70ce4974df87e440608358a711caf7d0bccb4b29
[dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / vhost_lib.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2016 Intel Corporation.
3
4 Vhost Library
5 =============
6
7 The vhost library implements a user space virtio net server allowing the user
8 to manipulate the virtio ring directly. In another words, it allows the user
9 to fetch/put packets from/to the VM virtio net device. To achieve this, a
10 vhost library should be able to:
11
12 * Access the guest memory:
13
14   For QEMU, this is done by using the ``-object memory-backend-file,share=on,...``
15   option. Which means QEMU will create a file to serve as the guest RAM.
16   The ``share=on`` option allows another process to map that file, which
17   means it can access the guest RAM.
18
19 * Know all the necessary information about the vring:
20
21   Information such as where the available ring is stored. Vhost defines some
22   messages (passed through a Unix domain socket file) to tell the backend all
23   the information it needs to know how to manipulate the vring.
24
25
26 Vhost API Overview
27 ------------------
28
29 The following is an overview of some key Vhost API functions:
30
31 * ``rte_vhost_driver_register(path, flags)``
32
33   This function registers a vhost driver into the system. ``path`` specifies
34   the Unix domain socket file path.
35
36   Currently supported flags are:
37
38   - ``RTE_VHOST_USER_CLIENT``
39
40     DPDK vhost-user will act as the client when this flag is given. See below
41     for an explanation.
42
43   - ``RTE_VHOST_USER_NO_RECONNECT``
44
45     When DPDK vhost-user acts as the client it will keep trying to reconnect
46     to the server (QEMU) until it succeeds. This is useful in two cases:
47
48     * When QEMU is not started yet.
49     * When QEMU restarts (for example due to a guest OS reboot).
50
51     This reconnect option is enabled by default. However, it can be turned off
52     by setting this flag.
53
54   - ``RTE_VHOST_USER_IOMMU_SUPPORT``
55
56     IOMMU support will be enabled when this flag is set. It is disabled by
57     default.
58
59     Enabling this flag makes possible to use guest vIOMMU to protect vhost
60     from accessing memory the virtio device isn't allowed to, when the feature
61     is negotiated and an IOMMU device is declared.
62
63   - ``RTE_VHOST_USER_POSTCOPY_SUPPORT``
64
65     Postcopy live-migration support will be enabled when this flag is set.
66     It is disabled by default.
67
68     Enabling this flag should only be done when the calling application does
69     not pre-fault the guest shared memory, otherwise migration would fail.
70
71   - ``RTE_VHOST_USER_LINEARBUF_SUPPORT``
72
73     Enabling this flag forces vhost dequeue function to only provide linear
74     pktmbuf (no multi-segmented pktmbuf).
75
76     The vhost library by default provides a single pktmbuf for given a
77     packet, but if for some reason the data doesn't fit into a single
78     pktmbuf (e.g., TSO is enabled), the library will allocate additional
79     pktmbufs from the same mempool and chain them together to create a
80     multi-segmented pktmbuf.
81
82     However, the vhost application needs to support multi-segmented format.
83     If the vhost application does not support that format and requires large
84     buffers to be dequeue, this flag should be enabled to force only linear
85     buffers (see RTE_VHOST_USER_EXTBUF_SUPPORT) or drop the packet.
86
87     It is disabled by default.
88
89   - ``RTE_VHOST_USER_EXTBUF_SUPPORT``
90
91     Enabling this flag allows vhost dequeue function to allocate and attach
92     an external buffer to a pktmbuf if the pkmbuf doesn't provide enough
93     space to store all data.
94
95     This is useful when the vhost application wants to support large packets
96     but doesn't want to increase the default mempool object size nor to
97     support multi-segmented mbufs (non-linear). In this case, a fresh buffer
98     is allocated using rte_malloc() which gets attached to a pktmbuf using
99     rte_pktmbuf_attach_extbuf().
100
101     See RTE_VHOST_USER_LINEARBUF_SUPPORT as well to disable multi-segmented
102     mbufs for application that doesn't support chained mbufs.
