New upstream version 18.02
[deb_dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l2_forward_real_virtual.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation.
3
4 .. _l2_fwd_app_real_and_virtual:
5
6 L2 Forwarding Sample Application (in Real and Virtualized Environments)
7 =======================================================================
8
9 The L2 Forwarding sample application is a simple example of packet processing using
10 the Data Plane Development Kit (DPDK) which
11 also takes advantage of Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) features in a virtualized environment.
12
13 .. note::
14
15     Please note that previously a separate L2 Forwarding in Virtualized Environments sample application was used,
16     however, in later DPDK versions these sample applications have been merged.
17
18 Overview
19 --------
20
21 The L2 Forwarding sample application, which can operate in real and virtualized environments,
22 performs L2 forwarding for each packet that is received on an RX_PORT.
23 The destination port is the adjacent port from the enabled portmask, that is,
24 if the first four ports are enabled (portmask 0xf),
25 ports 1 and 2 forward into each other, and ports 3 and 4 forward into each other.
26 Also, if MAC addresses updating is enabled, the MAC addresses are affected as follows:
27
28 *   The source MAC address is replaced by the TX_PORT MAC address
29
30 *   The destination MAC address is replaced by  02:00:00:00:00:TX_PORT_ID
31
32 This application can be used to benchmark performance using a traffic-generator, as shown in the :numref:`figure_l2_fwd_benchmark_setup`,
33 or in a virtualized environment as shown in :numref:`figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup`.
34
35 .. _figure_l2_fwd_benchmark_setup:
36
37 .. figure:: img/l2_fwd_benchmark_setup.*
38
39    Performance Benchmark Setup (Basic Environment)
40
41 .. _figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup:
42
43 .. figure:: img/l2_fwd_virtenv_benchmark_setup.*
44
45    Performance Benchmark Setup (Virtualized Environment)
46
47 This application may be used for basic VM to VM communication as shown in :numref:`figure_l2_fwd_vm2vm`,
48 when MAC addresses updating is disabled.
49
50 .. _figure_l2_fwd_vm2vm:
51
52 .. figure:: img/l2_fwd_vm2vm.*
53
54    Virtual Machine to Virtual Machine communication.
55
56 The L2 Forwarding application can also be used as a starting point for developing a new application based on the DPDK.
57
58 .. _l2_fwd_vf_setup:
59
60 Virtual Function Setup Instructions
61 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
62
63 This application can use the virtual function available in the system and
64 therefore can be used in a virtual machine without passing through
65 the whole Network Device into a guest machine in a virtualized scenario.
66 The virtual functions can be enabled in the host machine or the hypervisor with the respective physical function driver.
67
68 For example, in a Linux* host machine, it is possible to enable a virtual function using the following command:
69
70 .. code-block:: console
71
72     modprobe ixgbe max_vfs=2,2
73
74 This command enables two Virtual Functions on each of Physical Function of the NIC,
75 with two physical ports in the PCI configuration space.
76 It is important to note that enabled Virtual Function 0 and 2 would belong to Physical Function 0
77 and Virtual Function 1 and 3 would belong to Physical Function 1,
78 in this case enabling a total of four Virtual Functions.
79
80 Compiling the Application
81 -------------------------
82
83 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
84
85 The application is located in the ``l2fwd`` sub-directory.
86
87 Running the Application
88 -----------------------
89
90 The application requires a number of command line options:
91
92 .. code-block:: console
93
94     ./build/l2fwd [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ] --[no-]mac-updating
95
96 where,
97
98 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure
99
100 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
101
102 *   --[no-]mac-updating: Enable or disable MAC addresses updating (enabled by default).
