer */
536                     timer_tsc = 0;
537                 }
538             }
539         }
540
541         prev_tsc = cur_tsc;
542     }