Imported Upstream version 16.07-rc1
[deb_dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l3_forward.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 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 compile 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 application:
66
67 #.  Go to the sample application directory:
68
69     .. code-block:: console
70
71         export RTE_SDK=/path/to/rte_sdk
72         cd ${RTE_SDK}/examples/l3fwd
73
74 #.  Set the target (a default target is used if not specified). For example:
75
76     .. code-block:: console
77
78         export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
79
80     See the *DPDK Getting Started Guide* for possible RTE_TARGET values.
81
82 #.  Build the application:
83
84     .. code-block:: console
85
86         make
87
88 Running the Application
89 -----------------------
90
91 The application has a number of command line options:
92
93 .. code-block:: console
94
95     ./build/l3fwd [EAL options] -- -p PORTMASK [-P]  --config(port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)] [--enable-jumbo [--max-pkt-len PKTLEN]]  [--no-numa][--hash-entry-num][--ipv6] [--parse-ptype]
96
97 where,
98
99 *   -p PORTMASK: Hexadecimal bitmask of ports to configure
100
101 *   -P: optional, sets all ports to promiscuous mode so that packets are accepted regardless of the packet's Ethernet MAC destination address.
102     Without this option, only packets with the Ethernet MAC destination address set to the Ethernet address of the port are accepted.
103
104 *   --config (port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]: determines which queues from which ports are mapped to which cores
105
106 *   --enable-jumbo: optional, enables jumbo frames
107
108 *   --max-pkt-len: optional, maximum packet length in decimal (64-9600)
109
110 *   --no-numa: optional, disables numa awareness
111
112 *   --hash-entry-num: optional, specifies the hash entry number in hexadecimal to be setup
113
114 *   --ipv6: optional, set it if running ipv6 packets
115
116 *   --parse-ptype: optional, set it if use software way to analyze packet type
117
118 For example, consider a dual processor socket platform where cores 0-7 and 16-23 appear on socket 0, while cores 8-15 and 24-31 appear on socket 1.
119 Let's say that the programmer wants to use memory from both NUMA nodes, the platform has only two ports, one connected to each NUMA node,
120 and the programmer wants to use two cores from each processor socket to do the packet processing.
121
122 To enable L3 forwarding between two ports, using two cores, cores 1 and 2, from each processor,
123 while also taking advantage of local memory access by optimizing around NUMA, the programmer must enable two queues from each port,
124 pin to the appropriate cores and allocate memory from the appropriate NUMA node. This is achieved using the following command:
125
126 .. code-block:: console
127
128     ./build/l3fwd -c 606 -n 4 -- -p 0x3 --config="(0,0,1),(0,1,2),(1,0,9),(1,1,10)"
129
130 In this command:
131
132 *   The -c option enables cores 0, 1, 2, 3
133
134 *   The -p option enables ports 0 and 1
135
136 *   The --config option enables two queues on each port and maps each (port,queue) pair to a specific core.
137     Logic to enable multiple RX queues using RSS and to allocate memory from the correct NUMA nodes
138     is included in the application and is done transparently.
139     The following table shows the mapping in this example:
140
141 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
142 | **Port** | **Queue** | **lcore** | **Description**                     |
143 |          |           |           |                                     |
144 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
145 | 0        | 0         | 0         | Map queue 0 from port 0 to lcore 0. |
146 |          |           |           |                                     |
147 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
148 | 0        | 1         | 2         | Map queue 1 from port 0 to lcore 2. |
149 |          |           |           |                                     |
150 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
151 | 1        | 0         | 1         | Map queue 0 from port 1 to lcore 1. |
152 |          |           |           |                                     |
153 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
154 | 1        | 1         | 3         | Map queue 1 from port 1 to lcore 3. |
155 |          |           |           |                                     |
156 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
157
158 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications and
159 the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
160
161 .. _l3_fwd_explanation:
162
163 Explanation
164 -----------
165
166 The following sections provide some explanation of the sample application code. As mentioned in the overview section,
167 the initialization and run-time paths are very similar to those of the :doc:`l2_forward_real_virtual`.
