Imported Upstream version 16.11
[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 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 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     ./l3fwd [EAL options] -- -p PORTMASK
94                              [-P]
95                              [-E]
96                              [-L]
97                              --config(port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]
98                              [--eth-dest=X,MM:MM:MM:MM:MM:MM]
99                              [--enable-jumbo [--max-pkt-len PKTLEN]]
100                              [--no-numa]
101                              [--hash-entry-num]
102                              [--ipv6]
103                              [--parse-ptype]
104
105 Where,
106
107 * ``-p PORTMASK:`` Hexadecimal bitmask of ports to configure
108
109 * ``-P:`` Optional, sets all ports to promiscuous mode so that packets are accepted regardless of the packet's Ethernet MAC destination address.
110   Without this option, only packets with the Ethernet MAC destination address set to the Ethernet address of the port are accepted.
111
112 * ``-E:`` Optional, enable exact match.
113
114 * ``-L:`` Optional, enable longest prefix match.
115
116 * ``--config (port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]:`` Determines which queues from which ports are mapped to which cores.
117
118 * ``--eth-dest=X,MM:MM:MM:MM:MM:MM:`` Optional, ethernet destination for port X.
119
120 * ``--enable-jumbo:`` Optional, enables jumbo frames.
121
122 * ``--max-pkt-len:`` Optional, under the premise of enabling jumbo, maximum packet length in decimal (64-9600).
123
124 * ``--no-numa:`` Optional, disables numa awareness.
125
126 * ``--hash-entry-num:`` Optional, specifies the hash entry number in hexadecimal to be setup.
127
128 * ``--ipv6:`` Optional, set if running ipv6 packets.
129
130 * ``--parse-ptype:`` Optional, set to use software to analyze packet type. Without this option, hardware will check the packet type.
131
132 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.
133 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,
134 and the programmer wants to use two cores from each processor socket to do the packet processing.
135
136 To enable L3 forwarding between two ports, using two cores, cores 1 and 2, from each processor,
137 while also taking advantage of local memory access by optimizing around NUMA, the programmer must enable two queues from each port,
138 pin to the appropriate cores and allocate memory from the appropriate NUMA node. This is achieved using the following command:
139
140 .. code-block:: console
141
142     ./build/l3fwd -c 606 -n 4 -- -p 0x3 --config="(0,0,1),(0,1,2),(1,0,9),(1,1,10)"
143
144 In this command:
145
146 *   The -c option enables cores 0, 1, 2, 3
147
148 *   The -p option enables ports 0 and 1
149
150 *   The --config option enables two queues on each port and maps each (port,queue) pair to a specific core.
151     Logic to enable multiple RX queues using RSS and to allocate memory from the correct NUMA nodes
152     is included in the application and is done transparently.
153     The following table shows the mapping in this example:
154
155 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
156 | **Port** | **Queue** | **lcore** | **Description**                     |
157 |          |           |           |                                     |
158 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
159 | 0        | 0         | 0         | Map queue 0 from port 0 to lcore 0. |
160 |          |           |           |                                     |
161 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
162 | 0        | 1         | 2         | Map queue 1 from port 0 to lcore 2. |
163 |          |           |           |                                     |
164 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
165 | 1        | 0         | 1         | Map queue 0 from port 1 to lcore 1. |
166 |          |           |           |                                     |
167 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
168 | 1        | 1         | 3         | Map queue 1 from port 1 to lcore 3. |
169 |          |           |           |                                     |
170 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
171
172 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications and
173 the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
174
175 .. _l3_fwd_explanation:
176
177 Explanation
178 -----------
179
180 The following sections provide some explanation of the sample application code. As mentioned in the overview section,
181 the initialization and run-time paths are very similar to those of the :doc:`l2_forward_real_virtual`.
182 The following sections describe aspects that are specific to the L3 Forwarding sample application.
183
184 Hash Initialization
185 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
186
187 The hash object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array,
188 and then generate the expected 5-tuple as key to keep consistence with those of real flow
189 for the convenience to execute hash performance test on 4M/8M/16M flows.
190
191 .. note::
192
193     The Hash initialization will setup both ipv4 and ipv6 hash table,
194     and populate the either table depending on the value of variable ipv6.
195     To support the hash performance test with up to 8M single direction flows/16M bi-direction flows,
196     populate_ipv4_many_flow_into_table() function will populate the hash table with specified hash table entry number(default 4M).
197
198 .. note::
199
200     Value of global variable ipv6 can be specified with --ipv6 in the command line.
201     Value of global variable hash_entry_number,
202     which is used to specify the total hash entry number for all used ports in hash performance test,
203     can be specified with --hash-entry-num VALUE in command line, being its default value 4.
204
205 .. code-block:: c
206
207     #if (APP_LOOKUP_METHOD == APP_LOOKUP_EXACT_MATCH)
208
209         static void
210         setup_hash(int socketid)
211         {
212             // ...
