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[deb_dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l3_forward.rst
1 ..  BSD LICENSE
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4
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8
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18
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29     OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
30
31 L3 Forwarding Sample Application
32 ================================
33
34 The L3 Forwarding application is a simple example of packet processing using the DPDK.
35 The application performs L3 forwarding.
36
37 Overview
38 --------
39
40 The application demonstrates the use of the hash and LPM libraries in the DPDK to implement packet forwarding.
41 The initialization and run-time paths are very similar to those of the :doc:`l2_forward_real_virtual`.
42 The main difference from the L2 Forwarding sample application is that the forwarding decision
43 is made based on information read from the input packet.
44
45 The lookup method is either hash-based or LPM-based and is selected at run time. When the selected lookup method is hash-based,
46 a hash object is used to emulate the flow classification stage.
47 The hash object is used in correlation with a flow table to map each input packet to its flow at runtime.
48
49 The hash lookup key is represented by a DiffServ 5-tuple composed of the following fields read from the input packet:
50 Source IP Address, Destination IP Address, Protocol, Source Port and Destination Port.
51 The ID of the output interface for the input packet is read from the identified flow table entry.
52 The set of flows used by the application is statically configured and loaded into the hash at initialization time.
53 When the selected lookup method is LPM based, an LPM object is used to emulate the forwarding stage for IPv4 packets.
54 The LPM object is used as the routing table to identify the next hop for each input packet at runtime.
55
56 The LPM lookup key is represented by the Destination IP Address field read from the input packet.
57 The ID of the output interface for the input packet is the next hop returned by the LPM lookup.
58 The set of LPM rules used by the application is statically configured and loaded into the LPM object at initialization time.
59
60 In the sample application, hash-based forwarding supports IPv4 and IPv6. LPM-based forwarding supports IPv4 only.
61
62 Compiling the Application
63 -------------------------
64
65 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
66
67 The application is located in the ``l3fwd`` sub-directory.
68
69 Running the Application
70 -----------------------
71
72 The application has a number of command line options::
73
74     ./l3fwd [EAL options] -- -p PORTMASK
75                              [-P]
76                              [-E]
77                              [-L]
78                              --config(port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]
79                              [--eth-dest=X,MM:MM:MM:MM:MM:MM]
80                              [--enable-jumbo [--max-pkt-len PKTLEN]]
81                              [--no-numa]
82                              [--hash-entry-num]
83                              [--ipv6]
84                              [--parse-ptype]
85
86 Where,
87
88 * ``-p PORTMASK:`` Hexadecimal bitmask of ports to configure
89
90 * ``-P:`` Optional, sets all ports to promiscuous mode so that packets are accepted regardless of the packet's Ethernet MAC destination address.
91   Without this option, only packets with the Ethernet MAC destination address set to the Ethernet address of the port are accepted.
92
93 * ``-E:`` Optional, enable exact match.
94
95 * ``-L:`` Optional, enable longest prefix match.
96
97 * ``--config (port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]:`` Determines which queues from which ports are mapped to which cores.
98
99 * ``--eth-dest=X,MM:MM:MM:MM:MM:MM:`` Optional, ethernet destination for port X.
100
101 * ``--enable-jumbo:`` Optional, enables jumbo frames.
102
103 * ``--max-pkt-len:`` Optional, under the premise of enabling jumbo, maximum packet length in decimal (64-9600).
104
105 * ``--no-numa:`` Optional, disables numa awareness.
106
107 * ``--hash-entry-num:`` Optional, specifies the hash entry number in hexadecimal to be setup.
108
109 * ``--ipv6:`` Optional, set if running ipv6 packets.
110
111 * ``--parse-ptype:`` Optional, set to use software to analyze packet type. Without this option, hardware will check the packet type.
112
113 For example, consider a dual processor socket platform with 8 physical cores, where cores 0-7 and 16-23 appear on socket 0,
114 while cores 8-15 and 24-31 appear on socket 1.
115
116 To enable L3 forwarding between two ports, assuming that both ports are in the same socket, using two cores, cores 1 and 2,
117 (which are in the same socket too), use the following command:
118
119 .. code-block:: console
120
121     ./build/l3fwd -l 1,2 -n 4 -- -p 0x3 --config="(0,0,1),(1,0,2)"
122
123 In this command:
124
125 *   The -l option enables cores 1, 2
126
127 *   The -p option enables ports 0 and 1
128
129 *   The --config option enables one queue on each port and maps each (port,queue) pair to a specific core.
