src/plugins/lb/lb.h

   1 /*
   2  * Copyright (c) 2016 Cisco and/or its affiliates.
   3  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
   4  * you may not use this file except in compliance with the License.
   5  * You may obtain a copy of the License at:
   6  *
   7  *     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
   8  *
   9  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
  10  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
  11  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
  12  * See the License for the specific language governing permissions and
  13  * limitations under the License.
  14  */
  15
  16 /**
  17  * lb-plugin implements a MagLev-like load balancer.
  18  * http://research.google.com/pubs/pub44824.html
  19  *
  20  * It hasn't been tested for interoperability with the original MagLev
  21  * but intends to provide similar functionality.
  22  * The load-balancer receives traffic destined to VIP (Virtual IP)
  23  * addresses from one or multiple(ECMP) routers.
  24  * The load-balancer tunnels the traffic toward many application servers
  25  * ensuring session stickyness (i.e. that a single sessions is tunneled
  26  * towards a single application server).
  27  *
  28  */
  29
  30 #ifndef LB_PLUGIN_LB_LB_H_
  31 #define LB_PLUGIN_LB_LB_H_
  32
  33 #include <lb/util.h>
  34 #include <vnet/util/refcount.h>
  35
  36 #include <vnet/vnet.h>
  37 #include <vnet/ip/ip.h>
  38 #include <vnet/dpo/dpo.h>
  39 #include <vnet/fib/fib_table.h>
  40 #include <vppinfra/hash.h>
  41 #include <vppinfra/bihash_8_8.h>
  42 #include <vppinfra/bihash_24_8.h>
  43 #include <lb/lbhash.h>
  44
  45 #define LB_DEFAULT_PER_CPU_STICKY_BUCKETS 1 << 10
  46 #define LB_DEFAULT_FLOW_TIMEOUT 40
  47 #define LB_MAPPING_BUCKETS  1024
  48 #define LB_MAPPING_MEMORY_SIZE  64<<20
  49
  50 typedef enum {
  51   LB_NEXT_DROP,
  52   LB_N_NEXT,
  53 } lb_next_t;
  54
  55 typedef enum {
  56   LB_NAT4_IN2OUT_NEXT_DROP,
  57   LB_NAT4_IN2OUT_NEXT_LOOKUP,
  58   LB_NAT4_IN2OUT_N_NEXT,
  59 } LB_nat4_in2out_next_t;
  60
  61 typedef enum {
  62   LB_NAT6_IN2OUT_NEXT_DROP,
  63   LB_NAT6_IN2OUT_NEXT_LOOKUP,
  64   LB_NAT6_IN2OUT_N_NEXT,
  65 } LB_nat6_in2out_next_t;
  66
  67 #define foreach_lb_nat_in2out_error                       \
  68 _(UNSUPPORTED_PROTOCOL, "Unsupported protocol")         \
  69 _(IN2OUT_PACKETS, "Good in2out packets processed")      \
  70 _(NO_TRANSLATION, "No translation")
  71
  72 typedef enum {
  73 #define _(sym,str) LB_NAT_IN2OUT_ERROR_##sym,
  74   foreach_lb_nat_in2out_error
  75 #undef _
  76   LB_NAT_IN2OUT_N_ERROR,
  77 } lb_nat_in2out_error_t;
  78
  79 /**
  80  * lb for kube-proxy supports three types of service
  81  */
  82 typedef enum {
  83   LB_SRV_TYPE_CLUSTERIP,
  84   LB_SRV_TYPE_NODEPORT,
  85   LB_SRV_N_TYPES,
  86 } lb_svr_type_t;
  87
  88 typedef enum {
  89   LB4_NODEPORT_NEXT_IP4_NAT4,
  90   LB4_NODEPORT_NEXT_DROP,
  91   LB4_NODEPORT_N_NEXT,
  92 } lb4_nodeport_next_t;
  93
  94 typedef enum {
  95   LB6_NODEPORT_NEXT_IP6_NAT6,
  96   LB6_NODEPORT_NEXT_DROP,
  97   LB6_NODEPORT_N_NEXT,
  98 } lb6_nodeport_next_t;
  99
 100 /**
 101  * Each VIP is configured with a set of
 102  * application server.
