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[deb_dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l3_forward_access_ctrl.rst
1 ..  BSD LICENSE
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3     All rights reserved.
4
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6     modification, are permitted provided that the following conditions
7     are met:
8
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18
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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 with Access Control Sample Application
32 ====================================================
33
34 The L3 Forwarding with Access Control application is a simple example of packet processing using the DPDK.
35 The application performs a security check on received packets.
36 Packets that are in the Access Control List (ACL), which is loaded during initialization, are dropped.
37 Others are forwarded to the correct port.
38
39 Overview
40 --------
41
42 The application demonstrates the use of the ACL library in the DPDK to implement access control
43 and packet L3 forwarding.
44 The application loads two types of rules at initialization:
45
46 *   Route information rules, which are used for L3 forwarding
47
48 *   Access Control List (ACL) rules that blacklist (or block) packets with a specific characteristic
49
50 When packets are received from a port,
51 the application extracts the necessary information from the TCP/IP header of the received packet and
52 performs a lookup in the rule database to figure out whether the packets should be dropped (in the ACL range)
53 or forwarded to desired ports.
54 The initialization and run-time paths are similar to those of the :doc:`l3_forward`.
55 However, there are significant differences in the two applications.
56 For example, the original L3 forwarding application uses either LPM or
57 an exact match algorithm to perform forwarding port lookup,
58 while this application uses the ACL library to perform both ACL and route entry lookup.
59 The following sections provide more detail.
60
61 Classification for both IPv4 and IPv6 packets is supported in this application.
62 The application also assumes that all the packets it processes are TCP/UDP packets and
63 always extracts source/destination port information from the packets.
64
65 Tuple Packet Syntax
66 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
67
68 The application implements packet classification for the IPv4/IPv6 5-tuple syntax specifically.
69 The 5-tuple syntax consist of a source IP address, a destination IP address,
70 a source port, a destination port and a protocol identifier.
71 The fields in the 5-tuple syntax have the following formats:
72
73 *   **Source IP address and destination IP address**
74     : Each is either a 32-bit field (for IPv4), or a set of 4 32-bit fields (for IPv6) represented by a value and a mask length.
75     For example, an IPv4 range of 192.168.1.0 to 192.168.1.255 could be represented by a value = [192, 168, 1, 0] and a mask length = 24.
76
77 *   **Source port and destination port**
78     : Each is a 16-bit field, represented by a lower start and a higher end.
79     For example, a range of ports 0 to 8192 could be represented by lower = 0 and higher = 8192.
80
81 *   **Protocol identifier**
82     : An 8-bit field, represented by a value and a mask, that covers a range of values.
83     To verify that a value is in the range, use the following expression: "(VAL & mask) == value"
84
85 The trick in how to represent a range with a mask and value is as follows.
86 A range can be enumerated in binary numbers with some bits that are never changed and some bits that are dynamically changed.
87 Set those bits that dynamically changed in mask and value with 0.
88 Set those bits that never changed in the mask with 1, in value with number expected.
89 For example, a range of 6 to 7 is enumerated as 0b110 and 0b111.
90 Bit 1-7 are bits never changed and bit 0 is the bit dynamically changed.
91 Therefore, set bit 0 in mask and value with 0, set bits 1-7 in mask with 1, and bits 1-7 in value with number 0b11.
92 So, mask is 0xfe, value is 0x6.
93
94 .. note::
95
96     The library assumes that each field in the rule is in LSB or Little Endian order when creating the database.
97     It internally converts them to MSB or Big Endian order.
98     When performing a lookup, the library assumes the input is in MSB or Big Endian order.
99
100 Access Rule Syntax
101 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
102
103 In this sample application, each rule is a combination of the following:
104
105 *   5-tuple field: This field has a format described in Section.
106
107 *   priority field: A weight to measure the priority of the rules.
108     The rule with the higher priority will ALWAYS be returned if the specific input has multiple matches in the rule database.
109     Rules with lower priority will NEVER be returned in any cases.
110
111 *   userdata field: A user-defined field that could be any value.
112     It can be the forwarding port number if the rule is a route table entry or it can be a pointer to a mapping address
113     if the rule is used for address mapping in the NAT application.
114     The key point is that it is a useful reserved field for user convenience.
115
116 ACL and Route Rules
117 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
118
119 The application needs to acquire ACL and route rules before it runs.
120 Route rules are mandatory, while ACL rules are optional.
121 To simplify the complexity of the priority field for each rule, all ACL and route entries are assumed to be in the same file.
122 To read data from the specified file successfully, the application assumes the following:
123
124 *   Each rule occupies a single line.
125
126 *   Only the following four rule line types are valid in this application:
127
128 *   ACL rule line, which starts with a leading character '@'
129
130 *   Route rule line, which starts with a leading character 'R'
131
132 *   Comment line, which starts with a leading character '#'
133
134 *   Empty line, which consists of a space, form-feed ('\f'), newline ('\n'),
135     carriage return ('\r'), horizontal tab ('\t'), or vertical tab ('\v').
