f579c8fe9cd9c87247e1bc5dd0e6caa3aad9e8ae
[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 #.  Go to the example directory:
111
112     .. code-block:: console
113
114         export RTE_SDK=/path/to/rte_sdk
115         cd ${RTE_SDK}/examples/l2fwd
116
117 #.  Set the target (a default target is used if not specified). For example:
118
119     .. code-block:: console
120
121         export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
122
123     *See the DPDK Getting Started Guide* for possible RTE_TARGET values.
124
125 #.  Build the application:
126
127     .. code-block:: console
128
129         make
130
131 Running the Application
132 -----------------------
133
134 The application requires a number of command line options:
135
136 .. code-block:: console
137
138     ./build/l2fwd [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ] --[no-]mac-updating
139
140 where,
141
142 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure
143
144 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
145
146 *   --[no-]mac-updating: Enable or disable MAC addresses updating (enabled by default).
147
148 To run the application in linuxapp environment with 4 lcores, 16 ports and 8 RX queues per lcore and MAC address
149 updating enabled, issue the command:
150
151 .. code-block:: console
152
153     $ ./build/l2fwd -l 0-3 -n 4 -- -q 8 -p ffff
154
155 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
156 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
157
158 Explanation
159 -----------
160
161 The following sections provide some explanation of the code.
162
163 .. _l2_fwd_app_cmd_arguments:
164
165 Command Line Arguments
166 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
167
168 The L2 Forwarding sample application takes specific parameters,
169 in addition to Environment Abstraction Layer (EAL) arguments.
170 The preferred way to parse parameters is to use the getopt() function,
171 since it is part of a well-defined and portable library.
172
173 The parsing of arguments is done in the l2fwd_parse_args() function.
174 The method of argument parsing is not described here.
175 Refer to the *glibc getopt(3)* man page for details.
176
177 EAL arguments are parsed first, then application-specific arguments.
178 This is done at the beginning of the main() function:
179
180 .. code-block:: c
181
182     /* init EAL */
183
184     ret = rte_eal_init(argc, argv);
185     if (ret < 0)
186         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL arguments\n");
187
188     argc -= ret;
189     argv += ret;
190
191     /* parse application arguments (after the EAL ones) */
192
193     ret = l2fwd_parse_args(argc, argv);
194     if (ret < 0)
195         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid L2FWD arguments\n");
196
197 .. _l2_fwd_app_mbuf_init:
198
199 Mbuf Pool Initialization
200 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
201
202 Once the arguments are parsed, the mbuf pool is created.
203 The mbuf pool contains a set of mbuf objects that will be used by the driver
204 and the application to store network packet data:
205
206 .. code-block:: c
207
208     /* create the mbuf pool */
209
210     l2fwd_pktmbuf_pool = rte_pktmbuf_pool_create("mbuf_pool", NB_MBUF,
211         MEMPOOL_CACHE_SIZE, 0, RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE,
212         rte_socket_id());
213
214     if (l2fwd_pktmbuf_pool == NULL)
215         rte_panic("Cannot init mbuf pool\n");
216
217 The rte_mempool is a generic structure used to handle pools of objects.
218 In this case, it is necessary to create a pool that will be used by the driver.
219 The number of allocated pkt mbufs is NB_MBUF, with a data room size of
220 RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE each.
221 A per-lcore cache of 32 mbufs is kept.
222 The memory is allocated in NUMA socket 0,
223 but it is possible to extend this code to allocate one mbuf pool per socket.
224
225 The rte_pktmbuf_pool_create() function uses the default mbuf pool and mbuf
226 initializers, respectively rte_pktmbuf_pool_init() and rte_pktmbuf_init().
227 An advanced application may want to use the mempool API to create the
228 mbuf pool with more control.
229
230 .. _l2_fwd_app_dvr_init:
231
232 Driver Initialization
233 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
234
235 The main part of the code in the main() function relates to the initialization of the driver.
236 To fully understand this code, it is recommended to study the chapters that related to the Poll Mode Driver
237 in the *DPDK Programmer's Guide* - Rel 1.4 EAR and the *DPDK API Reference*.
238
239 .. code-block:: c
240
241     if (rte_pci_probe() < 0)
242         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot probe PCI\n");
243
244     nb_ports = rte_eth_dev_count();
245
246     if (nb_ports == 0)
247         rte_exit(EXIT_FAILURE, "No Ethernet ports - bye\n");
248
249     /* reset l2fwd_dst_ports */
250
251     for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++)
252         l2fwd_dst_ports[portid] = 0;
253
254     last_port = 0;
255
256     /*
257      * Each logical core is assigned a dedicated TX queue on each port.