 103  */
 104 typedef struct {
 105   /**
 106    * Registration to FIB event.
 107    */
 108   fib_node_t fib_node;
 109
 110   /**
 111    * Destination address used to tunnel traffic towards
 112    * that application server.
 113    * The address is also used as ID and pseudo-random
 114    * seed for the load-balancing process.
 115    */
 116   ip46_address_t address;
 117
 118   /**
 119    * ASs are indexed by address and VIP Index.
 120    * Which means there will be duplicated if the same server
 121    * address is used for multiple VIPs.
 122    */
 123   u32 vip_index;
 124
 125   /**
 126    * Some per-AS flags.
 127    * For now only LB_AS_FLAGS_USED is defined.
 128    */
 129   u8 flags;
 130
 131 #define LB_AS_FLAGS_USED 0x1
 132
 133   /**
 134    * Rotating timestamp of when LB_AS_FLAGS_USED flag was last set.
 135    *
 136    * AS removal is based on garbage collection and reference counting.
 137    * When an AS is removed, there is a race between configuration core
 138    * and worker cores which may still add a reference while it should not
 139    * be used. This timestamp is used to not remove the AS while a race condition
 140    * may happen.
 141    */
 142   u32 last_used;
 143
 144   /**
 145    * The FIB entry index for the next-hop
 146    */
 147   fib_node_index_t next_hop_fib_entry_index;
 148
 149   /**
 150    * The child index on the FIB entry
 151    */
 152   u32 next_hop_child_index;
 153
 154   /**
 155    * The next DPO in the graph to follow.
 156    */
 157   dpo_id_t dpo;
 158
 159 } lb_as_t;
 160
 161 format_function_t format_lb_as;
 162
 163 typedef struct {
 164   u32 as_index;
 165 } lb_new_flow_entry_t;
 166
 167 #define lb_foreach_vip_counter \
 168  _(NEXT_PACKET, "packet from existing sessions", 0) \
 169  _(FIRST_PACKET, "first session packet", 1) \
 170  _(UNTRACKED_PACKET, "untracked packet", 2) \
 171  _(NO_SERVER, "no server configured", 3)
 172
 173 typedef enum {
 174 #define _(a,b,c) LB_VIP_COUNTER_##a = c,
 175   lb_foreach_vip_counter
 176 #undef _
 177   LB_N_VIP_COUNTERS
 178 } lb_vip_counter_t;
 179
 180 typedef enum {
 181   LB_ENCAP_TYPE_GRE4,
 182   LB_ENCAP_TYPE_GRE6,
 183   LB_ENCAP_TYPE_L3DSR,
 184   LB_ENCAP_TYPE_NAT4,
 185   LB_ENCAP_TYPE_NAT6,
 186   LB_ENCAP_N_TYPES,
 187 } lb_encap_type_t;
 188
 189 /**
 190  * The load balancer supports IPv4 and IPv6 traffic
 191  * and GRE4, GRE6, L3DSR and NAT4, NAT6 encap.