136
137 Other lines types are considered invalid.
138
139 *   Rules are organized in descending order of priority,
140     which means rules at the head of the file always have a higher priority than those further down in the file.
141
142 *   A typical IPv4 ACL rule line should have a format as shown below:
143
144
145 .. _figure_ipv4_acl_rule:
146
147 .. figure:: img/ipv4_acl_rule.*
148
149    A typical IPv4 ACL rule
150
151
152 IPv4 addresses are specified in CIDR format as specified in RFC 4632.
153 They consist of the dot notation for the address and a prefix length separated by '/'.
154 For example, 192.168.0.34/32, where the address is 192.168.0.34 and the prefix length is 32.
155
156 Ports are specified as a range of 16-bit numbers in the format MIN:MAX,
157 where MIN and MAX are the inclusive minimum and maximum values of the range.
158 The range 0:65535 represents all possible ports in a range.
159 When MIN and MAX are the same value, a single port is represented, for example, 20:20.
160
161 The protocol identifier is an 8-bit value and a mask separated by '/'.
162 For example: 6/0xfe matches protocol values 6 and 7.
163
164 *   Route rules start with a leading character 'R' and have the same format as ACL rules except an extra field at the tail
165     that indicates the forwarding port number.
166
167 Rules File Example
168 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
169
170 .. _figure_example_rules:
171
172 .. figure:: img/example_rules.*
173
174    Rules example
175
176
177 Each rule is explained as follows:
178
179 *   Rule 1 (the first line) tells the application to drop those packets with source IP address = [1.2.3.*],
180     destination IP address = [192.168.0.36], protocol = [6]/[7]
181
182 *   Rule 2 (the second line) is similar to Rule 1, except the source IP address is ignored.
183     It tells the application to forward packets with destination IP address = [192.168.0.36],
184     protocol = [6]/[7], destined to port 1.
185
186 *   Rule 3 (the third line) tells the application to forward all packets to port 0.
187     This is something like a default route entry.
188
189 As described earlier, the application assume rules are listed in descending order of priority,
190 therefore Rule 1 has the highest priority, then Rule 2, and finally,
191 Rule 3 has the lowest priority.
192
193 Consider the arrival of the following three packets:
194
195 *   Packet 1 has source IP address = [1.2.3.4], destination IP address = [192.168.0.36], and protocol = [6]
196
197 *   Packet 2 has source IP address = [1.2.4.4], destination IP address = [192.168.0.36], and protocol = [6]
198
199 *   Packet 3 has source IP address = [1.2.3.4], destination IP address = [192.168.0.36], and protocol = [8]
200
201 Observe that:
202
203 *   Packet 1 matches all of the rules
204
205 *   Packet 2 matches Rule 2 and Rule 3
206
207 *   Packet 3 only matches Rule 3
208
209 For priority reasons, Packet 1 matches Rule 1 and is dropped.
210 Packet 2 matches Rule 2 and is forwarded to port 1.
211 Packet 3 matches Rule 3 and is forwarded to port 0.
212
213 For more details on the rule file format,
214 please refer to rule_ipv4.db and rule_ipv6.db files (inside <RTE_SDK>/examples/l3fwd-acl/).
215
216 Application Phases
217 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
218
219 Once the application starts, it transitions through three phases:
220
221 *   **Initialization Phase**
222     - Perform the following tasks:
223
224 *   Parse command parameters. Check the validity of rule file(s) name(s), number of logical cores, receive and transmit queues.
225     Bind ports, queues and logical cores. Check ACL search options, and so on.
226
227 *   Call Environmental Abstraction Layer (EAL) and Poll Mode Driver (PMD) functions to initialize the environment and detect possible NICs.
228     The EAL creates several threads and sets affinity to a specific hardware thread CPU based on the configuration specified
229     by the command line arguments.
230
231 *   Read the rule files and format the rules into the representation that the ACL library can recognize.
232     Call the ACL library function to add the rules into the database and compile them as a trie of pattern sets.
233     Note that application maintains a separate AC contexts for IPv4 and IPv6 rules.
234
235 *   **Runtime Phase**
236     - Process the incoming packets from a port. Packets are processed in three steps:
237
238     *   Retrieval: Gets a packet from the receive queue. Each logical core may process several queues for different ports.
239         This depends on the configuration specified by command line arguments.
240
241     *   Lookup: Checks that the packet type is supported (IPv4/IPv6) and performs a 5-tuple lookup over corresponding AC context.
242         If an ACL rule is matched, the packets will be dropped and return back to step 1.
243         If a route rule is matched, it indicates the packet is not in the ACL list and should be forwarded.
244         If there is no matches for the packet, then the packet is dropped.
245
246     *   Forwarding: Forwards the packet to the corresponding port.