103
104     It is disabled by default.
105
106   - ``RTE_VHOST_USER_ASYNC_COPY``
107
108     Asynchronous data path will be enabled when this flag is set. Async data
109     path allows applications to register async copy devices (typically
110     hardware DMA channels) to the vhost queues. Vhost leverages the copy
111     device registered to free CPU from memory copy operations. A set of
112     async data path APIs are defined for DPDK applications to make use of
113     the async capability. Only packets enqueued/dequeued by async APIs are
114     processed through the async data path.
115
116     Currently this feature is only implemented on split ring enqueue data
117     path.
118
119     It is disabled by default.
120
121   - ``RTE_VHOST_USER_NET_COMPLIANT_OL_FLAGS``
122
123     Since v16.04, the vhost library forwards checksum and gso requests for
124     packets received from a virtio driver by filling Tx offload metadata in
125     the mbuf. This behavior is inconsistent with other drivers but it is left
126     untouched for existing applications that might rely on it.
127
128     This flag disables the legacy behavior and instead ask vhost to simply
129     populate Rx offload metadata in the mbuf.
130
131     It is disabled by default.
132
133 * ``rte_vhost_driver_set_features(path, features)``
134
135   This function sets the feature bits the vhost-user driver supports. The
136   vhost-user driver could be vhost-user net, yet it could be something else,
137   say, vhost-user SCSI.
138
139 * ``rte_vhost_driver_callback_register(path, vhost_device_ops)``
140
141   This function registers a set of callbacks, to let DPDK applications take
142   the appropriate action when some events happen. The following events are
143   currently supported:
144
145   * ``new_device(int vid)``
146
147     This callback is invoked when a virtio device becomes ready. ``vid``
148     is the vhost device ID.
149
150   * ``destroy_device(int vid)``
151
152     This callback is invoked when a virtio device is paused or shut down.
153
154   * ``vring_state_changed(int vid, uint16_t queue_id, int enable)``
155
156     This callback is invoked when a specific queue's state is changed, for
157     example to enabled or disabled.
158
159   * ``features_changed(int vid, uint64_t features)``
160
161     This callback is invoked when the features is changed. For example,
162     ``VHOST_F_LOG_ALL`` will be set/cleared at the start/end of live
163     migration, respectively.
164
165   * ``new_connection(int vid)``
166
167     This callback is invoked on new vhost-user socket connection. If DPDK
168     acts as the server the device should not be deleted before
169     ``destroy_connection`` callback is received.
170
171   * ``destroy_connection(int vid)``
172
173     This callback is invoked when vhost-user socket connection is closed.
174     It indicates that device with id ``vid`` is no longer in use and can be
175     safely deleted.
176
177 * ``rte_vhost_driver_disable/enable_features(path, features))``
178
179   This function disables/enables some features. For example, it can be used to
180   disable mergeable buffers and TSO features, which both are enabled by
181   default.
182
183 * ``rte_vhost_driver_start(path)``
184
185   This function triggers the vhost-user negotiation. It should be invoked at
186   the end of initializing a vhost-user driver.
187
188 * ``rte_vhost_enqueue_burst(vid, queue_id, pkts, count)``
189
190   Transmits (enqueues) ``count`` packets from host to guest.
191
192 * ``rte_vhost_dequeue_burst(vid, queue_id, mbuf_pool, pkts, count)``
193
194   Receives (dequeues) ``count`` packets from guest, and stored them at ``pkts``.
195
196 * ``rte_vhost_crypto_create(vid, cryptodev_id, sess_mempool, socket_id)``
197
198   As an extension of new_device(), this function adds virtio-crypto workload
199   acceleration capability to the device. All crypto workload is processed by
200   DPDK cryptodev with the device ID of ``cryptodev_id``.
201
202 * ``rte_vhost_crypto_free(vid)``
203
204   Frees the memory and vhost-user message handlers created in
205   rte_vhost_crypto_create().
206
207 * ``rte_vhost_crypto_fetch_requests(vid, queue_id, ops, nb_ops)``
208
209   Receives (dequeues) ``nb_ops`` virtio-crypto requests from guest, parses
210   them to DPDK Crypto Operations, and fills the ``ops`` with parsing results.