 192  */
 193 typedef enum {
 194   LB_VIP_TYPE_IP6_GRE6,
 195   LB_VIP_TYPE_IP6_GRE4,
 196   LB_VIP_TYPE_IP4_GRE6,
 197   LB_VIP_TYPE_IP4_GRE4,
 198   LB_VIP_TYPE_IP4_L3DSR,
 199   LB_VIP_TYPE_IP4_NAT4,
 200   LB_VIP_TYPE_IP6_NAT6,
 201   LB_VIP_N_TYPES,
 202 } lb_vip_type_t;
 203
 204 format_function_t format_lb_vip_type;
 205 unformat_function_t unformat_lb_vip_type;
 206
 207
 208 /* args for different vip encap types */
 209 typedef struct {
 210   union
 211   {
 212     struct
 213     {
 214       /* Service type. clusterip or nodeport */
 215       u8 srv_type;
 216
 217       /* Service port. network byte order */
 218       u16 port;
 219
 220       /* Pod's port corresponding to specific service. network byte order */
 221       u16 target_port;
 222
 223       /* Node's port, can access service via NodeIP:node_port. network byte order */
 224       u16 node_port;
 225     };
 226     /* DSCP bits for L3DSR */
 227     u8 dscp;
 228     u64 as_u64;
 229   };
 230 } lb_vip_encap_args_t;
 231
 232 /**
 233  * Load balancing service is provided per VIP.
 234  * In this data model, a VIP can be a whole prefix.
 235  * But load balancing only
 236  * occurs on a per-source-address/port basis. Meaning that if a given source
 237  * reuses the same port for multiple destinations within the same VIP,
 238  * they will be considered as a single flow.
 239  */
 240 typedef struct {
 241
 242   //Runtime
 243
 244   /**
 245    * Vector mapping (flow-hash & new_connect_table_mask) to AS index.
 246    * This is used for new flows.
 247    */
 248   lb_new_flow_entry_t *new_flow_table;
 249
 250   /**
 251    * New flows table length - 1
 252    * (length MUST be a power of 2)
 253    */
 254   u32 new_flow_table_mask;
 255
 256   /**
 257    * Last time garbage collection was run to free the ASs.
 258    */
 259   u32 last_garbage_collection;
 260
 261   //Not runtime
 262
 263   /**
 264    * A Virtual IP represents a given service delivered
 265    * by a set of application servers. It can be a single
 266    * address or a prefix.
 267    * IPv4 prefixes are encoded using IPv4-in-IPv6 embedded address
 268    * (i.e. ::/96 prefix).
 269    */
 270   ip46_address_t prefix;
 271
 272   /**
 273    * The VIP prefix length.
 274    * In case of IPv4, plen = 96 + ip4_plen.
 275    */
 276   u8 plen;
 277
 278   /**
 279    * The type of traffic for this.
 280    * LB_TYPE_UNDEFINED if unknown.
 281    */
 282   lb_vip_type_t type;
 283
 284   /* args for different vip encap types */
 285   lb_vip_encap_args_t encap_args;
 286
 287   /**
 288    * Flags related to this VIP.
 289    * LB_VIP_FLAGS_USED means the VIP is active.
 290    * When it is not set, the VIP in the process of being removed.
 291    * We cannot immediately remove a VIP because the VIP index still may be stored
 292    * in the adjacency index.
 293    */
 294   u8 flags;
 295 #define LB_VIP_FLAGS_USED 0x1
 296
 297   /**
 298    * Pool of AS indexes used for this VIP.
 299    * This also includes ASs that have been removed (but are still referenced).
