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29     OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
30
31 L3 Forwarding with Power Management Sample Application
32 ======================================================
33
34 Introduction
35 ------------
36
37 The L3 Forwarding with Power Management application is an example of power-aware packet processing using the DPDK.
38 The application is based on existing L3 Forwarding sample application,
39 with the power management algorithms to control the P-states and
40 C-states of the Intel processor via a power management library.
41
42 Overview
43 --------
44
45 The application demonstrates the use of the Power libraries in the DPDK to implement packet forwarding.
46 The initialization and run-time paths are very similar to those of the :doc:`l3_forward`.
47 The main difference from the L3 Forwarding sample application is that this application introduces power-aware optimization algorithms
48 by leveraging the Power library to control P-state and C-state of processor based on packet load.
49
50 The DPDK includes poll-mode drivers to configure Intel NIC devices and their receive (Rx) and transmit (Tx) queues.
51 The design principle of this PMD is to access the Rx and Tx descriptors directly without any interrupts to quickly receive,
52 process and deliver packets in the user space.
53
54 In general, the DPDK executes an endless packet processing loop on dedicated IA cores that include the following steps:
55
56 *   Retrieve input packets through the PMD to poll Rx queue
57
58 *   Process each received packet or provide received packets to other processing cores through software queues
59
60 *   Send pending output packets to Tx queue through the PMD
61
62 In this way, the PMD achieves better performance than a traditional interrupt-mode driver,
63 at the cost of keeping cores active and running at the highest frequency,
64 hence consuming the maximum power all the time.
65 However, during the period of processing light network traffic,
66 which happens regularly in communication infrastructure systems due to well-known "tidal effect",
67 the PMD is still busy waiting for network packets, which wastes a lot of power.
68
69 Processor performance states (P-states) are the capability of an Intel processor
70 to switch between different supported operating frequencies and voltages.
71 If configured correctly, according to system workload, this feature provides power savings.
72 CPUFreq is the infrastructure provided by the Linux* kernel to control the processor performance state capability.
73 CPUFreq supports a user space governor that enables setting frequency via manipulating the virtual file device from a user space application.
74 The Power library in the DPDK provides a set of APIs for manipulating a virtual file device to allow user space application
75 to set the CPUFreq governor and set the frequency of specific cores.
76
77 This application includes a P-state power management algorithm to generate a frequency hint to be sent to CPUFreq.
78 The algorithm uses the number of received and available Rx packets on recent polls to make a heuristic decision to scale frequency up/down.
79 Specifically, some thresholds are checked to see whether a specific core running an DPDK polling thread needs to increase frequency
80 a step up based on the near to full trend of polled Rx queues.
81 Also, it decreases frequency a step if packet processed per loop is far less than the expected threshold
82 or the thread's sleeping time exceeds a threshold.
83
84 C-States are also known as sleep states.
85 They allow software to put an Intel core into a low power idle state from which it is possible to exit via an event, such as an interrupt.
86 However, there is a tradeoff between the power consumed in the idle state and the time required to wake up from the idle state (exit latency).
87 Therefore, as you go into deeper C-states, the power consumed is lower but the exit latency is increased. Each C-state has a target residency.
88 It is essential that when entering into a C-state, the core remains in this C-state for at least as long as the target residency in order
89 to fully realize the benefits of entering the C-state.
90 CPUIdle is the infrastructure provide by the Linux kernel to control the processor C-state capability.
91 Unlike CPUFreq, CPUIdle does not provide a mechanism that allows the application to change C-state.
92 It actually has its own heuristic algorithms in kernel space to select target C-state to enter by executing privileged instructions like HLT and MWAIT,
93 based on the speculative sleep duration of the core.
94 In this application, we introduce a heuristic algorithm that allows packet processing cores to sleep for a short period
95 if there is no Rx packet received on recent polls.
96 In this way, CPUIdle automatically forces the corresponding cores to enter deeper C-states
97 instead of always running to the C0 state waiting for packets.