258      */
259
260     for (portid = 0; portid < nb_ports; portid++) {
261         /* skip ports that are not enabled */
262
263         if ((l2fwd_enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
264            continue;
265
266         if (nb_ports_in_mask % 2) {
267             l2fwd_dst_ports[portid] = last_port;
268             l2fwd_dst_ports[last_port] = portid;
269         }
270         else
271            last_port = portid;
272
273         nb_ports_in_mask++;
274
275         rte_eth_dev_info_get((uint8_t) portid, &dev_info);
276     }
277
278 Observe that:
279
280 *   rte_igb_pmd_init_all() simultaneously registers the driver as a PCI driver and as an Ethernet* Poll Mode Driver.
281
282 *   rte_pci_probe() parses the devices on the PCI bus and initializes recognized devices.
283
284 The next step is to configure the RX and TX queues.
285 For each port, there is only one RX queue (only one lcore is able to poll a given port).
286 The number of TX queues depends on the number of available lcores.
287 The rte_eth_dev_configure() function is used to configure the number of queues for a port:
288
289 .. code-block:: c
290
291     ret = rte_eth_dev_configure((uint8_t)portid, 1, 1, &port_conf);
292     if (ret < 0)
293         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot configure device: "
294             "err=%d, port=%u\n",
295             ret, portid);
296
297 The global configuration is stored in a static structure:
298
299 .. code-block:: c
300
301     static const struct rte_eth_conf port_conf = {
302         .rxmode = {
303             .split_hdr_size = 0,
304             .header_split = 0,   /**< Header Split disabled */
305             .hw_ip_checksum = 0, /**< IP checksum offload disabled */
306             .hw_vlan_filter = 0, /**< VLAN filtering disabled */
307             .jumbo_frame = 0,    /**< Jumbo Frame Support disabled */
308             .hw_strip_crc= 0,    /**< CRC stripped by hardware */
309         },
310
311         .txmode = {
312             .mq_mode = ETH_DCB_NONE
313         },
314     };
315
316 .. _l2_fwd_app_rx_init:
317
318 RX Queue Initialization
319 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
320
321 The application uses one lcore to poll one or several ports, depending on the -q option,
322 which specifies the number of queues per lcore.
323
324 For example, if the user specifies -q 4, the application is able to poll four ports with one lcore.
325 If there are 16 ports on the target (and if the portmask argument is -p ffff ),
326 the application will need four lcores to poll all the ports.
327
328 .. code-block:: c
329
330     ret = rte_eth_rx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_rxd, SOCKET0, &rx_conf, l2fwd_pktmbuf_pool);
331     if (ret < 0)
332
333         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_rx_queue_setup: "
334             "err=%d, port=%u\n",
335             ret, portid);
336
337 The list of queues that must be polled for a given lcore is stored in a private structure called struct lcore_queue_conf.
338
339 .. code-block:: c
340
341     struct lcore_queue_conf {
342         unsigned n_rx_port;
343         unsigned rx_port_list[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
344         struct mbuf_table tx_mbufs[L2FWD_MAX_PORTS];
345     } rte_cache_aligned;
346
347     struct lcore_queue_conf lcore_queue_conf[RTE_MAX_LCORE];
348
349 The values n_rx_port and rx_port_list[] are used in the main packet processing loop
350 (see :ref:`l2_fwd_app_rx_tx_packets`).
351
352 The global configuration for the RX queues is stored in a static structure:
353
354 .. code-block:: c
355
356     static const struct rte_eth_rxconf rx_conf = {
357         .rx_thresh = {
358             .pthresh = RX_PTHRESH,
359             .hthresh = RX_HTHRESH,
360             .wthresh = RX_WTHRESH,
361         },
362     };
363
364 .. _l2_fwd_app_tx_init:
365
366 TX Queue Initialization
367 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
368
369 Each lcore should be able to transmit on any port. For every port, a single TX queue is initialized.
370
371 .. code-block:: c
372
373     /* init one TX queue on each port */
374
375     fflush(stdout);
376
377     ret = rte_eth_tx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_txd, rte_eth_dev_socket_id(portid), &tx_conf);
378     if (ret < 0)
379         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_tx_queue_setup:err=%d, port=%u\n", ret, (unsigned) portid);
380
381 The global configuration for TX queues is stored in a static structure:
382
383 .. code-block:: c
384
385     static const struct rte_eth_txconf tx_conf = {
386         .tx_thresh = {
387             .pthresh = TX_PTHRESH,
388             .hthresh = TX_HTHRESH,
389             .wthresh = TX_WTHRESH,
390         },
391         .tx_free_thresh = RTE_TEST_TX_DESC_DEFAULT + 1, /* disable feature */
392     };
393
394 .. _l2_fwd_app_rx_tx_packets:
395
396 Receive, Process and Transmit Packets
397 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
398
399 In the l2fwd_main_loop() function, the main task is to read ingress packets from the RX queues.
400 This is done using the following code:
401
402 .. code-block:: c
403
404     /*
405      * Read packet from RX queues
406      */
407
408     for (i = 0; i < qconf->n_rx_port; i++) {
409         portid = qconf->rx_port_list[i];
410         nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0,  pkts_burst, MAX_PKT_BURST);
411
412         for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
413             m = pkts_burst[j];
414             rte_prefetch0[rte_pktmbuf_mtod(m, void *)); l2fwd_simple_forward(m, portid);
415         }
416     }
417
418 Packets are read in a burst of size MAX_PKT_BURST.
419 The rte_eth_rx_burst() function writes the mbuf pointers in a local table and returns the number of available mbufs in the table.