 300    */
 301   u32 *as_indexes;
 302 } lb_vip_t;
 303
 304 #define lb_vip_is_ip4(vip) ((vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP4_GRE6 \
 305                             || (vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP4_GRE4 \
 306                             || (vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP4_L3DSR \
 307                             || (vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP4_NAT4 )
 308
 309 #define lb_vip_is_gre4(vip) ((vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP6_GRE4 \
 310                              || (vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP4_GRE4)
 311
 312 #define lb_vip_is_gre6(vip) ((vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP6_GRE6 \
 313                              || (vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP4_GRE6)
 314
 315 #define lb_vip_is_l3dsr(vip) ((vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP4_L3DSR)
 316
 317 #define lb_vip_is_nat4(vip) ((vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP4_NAT4)
 318
 319 #define lb_vip_is_nat6(vip) ((vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP6_NAT6)
 320
 321 #define lb_encap_is_ip4(vip) ((vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP6_GRE4 \
 322                              || (vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP4_GRE4 \
 323                              || (vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP4_L3DSR \
 324                              || (vip)->type == LB_VIP_TYPE_IP4_NAT4 )
 325
 326 format_function_t format_lb_vip;
 327 format_function_t format_lb_vip_detailed;
 328
 329 #define foreach_lb_nat_protocol \
 330   _(UDP, 0, udp, "udp")       \
 331   _(TCP, 1, tcp, "tcp")
 332
 333 typedef enum {
 334 #define _(N, i, n, s) LB_NAT_PROTOCOL_##N = i,
 335   foreach_lb_nat_protocol
 336 #undef _
 337 } lb_nat_protocol_t;
 338
 339 always_inline u32
 340 lb_ip_proto_to_nat_proto (u8 ip_proto)
 341 {
 342   u32 nat_proto = ~0;
 343
 344   nat_proto = (ip_proto == IP_PROTOCOL_UDP) ? LB_NAT_PROTOCOL_UDP : nat_proto;
 345   nat_proto = (ip_proto == IP_PROTOCOL_TCP) ? LB_NAT_PROTOCOL_TCP : nat_proto;
 346
 347   return nat_proto;
 348 }
 349
 350 /* Key for Pod's egress SNAT */
 351 typedef struct {
 352   union
 353   {
 354     struct
 355     {
 356       ip4_address_t addr;
 357       u16 port;
 358       u16 protocol:3,
 359           fib_index:13;
 360     };
 361     u64 as_u64;
 362   };
 363 } lb_snat4_key_t;
 364
 365 typedef struct
 366 {
 367   union
 368   {
 369     struct
 370     {
 371       ip6_address_t addr;
 372       u16 port;
 373       u16 protocol;
 374       u32 fib_index;
 375     };
 376     u64 as_u64[3];
 377   };
 378 } lb_snat6_key_t;
 379
 380 typedef struct {
 381   /**
 382    * for vip + port case, src_ip = vip;
 383    * for node ip + node_port, src_ip = node_ip
 384    */
 385   ip46_address_t src_ip;
 386   ip46_address_t as_ip;
 387   u8 src_ip_is_ipv6;
 388   u8 as_ip_is_ipv6;
 389   /**
 390    * Network byte order
 391    * for vip + port case, src_port = port;
 392    * for node ip + node_port, src_port = node_port
 393    */
 394   u16 src_port;
 395   u16 target_port; /* Network byte order */
 396   u32 vrf_id;
 397   u32 fib_index;
 398 } lb_snat_mapping_t;
 399
 400 typedef struct {
 401   /**
 402    * Each CPU has its own sticky flow hash table.
 403    * One single table is used for all VIPs.
 404    */
 405   lb_hash_t *sticky_ht;
 406 } lb_per_cpu_t;
 407
 408 typedef struct {
 409   /**
 410    * Pool of all Virtual IPs
 411    */
 412   lb_vip_t *vips;
 413
 414   /**
 415    * Pool of ASs.
 416    * ASs are referenced by address and vip index.
 417    * The first element (index 0) is special and used only to fill
 418    * new_flow_tables when no AS has been configured.
 419    */
 420   lb_as_t *ass;
 421
 422   /**
 423    * Each AS has an associated reference counter.
 424    * As ass[0] has a special meaning, its associated counter
 425    * starts at 0 and is decremented instead. i.e. do not use it.
 426    */
 427   vlib_refcount_t as_refcount;
 428
 429   /* hash lookup vip_index by key: {u16: nodeport} */
 430   uword * vip_index_by_nodeport;
 431
 432   /**
 433    * Some global data is per-cpu
 434    */
 435   lb_per_cpu_t *per_cpu;
 436
 437   /**
 438    * Node next index for IP adjacencies, for each of the traffic types.
 439    */
 440   u32 ip_lookup_next_index[LB_VIP_N_TYPES];
 441
 442   /**
 443    * Source address used in IPv6 encapsulated traffic
 444    */
 445   ip6_address_t ip6_src_address;
 446
 447   /**
 448    * Source address used for IPv4 encapsulated traffic
 449    */
 450   ip4_address_t ip4_src_address;
 451
 452   /**
 453    * Number of buckets in the per-cpu sticky hash table.