103
104 To run the application in linuxapp environment with 4 lcores, 16 ports and 8 RX queues per lcore and MAC address
105 updating enabled, issue the command:
106
107 .. code-block:: console
108
109     $ ./build/l2fwd -l 0-3 -n 4 -- -q 8 -p ffff
110
111 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
112 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
113
114 Explanation
115 -----------
116
117 The following sections provide some explanation of the code.
118
119 .. _l2_fwd_app_cmd_arguments:
120
121 Command Line Arguments
122 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
123
124 The L2 Forwarding sample application takes specific parameters,
125 in addition to Environment Abstraction Layer (EAL) arguments.
126 The preferred way to parse parameters is to use the getopt() function,
127 since it is part of a well-defined and portable library.
128
129 The parsing of arguments is done in the l2fwd_parse_args() function.
130 The method of argument parsing is not described here.
131 Refer to the *glibc getopt(3)* man page for details.
132
133 EAL arguments are parsed first, then application-specific arguments.
134 This is done at the beginning of the main() function:
135
136 .. code-block:: c
137
138     /* init EAL */
139
140     ret = rte_eal_init(argc, argv);
141     if (ret < 0)
142         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL arguments\n");
143
144     argc -= ret;
145     argv += ret;
146
147     /* parse application arguments (after the EAL ones) */
148
149     ret = l2fwd_parse_args(argc, argv);
150     if (ret < 0)
151         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid L2FWD arguments\n");
152
153 .. _l2_fwd_app_mbuf_init:
154
155 Mbuf Pool Initialization
156 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
157
158 Once the arguments are parsed, the mbuf pool is created.
159 The mbuf pool contains a set of mbuf objects that will be used by the driver
160 and the application to store network packet data:
161
162 .. code-block:: c
163
164     /* create the mbuf pool */
165
166     l2fwd_pktmbuf_pool = rte_pktmbuf_pool_create("mbuf_pool", NB_MBUF,
167         MEMPOOL_CACHE_SIZE, 0, RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE,
168         rte_socket_id());
169
170     if (l2fwd_pktmbuf_pool == NULL)
171         rte_panic("Cannot init mbuf pool\n");
172
173 The rte_mempool is a generic structure used to handle pools of objects.
174 In this case, it is necessary to create a pool that will be used by the driver.
175 The number of allocated pkt mbufs is NB_MBUF, with a data room size of
176 RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE each.
177 A per-lcore cache of 32 mbufs is kept.
178 The memory is allocated in NUMA socket 0,
179 but it is possible to extend this code to allocate one mbuf pool per socket.
180
181 The rte_pktmbuf_pool_create() function uses the default mbuf pool and mbuf
182 initializers, respectively rte_pktmbuf_pool_init() and rte_pktmbuf_init().
183 An advanced application may want to use the mempool API to create the
184 mbuf pool with more control.
185
186 .. _l2_fwd_app_dvr_init:
187
188 Driver Initialization
189 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
190
191 The main part of the code in the main() function relates to the initialization of the driver.
192 To fully understand this code, it is recommended to study the chapters that related to the Poll Mode Driver
193 in the *DPDK Programmer's Guide* - Rel 1.4 EAR and the *DPDK API Reference*.
194
195 .. code-block:: c
196
197     if (rte_pci_probe() < 0)
198         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot probe PCI\n");
199
200     nb_ports = rte_eth_dev_count();
201
202     if (nb_ports == 0)
203         rte_exit(EXIT_FAILURE, "No Ethernet ports - bye\n");
204
205     /* reset l2fwd_dst_ports */
206
207     for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++)
208         l2fwd_dst_ports[portid] = 0;
209
210     last_port = 0;
211
212     /*
213      * Each logical core is assigned a dedicated TX queue on each port.
214      */
215
216     for (portid = 0; portid < nb_ports; portid++) {
217         /* skip ports that are not enabled */
218
219         if ((l2fwd_enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
220            continue;
221
222         if (nb_ports_in_mask % 2) {
223             l2fwd_dst_ports[portid] = last_port;
224             l2fwd_dst_ports[last_port] = portid;
225         }
226         else
227            last_port = portid;
228
229         nb_ports_in_mask++;
230
231         rte_eth_dev_info_get((uint8_t) portid, &dev_info);
232     }
233
234 Observe that:
235
236 *   rte_igb_pmd_init_all() simultaneously registers the driver as a PCI driver and as an Ethernet* Poll Mode Driver.