213
214             if (hash_entry_number != HASH_ENTRY_NUMBER_DEFAULT) {
215                 if (ipv6 == 0) {
216                     /* populate the ipv4 hash */
217                     populate_ipv4_many_flow_into_table(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid], hash_entry_number);
218                 } else {
219                     /* populate the ipv6 hash */
220                     populate_ipv6_many_flow_into_table( ipv6_l3fwd_lookup_struct[socketid], hash_entry_number);
221                 }
222             } else
223                 if (ipv6 == 0) {
224                     /* populate the ipv4 hash */
225                     populate_ipv4_few_flow_into_table(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid]);
226                 } else {
227                     /* populate the ipv6 hash */
228                     populate_ipv6_few_flow_into_table(ipv6_l3fwd_lookup_struct[socketid]);
229                 }
230             }
231         }
232     #endif
233
234 LPM Initialization
235 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
236
237 The LPM object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array.
238
239 .. code-block:: c
240
241     #if (APP_LOOKUP_METHOD == APP_LOOKUP_LPM)
242
243     static void
244     setup_lpm(int socketid)
245     {
246         unsigned i;
247         int ret;
248         char s[64];
249
250         /* create the LPM table */
251
252         snprintf(s, sizeof(s), "IPV4_L3FWD_LPM_%d", socketid);
253
254         ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid] = rte_lpm_create(s, socketid, IPV4_L3FWD_LPM_MAX_RULES, 0);
255
256         if (ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid] == NULL)
257             rte_exit(EXIT_FAILURE, "Unable to create the l3fwd LPM table"
258                 " on socket %d\n", socketid);
259
260         /* populate the LPM table */
261
262         for (i = 0; i < IPV4_L3FWD_NUM_ROUTES; i++) {
263             /* skip unused ports */
264
265             if ((1 << ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out & enabled_port_mask) == 0)
266                 continue;
267
268             ret = rte_lpm_add(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid], ipv4_l3fwd_route_array[i].ip,
269                                     ipv4_l3fwd_route_array[i].depth, ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out);
270
271             if (ret < 0) {
272                 rte_exit(EXIT_FAILURE, "Unable to add entry %u to the "
273                         "l3fwd LPM table on socket %d\n", i, socketid);
274             }
275
276             printf("LPM: Adding route 0x%08x / %d (%d)\n",
277                 (unsigned)ipv4_l3fwd_route_array[i].ip, ipv4_l3fwd_route_array[i].depth, ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out);
278         }
279     }
280     #endif
281
282 Packet Forwarding for Hash-based Lookups
283 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
284
285 For each input packet, the packet forwarding operation is done by the l3fwd_simple_forward()
286 or simple_ipv4_fwd_4pkts() function for IPv4 packets or the simple_ipv6_fwd_4pkts() function for IPv6 packets.
287 The l3fwd_simple_forward() function provides the basic functionality for both IPv4 and IPv6 packet forwarding
288 for any number of burst packets received,
289 and the packet forwarding decision (that is, the identification of the output interface for the packet)
290 for hash-based lookups is done by the  get_ipv4_dst_port() or get_ipv6_dst_port() function.
291 The get_ipv4_dst_port() function is shown below:
292
293 .. code-block:: c
294
295     static inline uint8_t
296     get_ipv4_dst_port(void *ipv4_hdr, uint8_t portid, lookup_struct_t *ipv4_l3fwd_lookup_struct)
297     {
298         int ret = 0;
299         union ipv4_5tuple_host key;
300
301         ipv4_hdr = (uint8_t *)ipv4_hdr + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live);
302
303         m128i data = _mm_loadu_si128(( m128i*)(ipv4_hdr));
304
305         /* Get 5 tuple: dst port, src port, dst IP address, src IP address and protocol */
306
307         key.xmm = _mm_and_si128(data, mask0);
308
309         /* Find destination port */
310
311         ret = rte_hash_lookup(ipv4_l3fwd_lookup_struct, (const void *)&key);
312
313         return (uint8_t)((ret < 0)? portid : ipv4_l3fwd_out_if[ret]);
314     }
315
316 The get_ipv6_dst_port() function is similar to the get_ipv4_dst_port() function.
317
318 The simple_ipv4_fwd_4pkts() and simple_ipv6_fwd_4pkts() function are optimized for continuous 4 valid ipv4 and ipv6 packets,
319 they leverage the multiple buffer optimization to boost the performance of forwarding packets with the exact match on hash table.
320 The key code snippet of simple_ipv4_fwd_4pkts() is shown below:
321
322 .. code-block:: c
323
324     static inline void
325     simple_ipv4_fwd_4pkts(struct rte_mbuf* m[4], uint8_t portid, struct lcore_conf *qconf)
326     {
327         // ...
328
329         data[0] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[0], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
330         data[1] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[1], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
331         data[2] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[2], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
332         data[3] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[3], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
333
334         key[0].xmm = _mm_and_si128(data[0], mask0);
335         key[1].xmm = _mm_and_si128(data[1], mask0);
336         key[2].xmm = _mm_and_si128(data[2], mask0);
337         key[3].xmm = _mm_and_si128(data[3], mask0);
338
339         const void *key_array[4] = {&key[0], &key[1], &key[2],&key[3]};
340
341         rte_hash_lookup_bulk(qconf->ipv4_lookup_struct, &key_array[0], 4, ret);
342
343         dst_port[0] = (ret[0] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[0]];
344         dst_port[1] = (ret[1] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[1]];
345         dst_port[2] = (ret[2] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[2]];
346         dst_port[3] = (ret[3] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[3]];
347
348         // ...
349     }
350
351 The simple_ipv6_fwd_4pkts() function is similar to the simple_ipv4_fwd_4pkts() function.
352
353 Known issue: IP packets with extensions or IP packets which are not TCP/UDP cannot work well at this mode.
354
355 Packet Forwarding for LPM-based Lookups
356 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
357
358 For each input packet, the packet forwarding operation is done by the l3fwd_simple_forward() function,
359 but the packet forwarding decision (that is, the identification of the output interface for the packet)
360 for LPM-based lookups is done by the get_ipv4_dst_port() function below:
361
362 .. code-block:: c
363
364     static inline uint8_t
365     get_ipv4_dst_port(struct ipv4_hdr *ipv4_hdr, uint8_t portid, lookup_struct_t *ipv4_l3fwd_lookup_struct)
366     {
367         uint8_t next_hop;
368
369         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);
370     }