98
99 .. note::
100
101     To fully demonstrate the power saving capability of using C-states,
102     it is recommended to enable deeper C3 and C6 states in the BIOS during system boot up.
103
104 Compiling the Application
105 -------------------------
106
107 To compile the application:
108
109 #.  Go to the sample application directory:
110
111     .. code-block:: console
112
113         export RTE_SDK=/path/to/rte_sdk
114         cd ${RTE_SDK}/examples/l3fwd-power
115
116 #.  Set the target (a default target is used if not specified). For example:
117
118     .. code-block:: console
119
120         export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
121
122     See the *DPDK Getting Started Guide* for possible RTE_TARGET values.
123
124 #.  Build the application:
125
126     .. code-block:: console
127
128         make
129
130 Running the Application
131 -----------------------
132
133 The application has a number of command line options:
134
135 .. code-block:: console
136
137     ./build/l3fwd_power [EAL options] -- -p PORTMASK [-P]  --config(port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)] [--enable-jumbo [--max-pkt-len PKTLEN]] [--no-numa]
138
139 where,
140
141 *   -p PORTMASK: Hexadecimal bitmask of ports to configure
142
143 *   -P: Sets all ports to promiscuous mode so that packets are accepted regardless of the packet's Ethernet MAC destination address.
144     Without this option, only packets with the Ethernet MAC destination address set to the Ethernet address of the port are accepted.
145
146 *   --config (port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]: determines which queues from which ports are mapped to which cores.
147
148 *   --enable-jumbo: optional, enables jumbo frames
149
150 *   --max-pkt-len: optional, maximum packet length in decimal (64-9600)
151
152 *   --no-numa: optional, disables numa awareness
153
154 See :doc:`l3_forward` for details.
155 The L3fwd-power example reuses the L3fwd command line options.
156
157 Explanation
158 -----------
159
160 The following sections provide some explanation of the sample application code.
161 As mentioned in the overview section,
162 the initialization and run-time paths are identical to those of the L3 forwarding application.
163 The following sections describe aspects that are specific to the L3 Forwarding with Power Management sample application.
164
165 Power Library Initialization
166 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
167
168 The Power library is initialized in the main routine.
169 It changes the P-state governor to userspace for specific cores that are under control.
170 The Timer library is also initialized and several timers are created later on,
171 responsible for checking if it needs to scale down frequency at run time by checking CPU utilization statistics.
172
173 .. note::
174
175     Only the power management related initialization is shown.
176
177 .. code-block:: c
178
179     int main(int argc, char **argv)
180     {
181         struct lcore_conf *qconf;
182         int ret;
183         unsigned nb_ports;
184         uint16_t queueid;
185         unsigned lcore_id;
186         uint64_t hz;
187         uint32_t n_tx_queue, nb_lcores;
188         uint8_t portid, nb_rx_queue, queue, socketid;
189
190         // ...
191
192         /* init RTE timer library to be used to initialize per-core timers */
193
194         rte_timer_subsystem_init();
195
196         // ...
197
198
199         /* per-core initialization */
200
201         for (lcore_id = 0; lcore_id < RTE_MAX_LCORE; lcore_id++) {
202             if (rte_lcore_is_enabled(lcore_id) == 0)
203                 continue;
204
205             /* init power management library for a specified core */
206
207             ret = rte_power_init(lcore_id);
208             if (ret)
209                 rte_exit(EXIT_FAILURE, "Power management library "
210                     "initialization failed on core%d\n", lcore_id);
211
212             /* init timer structures for each enabled lcore */
213
214             rte_timer_init(&power_timers[lcore_id]);
215
216             hz = rte_get_hpet_hz();
217
218             rte_timer_reset(&power_timers[lcore_id], hz/TIMER_NUMBER_PER_SECOND, SINGLE, lcore_id, power_timer_cb, NULL);
219
220             // ...