237
238 *   rte_pci_probe() parses the devices on the PCI bus and initializes recognized devices.
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 .. _l2_fwd_app_rx_init:
273
274 RX Queue Initialization
275 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
276
277 The application uses one lcore to poll one or several ports, depending on the -q option,
278 which specifies the number of queues per lcore.
279
280 For example, if the user specifies -q 4, the application is able to poll four ports with one lcore.
281 If there are 16 ports on the target (and if the portmask argument is -p ffff ),
282 the application will need four lcores to poll all the ports.
283
284 .. code-block:: c
285
286     ret = rte_eth_rx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_rxd, SOCKET0, &rx_conf, l2fwd_pktmbuf_pool);
287     if (ret < 0)
288
289         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_rx_queue_setup: "
290             "err=%d, port=%u\n",
291             ret, 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         struct mbuf_table tx_mbufs[L2FWD_MAX_PORTS];
301     } rte_cache_aligned;
302
303     struct lcore_queue_conf lcore_queue_conf[RTE_MAX_LCORE];
304
305 The values n_rx_port and rx_port_list[] are used in the main packet processing loop
306 (see :ref:`l2_fwd_app_rx_tx_packets`).
307
308 The global configuration for the RX queues is stored in a static structure:
309
310 .. code-block:: c
311
312     static const struct rte_eth_rxconf rx_conf = {
313         .rx_thresh = {
314             .pthresh = RX_PTHRESH,
315             .hthresh = RX_HTHRESH,
316             .wthresh = RX_WTHRESH,
317         },
318     };
319
320 .. _l2_fwd_app_tx_init:
321
322 TX Queue Initialization
323 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
324
325 Each lcore should be able to transmit on any port. For every port, a single TX queue is initialized.
326
327 .. code-block:: c
328
329     /* init one TX queue on each port */
330
331     fflush(stdout);
332
333     ret = rte_eth_tx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_txd, rte_eth_dev_socket_id(portid), &tx_conf);
334     if (ret < 0)
335         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_tx_queue_setup:err=%d, port=%u\n", ret, (unsigned) portid);
336
337 The global configuration for TX queues is stored in a static structure:
338
339 .. code-block:: c
340
341     static const struct rte_eth_txconf tx_conf = {
342         .tx_thresh = {
343             .pthresh = TX_PTHRESH,
344             .hthresh = TX_HTHRESH,
345             .wthresh = TX_WTHRESH,
346         },
347         .tx_free_thresh = RTE_TEST_TX_DESC_DEFAULT + 1, /* disable feature */
348     };
349
350 .. _l2_fwd_app_rx_tx_packets:
351
352 Receive, Process and Transmit Packets
353 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
354
355 In the l2fwd_main_loop() function, the main task is to read ingress packets from the RX queues.
356 This is done using the following code:
357
358 .. code-block:: c
359
360     /*
361      * Read packet from RX queues
362      */
363
364     for (i = 0; i < qconf->n_rx_port; i++) {
365         portid = qconf->rx_port_list[i];
366         nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0,  pkts_burst, MAX_PKT_BURST);
367
368         for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
369             m = pkts_burst[j];
370             rte_prefetch0[rte_pktmbuf_mtod(m, void *)); l2fwd_simple_forward(m, portid);
371         }
372     }
373
374 Packets are read in a burst of size MAX_PKT_BURST.
375 The rte_eth_rx_burst() function writes the mbuf pointers in a local table and returns the number of available mbufs in the table.
376
377 Then, each mbuf in the table is processed by the l2fwd_simple_forward() function.
378 The processing is very simple: process the TX port from the RX port, then replace the source and destination MAC addresses if MAC
379 addresses updating is enabled.