211
212 * ``rte_vhost_crypto_finalize_requests(queue_id, ops, nb_ops)``
213
214   After the ``ops`` are dequeued from Cryptodev, finalizes the jobs and
215   notifies the guest(s).
216
217 * ``rte_vhost_crypto_set_zero_copy(vid, option)``
218
219   Enable or disable zero copy feature of the vhost crypto backend.
220
221 * ``rte_vhost_async_channel_register(vid, queue_id, config, ops)``
222
223   Register an async copy device channel for a vhost queue after vring
224   is enabled. Following device ``config`` must be specified together
225   with the registration:
226
227   * ``features``
228
229     This field is used to specify async copy device features.
230
231     ``RTE_VHOST_ASYNC_INORDER`` represents the async copy device can
232     guarantee the order of copy completion is the same as the order
233     of copy submission.
234
235     Currently, only ``RTE_VHOST_ASYNC_INORDER`` capable device is
236     supported by vhost.
237
238   * ``async_threshold``
239
240     The copy length (in bytes) below which CPU copy will be used even if
241     applications call async vhost APIs to enqueue/dequeue data.
242
243     Typical value is 256~1024 depending on the async device capability.
244
245   Applications must provide following ``ops`` callbacks for vhost lib to
246   work with the async copy devices:
247
248   * ``transfer_data(vid, queue_id, descs, opaque_data, count)``
249
250     vhost invokes this function to submit copy data to the async devices.
251     For non-async_inorder capable devices, ``opaque_data`` could be used
252     for identifying the completed packets.
253
254   * ``check_completed_copies(vid, queue_id, opaque_data, max_packets)``
255
256     vhost invokes this function to get the copy data completed by async
257     devices.
258
259 * ``rte_vhost_async_channel_register_thread_unsafe(vid, queue_id, config, ops)``
260
261   Register an async copy device channel for a vhost queue without
262   performing any locking.
263
264   This function is only safe to call in vhost callback functions
265   (i.e., struct vhost_device_ops).
266
267 * ``rte_vhost_async_channel_unregister(vid, queue_id)``
268
269   Unregister the async copy device channel from a vhost queue.
270   Unregistration will fail, if the vhost queue has in-flight
271   packets that are not completed.
272
273   Unregister async copy devices in vring_state_changed() may
274   fail, as this API tries to acquire the spinlock of vhost
275   queue. The recommended way is to unregister async copy
276   devices for all vhost queues in destroy_device(), when a
277   virtio device is paused or shut down.
278
279 * ``rte_vhost_async_channel_unregister_thread_unsafe(vid, queue_id)``
280
281   Unregister the async copy device channel for a vhost queue without
282   performing any locking.
283
284   This function is only safe to call in vhost callback functions
285   (i.e., struct vhost_device_ops).
286
287 * ``rte_vhost_submit_enqueue_burst(vid, queue_id, pkts, count, comp_pkts, comp_count)``
288
289   Submit an enqueue request to transmit ``count`` packets from host to guest
290   by async data path. Successfully enqueued packets can be transfer completed
291   or being occupied by DMA engines; transfer completed packets are returned in
292   ``comp_pkts``, but others are not guaranteed to finish, when this API
293   call returns.
294
295   Applications must not free the packets submitted for enqueue until the
296   packets are completed.
297
298 * ``rte_vhost_poll_enqueue_completed(vid, queue_id, pkts, count)``
299
300   Poll enqueue completion status from async data path. Completed packets
301   are returned to applications through ``pkts``.
302
303 * ``rte_vhost_async_get_inflight(vid, queue_id)``
304
305   This function returns the amount of in-flight packets for the vhost
306   queue using async acceleration.
307
308 Vhost-user Implementations
309 --------------------------
310
311 Vhost-user uses Unix domain sockets for passing messages. This means the DPDK
312 vhost-user implementation has two options:
313
314 * DPDK vhost-user acts as the server.
315
316   DPDK will create a Unix domain socket server file and listen for
317   connections from the frontend.
318
319   Note, this is the default mode, and the only mode before DPDK v16.07.
320
321
322 * DPDK vhost-user acts as the client.