168 The following sections describe aspects that are specific to the L3 Forwarding sample application.
169
170 Hash Initialization
171 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
172
173 The hash object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array,
174 and then generate the expected 5-tuple as key to keep consistence with those of real flow
175 for the convenience to execute hash performance test on 4M/8M/16M flows.
176
177 .. note::
178
179     The Hash initialization will setup both ipv4 and ipv6 hash table,
180     and populate the either table depending on the value of variable ipv6.
181     To support the hash performance test with up to 8M single direction flows/16M bi-direction flows,
182     populate_ipv4_many_flow_into_table() function will populate the hash table with specified hash table entry number(default 4M).
183
184 .. note::
185
186     Value of global variable ipv6 can be specified with --ipv6 in the command line.
187     Value of global variable hash_entry_number,
188     which is used to specify the total hash entry number for all used ports in hash performance test,
189     can be specified with --hash-entry-num VALUE in command line, being its default value 4.
190
191 .. code-block:: c
192
193     #if (APP_LOOKUP_METHOD == APP_LOOKUP_EXACT_MATCH)
194
195         static void
196         setup_hash(int socketid)
197         {
198             // ...
199
200             if (hash_entry_number != HASH_ENTRY_NUMBER_DEFAULT) {
201                 if (ipv6 == 0) {
202                     /* populate the ipv4 hash */
203                     populate_ipv4_many_flow_into_table(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid], hash_entry_number);
204                 } else {
205                     /* populate the ipv6 hash */
206                     populate_ipv6_many_flow_into_table( ipv6_l3fwd_lookup_struct[socketid], hash_entry_number);
207                 }
208             } else
209                 if (ipv6 == 0) {
210                     /* populate the ipv4 hash */
211                     populate_ipv4_few_flow_into_table(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid]);
212                 } else {
213                     /* populate the ipv6 hash */
214                     populate_ipv6_few_flow_into_table(ipv6_l3fwd_lookup_struct[socketid]);
215                 }
216             }
217         }
218     #endif
219
220 LPM Initialization
221 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
222
223 The LPM object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array.
224
225 .. code-block:: c
226
227     #if (APP_LOOKUP_METHOD == APP_LOOKUP_LPM)
228
229     static void
230     setup_lpm(int socketid)
231     {
232         unsigned i;
233         int ret;
234         char s[64];
235
236         /* create the LPM table */
237
238         snprintf(s, sizeof(s), "IPV4_L3FWD_LPM_%d", socketid);
239
240         ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid] = rte_lpm_create(s, socketid, IPV4_L3FWD_LPM_MAX_RULES, 0);
241
242         if (ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid] == NULL)
243             rte_exit(EXIT_FAILURE, "Unable to create the l3fwd LPM table"
244                 " on socket %d\n", socketid);
245
246         /* populate the LPM table */
247
248         for (i = 0; i < IPV4_L3FWD_NUM_ROUTES; i++) {
249             /* skip unused ports */
250
251             if ((1 << ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out & enabled_port_mask) == 0)
252                 continue;
253
254             ret = rte_lpm_add(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid], ipv4_l3fwd_route_array[i].ip,
255                                     ipv4_l3fwd_route_array[i].depth, ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out);
256
257             if (ret < 0) {
258                 rte_exit(EXIT_FAILURE, "Unable to add entry %u to the "
259                         "l3fwd LPM table on socket %d\n", i, socketid);
260             }
261
262             printf("LPM: Adding route 0x%08x / %d (%d)\n",
263                 (unsigned)ipv4_l3fwd_route_array[i].ip, ipv4_l3fwd_route_array[i].depth, ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out);
264         }
265     }
266     #endif
267
268 Packet Forwarding for Hash-based Lookups
269 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
270
271 For each input packet, the packet forwarding operation is done by the l3fwd_simple_forward()
272 or simple_ipv4_fwd_4pkts() function for IPv4 packets or the simple_ipv6_fwd_4pkts() function for IPv6 packets.