380
381 .. note::
382
383     In the following code, one line for getting the output port requires some explanation.
384
385 During the initialization process, a static array of destination ports (l2fwd_dst_ports[]) is filled such that for each source port,
386 a destination port is assigned that is either the next or previous enabled port from the portmask.
387 Naturally, the number of ports in the portmask must be even, otherwise, the application exits.
388
389 .. code-block:: c
390
391     static void
392     l2fwd_simple_forward(struct rte_mbuf *m, unsigned portid)
393     {
394         struct ether_hdr *eth;
395         void *tmp;
396         unsigned dst_port;
397
398         dst_port = l2fwd_dst_ports[portid];
399
400         eth = rte_pktmbuf_mtod(m, struct ether_hdr *);
401
402         /* 02:00:00:00:00:xx */
403
404         tmp = &eth->d_addr.addr_bytes[0];
405
406         *((uint64_t *)tmp) = 0x000000000002 + ((uint64_t) dst_port << 40);
407
408         /* src addr */
409
410         ether_addr_copy(&l2fwd_ports_eth_addr[dst_port], &eth->s_addr);
411
412         l2fwd_send_packet(m, (uint8_t) dst_port);
413     }
414
415 Then, the packet is sent using the l2fwd_send_packet (m, dst_port) function.
416 For this test application, the processing is exactly the same for all packets arriving on the same RX port.
417 Therefore, it would have been possible to call the l2fwd_send_burst() function directly from the main loop
418 to send all the received packets on the same TX port,
419 using the burst-oriented send function, which is more efficient.
420
421 However, in real-life applications (such as, L3 routing),
422 packet N is not necessarily forwarded on the same port as packet N-1.
423 The application is implemented to illustrate that, so the same approach can be reused in a more complex application.
424
425 The l2fwd_send_packet() function stores the packet in a per-lcore and per-txport table.
426 If the table is full, the whole packets table is transmitted using the l2fwd_send_burst() function:
427
428 .. code-block:: c
429
430     /* Send the packet on an output interface */
431
432     static int
433     l2fwd_send_packet(struct rte_mbuf *m, uint16_t port)
434     {
435         unsigned lcore_id, len;
436         struct lcore_queue_conf *qconf;
437
438         lcore_id = rte_lcore_id();
439         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
440         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
441         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
442         len++;
443
444         /* enough pkts to be sent */
445
446         if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) {
447             l2fwd_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
448             len = 0;
449         }
450
451         qconf->tx_mbufs[port].len = len; return 0;
452     }
453
454 To ensure that no packets remain in the tables, each lcore does a draining of TX queue in its main loop.
455 This technique introduces some latency when there are not many packets to send,
456 however it improves performance:
457
458 .. code-block:: c
459
460     cur_tsc = rte_rdtsc();
461
462     /*
463      *   TX burst queue drain
464      */
465
466     diff_tsc = cur_tsc - prev_tsc;
467
468     if (unlikely(diff_tsc > drain_tsc)) {
469         for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++) {
470             if (qconf->tx_mbufs[portid].len == 0)
471                 continue;
472
473             l2fwd_send_burst(&lcore_queue_conf[lcore_id], qconf->tx_mbufs[portid].len, (uint8_t) portid);
474
475             qconf->tx_mbufs[portid].len = 0;
476         }
477
478         /* if timer is enabled */
479
480         if (timer_period > 0) {
481             /* advance the timer */
482
483             timer_tsc += diff_tsc;
484
485             /* if timer has reached its timeout */
486
487             if (unlikely(timer_tsc >= (uint64_t) timer_period)) {
488                 /* do this only on master core */
489
490                 if (lcore_id == rte_get_master_lcore()) {
491                     print_stats();
492
493                     /* reset the timer */
494                     timer_tsc = 0;
495                 }
496             }
497         }
498
499         prev_tsc = cur_tsc;
500     }