323
324   Unlike the server mode, this mode doesn't create the socket file;
325   it just tries to connect to the server (which responses to create the
326   file instead).
327
328   When the DPDK vhost-user application restarts, DPDK vhost-user will try to
329   connect to the server again. This is how the "reconnect" feature works.
330
331   .. Note::
332      * The "reconnect" feature requires **QEMU v2.7** (or above).
333
334      * The vhost supported features must be exactly the same before and
335        after the restart. For example, if TSO is disabled and then enabled,
336        nothing will work and issues undefined might happen.
337
338 No matter which mode is used, once a connection is established, DPDK
339 vhost-user will start receiving and processing vhost messages from QEMU.
340
341 For messages with a file descriptor, the file descriptor can be used directly
342 in the vhost process as it is already installed by the Unix domain socket.
343
344 The supported vhost messages are:
345
346 * ``VHOST_SET_MEM_TABLE``
347 * ``VHOST_SET_VRING_KICK``
348 * ``VHOST_SET_VRING_CALL``
349 * ``VHOST_SET_LOG_FD``
350 * ``VHOST_SET_VRING_ERR``
351
352 For ``VHOST_SET_MEM_TABLE`` message, QEMU will send information for each
353 memory region and its file descriptor in the ancillary data of the message.
354 The file descriptor is used to map that region.
355
356 ``VHOST_SET_VRING_KICK`` is used as the signal to put the vhost device into
357 the data plane, and ``VHOST_GET_VRING_BASE`` is used as the signal to remove
358 the vhost device from the data plane.
359
360 When the socket connection is closed, vhost will destroy the device.
361
362 Guest memory requirement
363 ------------------------
364
365 * Memory pre-allocation
366
367   For non-async data path, guest memory pre-allocation is not a
368   must. This can help save of memory. If users really want the guest memory
369   to be pre-allocated (e.g., for performance reason), we can add option
370   ``-mem-prealloc`` when starting QEMU. Or, we can lock all memory at vhost
371   side which will force memory to be allocated when mmap at vhost side;
372   option --mlockall in ovs-dpdk is an example in hand.
373
374   For async data path, we force the VM memory to be pre-allocated at vhost
375   lib when mapping the guest memory; and also we need to lock the memory to
376   prevent pages being swapped out to disk.
377
378 * Memory sharing
379
380   Make sure ``share=on`` QEMU option is given. vhost-user will not work with
381   a QEMU version without shared memory mapping.
382
383 Vhost supported vSwitch reference
384 ---------------------------------
385
386 For more vhost details and how to support vhost in vSwitch, please refer to
387 the vhost example in the DPDK Sample Applications Guide.
388
389 Vhost data path acceleration (vDPA)
390 -----------------------------------
391
392 vDPA supports selective datapath in vhost-user lib by enabling virtio ring
393 compatible devices to serve virtio driver directly for datapath acceleration.
394
395 ``rte_vhost_driver_attach_vdpa_device`` is used to configure the vhost device
396 with accelerated backend.
397
398 Also vhost device capabilities are made configurable to adopt various devices.
399 Such capabilities include supported features, protocol features, queue number.
400
401 Finally, a set of device ops is defined for device specific operations:
402
403 * ``get_queue_num``
404
405   Called to get supported queue number of the device.
406
407 * ``get_features``
408
409   Called to get supported features of the device.
410
411 * ``get_protocol_features``
412
413   Called to get supported protocol features of the device.
414
415 * ``dev_conf``
416
417   Called to configure the actual device when the virtio device becomes ready.
418
419 * ``dev_close``
420
421   Called to close the actual device when the virtio device is stopped.
422
423 * ``set_vring_state``
424
425   Called to change the state of the vring in the actual device when vring state
426   changes.
427
428 * ``set_features``
429
430   Called to set the negotiated features to device.
431
432 * ``migration_done``
433
434   Called to allow the device to response to RARP sending.
435
436 * ``get_vfio_group_fd``
437
438    Called to get the VFIO group fd of the device.
439
440 * ``get_vfio_device_fd``
441
442   Called to get the VFIO device fd of the device.
443
444 * ``get_notify_area``
445
446   Called to get the notify area info of the queue.