130     The following table shows the mapping in this example:
131
132 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
133 | **Port** | **Queue** | **lcore** | **Description**                     |
134 |          |           |           |                                     |
135 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
136 | 0        | 0         | 1         | Map queue 0 from port 0 to lcore 1. |
137 |          |           |           |                                     |
138 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
139 | 1        | 0         | 2         | Map queue 0 from port 1 to lcore 2. |
140 |          |           |           |                                     |
141 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
142
143 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications and
144 the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
145
146 .. _l3_fwd_explanation:
147
148 Explanation
149 -----------
150
151 The following sections provide some explanation of the sample application code. As mentioned in the overview section,
152 the initialization and run-time paths are very similar to those of the :doc:`l2_forward_real_virtual`.
153 The following sections describe aspects that are specific to the L3 Forwarding sample application.
154
155 Hash Initialization
156 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
157
158 The hash object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array,
159 and then generate the expected 5-tuple as key to keep consistence with those of real flow
160 for the convenience to execute hash performance test on 4M/8M/16M flows.
161
162 .. note::
163
164     The Hash initialization will setup both ipv4 and ipv6 hash table,
165     and populate the either table depending on the value of variable ipv6.
166     To support the hash performance test with up to 8M single direction flows/16M bi-direction flows,
167     populate_ipv4_many_flow_into_table() function will populate the hash table with specified hash table entry number(default 4M).
168
169 .. note::
170
171     Value of global variable ipv6 can be specified with --ipv6 in the command line.
172     Value of global variable hash_entry_number,
173     which is used to specify the total hash entry number for all used ports in hash performance test,
174     can be specified with --hash-entry-num VALUE in command line, being its default value 4.
175
176 .. code-block:: c
177
178     #if (APP_LOOKUP_METHOD == APP_LOOKUP_EXACT_MATCH)
179
180         static void
181         setup_hash(int socketid)
182         {
183             // ...
184
185             if (hash_entry_number != HASH_ENTRY_NUMBER_DEFAULT) {
186                 if (ipv6 == 0) {
187                     /* populate the ipv4 hash */
188                     populate_ipv4_many_flow_into_table(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid], hash_entry_number);
189                 } else {
190                     /* populate the ipv6 hash */
191                     populate_ipv6_many_flow_into_table( ipv6_l3fwd_lookup_struct[socketid], hash_entry_number);
192                 }
193             } else
194                 if (ipv6 == 0) {
195                     /* populate the ipv4 hash */
196                     populate_ipv4_few_flow_into_table(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid]);
197                 } else {
198                     /* populate the ipv6 hash */
199                     populate_ipv6_few_flow_into_table(ipv6_l3fwd_lookup_struct[socketid]);
200                 }
201             }
202         }
203     #endif
204
205 LPM Initialization
206 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
207
208 The LPM object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array.
209
210 .. code-block:: c
211
212     #if (APP_LOOKUP_METHOD == APP_LOOKUP_LPM)
213
214     static void
215     setup_lpm(int socketid)
216     {
217         unsigned i;
218         int ret;
219         char s[64];
220
221         /* create the LPM table */
222
223         snprintf(s, sizeof(s), "IPV4_L3FWD_LPM_%d", socketid);
224
225         ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid] = rte_lpm_create(s, socketid, IPV4_L3FWD_LPM_MAX_RULES, 0);
226
227         if (ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid] == NULL)
228             rte_exit(EXIT_FAILURE, "Unable to create the l3fwd LPM table"
229                 " on socket %d\n", socketid);
230
231         /* populate the LPM table */
232
233         for (i = 0; i < IPV4_L3FWD_NUM_ROUTES; i++) {
234             /* skip unused ports */
235
236             if ((1 << ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out & enabled_port_mask) == 0)
237                 continue;
238
239             ret = rte_lpm_add(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid], ipv4_l3fwd_route_array[i].ip,
240                                     ipv4_l3fwd_route_array[i].depth, ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out);
241
242             if (ret < 0) {
243                 rte_exit(EXIT_FAILURE, "Unable to add entry %u to the "
244                         "l3fwd LPM table on socket %d\n", i, socketid);
245             }
246
247             printf("LPM: Adding route 0x%08x / %d (%d)\n",
248                 (unsigned)ipv4_l3fwd_route_array[i].ip, ipv4_l3fwd_route_array[i].depth, ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out);
249         }
250     }
251     #endif
252
253 Packet Forwarding for Hash-based Lookups
254 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
255
256 For each input packet, the packet forwarding operation is done by the l3fwd_simple_forward()
257 or simple_ipv4_fwd_4pkts() function for IPv4 packets or the simple_ipv6_fwd_4pkts() function for IPv6 packets.