 454    */
 455   u32 per_cpu_sticky_buckets;
 456
 457   /**
 458    * Flow timeout in seconds.
 459    */
 460   u32 flow_timeout;
 461
 462   /**
 463    * Per VIP counter
 464    */
 465   vlib_simple_counter_main_t vip_counters[LB_N_VIP_COUNTERS];
 466
 467   /**
 468    * DPO used to send packet from IP4/6 lookup to LB node.
 469    */
 470   dpo_type_t dpo_gre4_type;
 471   dpo_type_t dpo_gre6_type;
 472   dpo_type_t dpo_l3dsr_type;
 473   dpo_type_t dpo_nat4_type;
 474   dpo_type_t dpo_nat6_type;
 475
 476   /**
 477    * Node type for registering to fib changes.
 478    */
 479   fib_node_type_t fib_node_type;
 480
 481   /* Find a static mapping by AS IP : target_port */
 482   clib_bihash_8_8_t mapping_by_as4;
 483   clib_bihash_24_8_t mapping_by_as6;
 484
 485   /* Static mapping pool */
 486   lb_snat_mapping_t * snat_mappings;
 487
 488   /**
 489    * API dynamically registered base ID.
 490    */
 491   u16 msg_id_base;
 492
 493   volatile u32 *writer_lock;
 494
 495   /* convenience */
 496   vlib_main_t *vlib_main;
 497   vnet_main_t *vnet_main;
 498 } lb_main_t;
 499
 500 /* args for different vip encap types */
 501 typedef struct {
 502   ip46_address_t prefix;
 503   u8 plen;
 504   lb_vip_type_t type;
 505   u32 new_length;
 506   lb_vip_encap_args_t encap_args;
 507 } lb_vip_add_args_t;
 508
 509 extern lb_main_t lb_main;
 510 extern vlib_node_registration_t lb4_node;
 511 extern vlib_node_registration_t lb6_node;
 512 extern vlib_node_registration_t lb4_nodeport_node;
 513 extern vlib_node_registration_t lb6_nodeport_node;
 514 extern vlib_node_registration_t lb_nat4_in2out_node;
 515 extern vlib_node_registration_t lb_nat6_in2out_node;
 516
 517 /**
 518  * Fix global load-balancer parameters.
 519  * @param ip4_address IPv4 source address used for encapsulated traffic
 520  * @param ip6_address IPv6 source address used for encapsulated traffic
 521  * @return 0 on success. VNET_LB_ERR_XXX on error
 522  */
 523 int lb_conf(ip4_address_t *ip4_address, ip6_address_t *ip6_address,
 524             u32 sticky_buckets, u32 flow_timeout);
 525
 526 int lb_vip_add(lb_vip_add_args_t args, u32 *vip_index);
 527
 528 int lb_vip_del(u32 vip_index);
 529
 530 int lb_vip_find_index(ip46_address_t *prefix, u8 plen, u32 *vip_index);
 531
 532 #define lb_vip_get_by_index(index) (pool_is_free_index(lb_main.vips, index)?NULL:pool_elt_at_index(lb_main.vips, index))
 533
 534 int lb_vip_add_ass(u32 vip_index, ip46_address_t *addresses, u32 n);
 535 int lb_vip_del_ass(u32 vip_index, ip46_address_t *addresses, u32 n);
 536
 537 u32 lb_hash_time_now(vlib_main_t * vm);
 538
 539 void lb_garbage_collection();
 540
 541 int lb_nat4_interface_add_del (u32 sw_if_index, int is_del);
 542 int lb_nat6_interface_add_del (u32 sw_if_index, int is_del);
 543
 544 format_function_t format_lb_main;
 545
 546 #endif /* LB_PLUGIN_LB_LB_H_ */