221         }
222
223         // ...
224     }
225
226 Monitoring Loads of Rx Queues
227 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
228
229 In general, the polling nature of the DPDK prevents the OS power management subsystem from knowing
230 if the network load is actually heavy or light.
231 In this sample, sampling network load work is done by monitoring received and
232 available descriptors on NIC Rx queues in recent polls.
233 Based on the number of returned and available Rx descriptors,
234 this example implements algorithms to generate frequency scaling hints and speculative sleep duration,
235 and use them to control P-state and C-state of processors via the power management library.
236 Frequency (P-state) control and sleep state (C-state) control work individually for each logical core,
237 and the combination of them contributes to a power efficient packet processing solution when serving light network loads.
238
239 The rte_eth_rx_burst() function and the newly-added rte_eth_rx_queue_count() function are used in the endless packet processing loop
240 to return the number of received and available Rx descriptors.
241 And those numbers of specific queue are passed to P-state and C-state heuristic algorithms
242 to generate hints based on recent network load trends.
243
244 .. note::
245
246     Only power control related code is shown.
247
248 .. code-block:: c
249
250     static
251     attribute ((noreturn)) int main_loop( attribute ((unused)) void *dummy)
252     {
253         // ...
254
255         while (1) {
256         // ...
257
258         /**
259          * Read packet from RX queues
260          */
261
262         lcore_scaleup_hint = FREQ_CURRENT;
263         lcore_rx_idle_count = 0;
264
265         for (i = 0; i < qconf->n_rx_queue; ++i)
266         {
267             rx_queue = &(qconf->rx_queue_list[i]);
268             rx_queue->idle_hint = 0;
269             portid = rx_queue->port_id;
270             queueid = rx_queue->queue_id;
271
272             nb_rx = rte_eth_rx_burst(portid, queueid, pkts_burst, MAX_PKT_BURST);
273             stats[lcore_id].nb_rx_processed += nb_rx;
274
275             if (unlikely(nb_rx == 0)) {
276                 /**
277                  * no packet received from rx queue, try to
278                  * sleep for a while forcing CPU enter deeper
279                  * C states.
280                  */
281
282                 rx_queue->zero_rx_packet_count++;
283
284                 if (rx_queue->zero_rx_packet_count <= MIN_ZERO_POLL_COUNT)
285                     continue;
286
287                 rx_queue->idle_hint = power_idle_heuristic(rx_queue->zero_rx_packet_count);
288                 lcore_rx_idle_count++;
289             } else {
290                 rx_ring_length = rte_eth_rx_queue_count(portid, queueid);
291
292                 rx_queue->zero_rx_packet_count = 0;
293
294                 /**
295                  * do not scale up frequency immediately as
296                  * user to kernel space communication is costly
297                  * which might impact packet I/O for received
298                  * packets.
299                  */
300
301                 rx_queue->freq_up_hint = power_freq_scaleup_heuristic(lcore_id, rx_ring_length);
302             }
303
304             /* Prefetch and forward packets */
305
306             // ...
307         }
308
309         if (likely(lcore_rx_idle_count != qconf->n_rx_queue)) {
310             for (i = 1, lcore_scaleup_hint = qconf->rx_queue_list[0].freq_up_hint; i < qconf->n_rx_queue; ++i) {
311                 x_queue = &(qconf->rx_queue_list[i]);
312
313                 if (rx_queue->freq_up_hint > lcore_scaleup_hint)
314
315                     lcore_scaleup_hint = rx_queue->freq_up_hint;
316             }
317
318             if (lcore_scaleup_hint == FREQ_HIGHEST)
319
320                 rte_power_freq_max(lcore_id);
321
322             else if (lcore_scaleup_hint == FREQ_HIGHER)
323                 rte_power_freq_up(lcore_id);
324             } else {
325                 /**
326                  *  All Rx queues empty in recent consecutive polls,
327                  *  sleep in a conservative manner, meaning sleep as
328                  * less as possible.