247
248 *   **Final Phase** - Perform the following tasks:
249
250     Calls the EAL, PMD driver and ACL library to free resource, then quits.
251
252 Compiling the Application
253 -------------------------
254
255 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
256
257 The application is located in the ``l3fwd-acl`` sub-directory.
258
259 Running the Application
260 -----------------------
261
262 The application has a number of command line options:
263
264 ..  code-block:: console
265
266     ./build/l3fwd-acl [EAL options] -- -p PORTMASK [-P] --config(port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)] --rule_ipv4 FILENAME rule_ipv6 FILENAME [--scalar] [--enable-jumbo [--max-pkt-len PKTLEN]] [--no-numa]
267
268
269 where,
270
271 *   -p PORTMASK: Hexadecimal bitmask of ports to configure
272
273 *   -P: Sets all ports to promiscuous mode so that packets are accepted regardless of the packet's Ethernet MAC destination address.
274     Without this option, only packets with the Ethernet MAC destination address set to the Ethernet address of the port are accepted.
275
276 *   --config (port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]: determines which queues from which ports are mapped to which cores
277
278 *   --rule_ipv4 FILENAME: Specifies the IPv4 ACL and route rules file
279
280 *   --rule_ipv6 FILENAME: Specifies the IPv6 ACL and route rules file
281
282 *   --scalar: Use a scalar function to perform rule lookup
283
284 *   --enable-jumbo: optional, enables jumbo frames
285
286 *   --max-pkt-len: optional, maximum packet length in decimal (64-9600)
287
288 *   --no-numa: optional, disables numa awareness
289
290 For example, consider a dual processor socket platform with 8 physical cores, where cores 0-7 and 16-23 appear on socket 0,
291 while cores 8-15 and 24-31 appear on socket 1.
292
293 To enable L3 forwarding between two ports, assuming that both ports are in the same socket, using two cores, cores 1 and 2,
294 (which are in the same socket too), use the following command:
295
296 ..  code-block:: console
297
298     ./build/l3fwd-acl -l 1,2 -n 4 -- -p 0x3 --config="(0,0,1),(1,0,2)" --rule_ipv4="./rule_ipv4.db" -- rule_ipv6="./rule_ipv6.db" --scalar
299
300 In this command:
301
302 *   The -l option enables cores 1, 2
303
304 *   The -p option enables ports 0 and 1
305
306 *   The --config option enables one queue on each port and maps each (port,queue) pair to a specific core.
307     The following table shows the mapping in this example:
308
309     +----------+------------+-----------+-------------------------------------+
310     | **Port** | **Queue**  | **lcore** |            **Description**          |
311     |          |            |           |                                     |
312     +==========+============+===========+=====================================+
313     | 0        | 0          | 1         | Map queue 0 from port 0 to lcore 1. |
314     |          |            |           |                                     |
315     +----------+------------+-----------+-------------------------------------+
316     | 1        | 0          | 2         | Map queue 0 from port 1 to lcore 2. |
317     |          |            |           |                                     |
318     +----------+------------+-----------+-------------------------------------+
319
320 *   The --rule_ipv4 option specifies the reading of IPv4 rules sets from the ./ rule_ipv4.db file.
321
322 *   The --rule_ipv6 option specifies the reading of IPv6 rules sets from the ./ rule_ipv6.db file.
323
324 *   The --scalar option specifies the performing of rule lookup with a scalar function.
325
326 Explanation
327 -----------
328
329 The following sections provide some explanation of the sample application code.
330 The aspects of port, device and CPU configuration are similar to those of the :doc:`l3_forward`.
331 The following sections describe aspects that are specific to L3 forwarding with access control.
332
333 Parse Rules from File
334 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
335
336 As described earlier, both ACL and route rules are assumed to be saved in the same file.
337 The application parses the rules from the file and adds them to the database by calling the ACL library function.
338 It ignores empty and comment lines, and parses and validates the rules it reads.
339 If errors are detected, the application exits with messages to identify the errors encountered.
340
341 The application needs to consider the userdata and priority fields.
342 The ACL rules save the index to the specific rules in the userdata field,
343 while route rules save the forwarding port number.
344 In order to differentiate the two types of rules, ACL rules add a signature in the userdata field.
345 As for the priority field, the application assumes rules are organized in descending order of priority.
346 Therefore, the code only decreases the priority number with each rule it parses.
347
348 Setting Up the ACL Context
349 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
350
351 For each supported AC rule format (IPv4 5-tuple, IPv6 6-tuple) application creates a separate context handler
352 from the ACL library for each CPU socket on the board and adds parsed rules into that context.
353
354 Note, that for each supported rule type,
355 application needs to calculate the expected offset of the fields from the start of the packet.
356 That's why only packets with fixed IPv4/ IPv6 header are supported.
357 That allows to perform ACL classify straight over incoming packet buffer -
358 no extra protocol field retrieval need to be performed.
359
360 Subsequently, the application checks whether NUMA is enabled.
361 If it is, the application records the socket IDs of the CPU cores involved in the task.
362
363 Finally, the application creates contexts handler from the ACL library,
364 adds rules parsed from the file into the database and build an ACL trie.
365 It is important to note that the application creates an independent copy of each database for each socket CPU
366 involved in the task to reduce the time for remote memory access.