258 The l3fwd_simple_forward() function provides the basic functionality for both IPv4 and IPv6 packet forwarding
259 for any number of burst packets received,
260 and the packet forwarding decision (that is, the identification of the output interface for the packet)
261 for hash-based lookups is done by the  get_ipv4_dst_port() or get_ipv6_dst_port() function.
262 The get_ipv4_dst_port() function is shown below:
263
264 .. code-block:: c
265
266     static inline uint8_t
267     get_ipv4_dst_port(void *ipv4_hdr, uint16_t portid, lookup_struct_t *ipv4_l3fwd_lookup_struct)
268     {
269         int ret = 0;
270         union ipv4_5tuple_host key;
271
272         ipv4_hdr = (uint8_t *)ipv4_hdr + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live);
273
274         m128i data = _mm_loadu_si128(( m128i*)(ipv4_hdr));
275
276         /* Get 5 tuple: dst port, src port, dst IP address, src IP address and protocol */
277
278         key.xmm = _mm_and_si128(data, mask0);
279
280         /* Find destination port */
281
282         ret = rte_hash_lookup(ipv4_l3fwd_lookup_struct, (const void *)&key);
283
284         return (uint8_t)((ret < 0)? portid : ipv4_l3fwd_out_if[ret]);
285     }
286
287 The get_ipv6_dst_port() function is similar to the get_ipv4_dst_port() function.
288
289 The simple_ipv4_fwd_4pkts() and simple_ipv6_fwd_4pkts() function are optimized for continuous 4 valid ipv4 and ipv6 packets,
290 they leverage the multiple buffer optimization to boost the performance of forwarding packets with the exact match on hash table.
291 The key code snippet of simple_ipv4_fwd_4pkts() is shown below:
292
293 .. code-block:: c
294
295     static inline void
296     simple_ipv4_fwd_4pkts(struct rte_mbuf* m[4], uint16_t portid, struct lcore_conf *qconf)
297     {
298         // ...
299
300         data[0] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[0], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
301         data[1] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[1], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
302         data[2] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[2], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
303         data[3] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[3], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
304
305         key[0].xmm = _mm_and_si128(data[0], mask0);
306         key[1].xmm = _mm_and_si128(data[1], mask0);
307         key[2].xmm = _mm_and_si128(data[2], mask0);
308         key[3].xmm = _mm_and_si128(data[3], mask0);
309
310         const void *key_array[4] = {&key[0], &key[1], &key[2],&key[3]};
311
312         rte_hash_lookup_bulk(qconf->ipv4_lookup_struct, &key_array[0], 4, ret);
313
314         dst_port[0] = (ret[0] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[0]];
315         dst_port[1] = (ret[1] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[1]];
316         dst_port[2] = (ret[2] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[2]];
317         dst_port[3] = (ret[3] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[3]];
318
319         // ...
320     }
321
322 The simple_ipv6_fwd_4pkts() function is similar to the simple_ipv4_fwd_4pkts() function.
323
324 Known issue: IP packets with extensions or IP packets which are not TCP/UDP cannot work well at this mode.
325
326 Packet Forwarding for LPM-based Lookups
327 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
328
329 For each input packet, the packet forwarding operation is done by the l3fwd_simple_forward() function,
330 but the packet forwarding decision (that is, the identification of the output interface for the packet)
331 for LPM-based lookups is done by the get_ipv4_dst_port() function below:
332
333 .. code-block:: c
334
335     static inline uint16_t
336     get_ipv4_dst_port(struct ipv4_hdr *ipv4_hdr, uint16_t portid, lookup_struct_t *ipv4_l3fwd_lookup_struct)
337     {
338         uint8_t next_hop;
339
340         return ((rte_lpm_lookup(ipv4_l3fwd_lookup_struct, rte_be_to_cpu_32(ipv4_hdr->dst_addr), &next_hop) == 0)? next_hop : portid);
341     }