273 The l3fwd_simple_forward() function provides the basic functionality for both IPv4 and IPv6 packet forwarding
274 for any number of burst packets received,
275 and the packet forwarding decision (that is, the identification of the output interface for the packet)
276 for hash-based lookups is done by the  get_ipv4_dst_port() or get_ipv6_dst_port() function.
277 The get_ipv4_dst_port() function is shown below:
278
279 .. code-block:: c
280
281     static inline uint8_t
282     get_ipv4_dst_port(void *ipv4_hdr, uint8_t portid, lookup_struct_t *ipv4_l3fwd_lookup_struct)
283     {
284         int ret = 0;
285         union ipv4_5tuple_host key;
286
287         ipv4_hdr = (uint8_t \*)ipv4_hdr + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live);
288
289         m128i data = _mm_loadu_si128(( m128i*)(ipv4_hdr));
290
291         /* Get 5 tuple: dst port, src port, dst IP address, src IP address and protocol */
292
293         key.xmm = _mm_and_si128(data, mask0);
294
295         /* Find destination port */
296
297         ret = rte_hash_lookup(ipv4_l3fwd_lookup_struct, (const void *)&key);
298
299         return (uint8_t)((ret < 0)? portid : ipv4_l3fwd_out_if[ret]);
300     }
301
302 The get_ipv6_dst_port() function is similar to the get_ipv4_dst_port() function.
303
304 The simple_ipv4_fwd_4pkts() and simple_ipv6_fwd_4pkts() function are optimized for continuous 4 valid ipv4 and ipv6 packets,
305 they leverage the multiple buffer optimization to boost the performance of forwarding packets with the exact match on hash table.
306 The key code snippet of simple_ipv4_fwd_4pkts() is shown below:
307
308 .. code-block:: c
309
310     static inline void
311     simple_ipv4_fwd_4pkts(struct rte_mbuf* m[4], uint8_t portid, struct lcore_conf *qconf)
312     {
313         // ...
314
315         data[0] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[0], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
316         data[1] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[1], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
317         data[2] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[2], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
318         data[3] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[3], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
319
320         key[0].xmm = _mm_and_si128(data[0], mask0);
321         key[1].xmm = _mm_and_si128(data[1], mask0);
322         key[2].xmm = _mm_and_si128(data[2], mask0);
323         key[3].xmm = _mm_and_si128(data[3], mask0);
324
325         const void *key_array[4] = {&key[0], &key[1], &key[2],&key[3]};
326
327         rte_hash_lookup_bulk(qconf->ipv4_lookup_struct, &key_array[0], 4, ret);
328
329         dst_port[0] = (ret[0] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[0]];
330         dst_port[1] = (ret[1] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[1]];
331         dst_port[2] = (ret[2] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[2]];
332         dst_port[3] = (ret[3] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[3]];
333
334         // ...
335     }
336
337 The simple_ipv6_fwd_4pkts() function is similar to the simple_ipv4_fwd_4pkts() function.
338
339 Known issue: IP packets with extensions or IP packets which are not TCP/UDP cannot work well at this mode.
340
341 Packet Forwarding for LPM-based Lookups
342 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
343
344 For each input packet, the packet forwarding operation is done by the l3fwd_simple_forward() function,
345 but the packet forwarding decision (that is, the identification of the output interface for the packet)
346 for LPM-based lookups is done by the get_ipv4_dst_port() function below:
347
348 .. code-block:: c
349
350     static inline uint8_t
351     get_ipv4_dst_port(struct ipv4_hdr *ipv4_hdr, uint8_t portid, lookup_struct_t *ipv4_l3fwd_lookup_struct)
352     {
353         uint8_t next_hop;
354
355         return (uint8_t) ((rte_lpm_lookup(ipv4_l3fwd_lookup_struct, rte_be_to_cpu_32(ipv4_hdr->dst_addr), &next_hop) == 0)? next_hop : portid);
356     }