420
421 Then, each mbuf in the table is processed by the l2fwd_simple_forward() function.
422 The processing is very simple: process the TX port from the RX port, then replace the source and destination MAC addresses if MAC
423 addresses updating is enabled.
424
425 .. note::
426
427     In the following code, one line for getting the output port requires some explanation.
428
429 During the initialization process, a static array of destination ports (l2fwd_dst_ports[]) is filled such that for each source port,
430 a destination port is assigned that is either the next or previous enabled port from the portmask.
431 Naturally, the number of ports in the portmask must be even, otherwise, the application exits.
432
433 .. code-block:: c
434
435     static void
436     l2fwd_simple_forward(struct rte_mbuf *m, unsigned portid)
437     {
438         struct ether_hdr *eth;
439         void *tmp;
440         unsigned dst_port;
441
442         dst_port = l2fwd_dst_ports[portid];
443
444         eth = rte_pktmbuf_mtod(m, struct ether_hdr *);
445
446         /* 02:00:00:00:00:xx */
447
448         tmp = &eth->d_addr.addr_bytes[0];
449
450         *((uint64_t *)tmp) = 0x000000000002 + ((uint64_t) dst_port << 40);
451
452         /* src addr */
453
454         ether_addr_copy(&l2fwd_ports_eth_addr[dst_port], &eth->s_addr);
455
456         l2fwd_send_packet(m, (uint8_t) dst_port);
457     }
458
459 Then, the packet is sent using the l2fwd_send_packet (m, dst_port) function.
460 For this test application, the processing is exactly the same for all packets arriving on the same RX port.
461 Therefore, it would have been possible to call the l2fwd_send_burst() function directly from the main loop
462 to send all the received packets on the same TX port,
463 using the burst-oriented send function, which is more efficient.
464
465 However, in real-life applications (such as, L3 routing),
466 packet N is not necessarily forwarded on the same port as packet N-1.
467 The application is implemented to illustrate that, so the same approach can be reused in a more complex application.
468
469 The l2fwd_send_packet() function stores the packet in a per-lcore and per-txport table.
470 If the table is full, the whole packets table is transmitted using the l2fwd_send_burst() function:
471
472 .. code-block:: c
473
474     /* Send the packet on an output interface */
475
476     static int
477     l2fwd_send_packet(struct rte_mbuf *m, uint8_t port)
478     {
479         unsigned lcore_id, len;
480         struct lcore_queue_conf *qconf;
481
482         lcore_id = rte_lcore_id();
483         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
484         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
485         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
486         len++;
487
488         /* enough pkts to be sent */
489
490         if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) {
491             l2fwd_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
492             len = 0;
493         }
494
495         qconf->tx_mbufs[port].len = len; return 0;
496     }
497
498 To ensure that no packets remain in the tables, each lcore does a draining of TX queue in its main loop.
499 This technique introduces some latency when there are not many packets to send,
500 however it improves performance:
501
502 .. code-block:: c
503
504     cur_tsc = rte_rdtsc();
505
506     /*
507      *   TX burst queue drain
508      */
509
510     diff_tsc = cur_tsc - prev_tsc;
511
512     if (unlikely(diff_tsc > drain_tsc)) {
513         for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++) {
514             if (qconf->tx_mbufs[portid].len == 0)
515                 continue;
516
517             l2fwd_send_burst(&lcore_queue_conf[lcore_id], qconf->tx_mbufs[portid].len, (uint8_t) portid);
518
519             qconf->tx_mbufs[portid].len = 0;
520         }
521
522         /* if timer is enabled */
523
524         if (timer_period > 0) {
525             /* advance the timer */
526
527             timer_tsc += diff_tsc;
528
529             /* if timer has reached its timeout */
530
531             if (unlikely(timer_tsc >= (uint64_t) timer_period)) {
532                 /* do this only on master core */
533
534                 if (lcore_id == rte_get_master_lcore()) {
535                     print_stats();
536
537                     /* reset the timer */
538                     timer_tsc = 0;
539                 }
540             }
541         }
542
543         prev_tsc = cur_tsc;
544     }