329                  */
330
331                 for (i = 1, lcore_idle_hint = qconf->rx_queue_list[0].idle_hint; i < qconf->n_rx_queue; ++i) {
332                     rx_queue = &(qconf->rx_queue_list[i]);
333                     if (rx_queue->idle_hint < lcore_idle_hint)
334                         lcore_idle_hint = rx_queue->idle_hint;
335                 }
336
337                 if ( lcore_idle_hint < SLEEP_GEAR1_THRESHOLD)
338                     /**
339                      *   execute "pause" instruction to avoid context
340                      *   switch for short sleep.
341                      */
342                     rte_delay_us(lcore_idle_hint);
343                 else
344                     /* long sleep force ruining thread to suspend */
345                     usleep(lcore_idle_hint);
346
347                stats[lcore_id].sleep_time += lcore_idle_hint;
348             }
349         }
350     }
351
352 P-State Heuristic Algorithm
353 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
354
355 The power_freq_scaleup_heuristic() function is responsible for generating a frequency hint for the specified logical core
356 according to available descriptor number returned from rte_eth_rx_queue_count().
357 On every poll for new packets, the length of available descriptor on an Rx queue is evaluated,
358 and the algorithm used for frequency hinting is as follows:
359
360 *   If the size of available descriptors exceeds 96, the maximum frequency is hinted.
361
362 *   If the size of available descriptors exceeds 64, a trend counter is incremented by 100.
363
364 *   If the length of the ring exceeds 32, the trend counter is incremented by 1.
365
366 *   When the trend counter reached 10000 the frequency hint is changed to the next higher frequency.
367
368 .. note::
369
370     The assumption is that the Rx queue size is 128 and the thresholds specified above
371     must be adjusted accordingly based on actual hardware Rx queue size,
372     which are configured via the rte_eth_rx_queue_setup() function.
373
374 In general, a thread needs to poll packets from multiple Rx queues.
375 Most likely, different queue have different load, so they would return different frequency hints.
376 The algorithm evaluates all the hints and then scales up frequency in an aggressive manner
377 by scaling up to highest frequency as long as one Rx queue requires.
378 In this way, we can minimize any negative performance impact.
379
380 On the other hand, frequency scaling down is controlled in the timer callback function.
381 Specifically, if the sleep times of a logical core indicate that it is sleeping more than 25% of the sampling period,
382 or if the average packet per iteration is less than expectation, the frequency is decreased by one step.
383
384 C-State Heuristic Algorithm
385 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
386
387 Whenever recent rte_eth_rx_burst() polls return 5 consecutive zero packets,
388 an idle counter begins incrementing for each successive zero poll.
389 At the same time, the function power_idle_heuristic() is called to generate speculative sleep duration
390 in order to force logical to enter deeper sleeping C-state.
391 There is no way to control C- state directly, and the CPUIdle subsystem in OS is intelligent enough
392 to select C-state to enter based on actual sleep period time of giving logical core.
393 The algorithm has the following sleeping behavior depending on the idle counter:
394
395 *   If idle count less than 100, the counter value is used as a microsecond sleep value through rte_delay_us()
396     which execute pause instructions to avoid costly context switch but saving power at the same time.
397
398 *   If idle count is between 100 and 999, a fixed sleep interval of 100 μs is used.
399     A 100 μs sleep interval allows the core to enter the C1 state while keeping a fast response time in case new traffic arrives.
400
401 *   If idle count is greater than 1000, a fixed sleep value of 1 ms is used until the next timer expiration is used.
402     This allows the core to enter the C3/C6 states.
403
404 .. note::
405
406     The thresholds specified above need to be adjusted for different Intel processors and traffic profiles.
407
408 If a thread polls multiple Rx queues and different queue returns different sleep duration values,
409 the algorithm controls the sleep time in a conservative manner by sleeping for the least possible time
410 in order to avoid a potential performance impact.