9334e75927a32bfb105af6d3a5c85f041513129e
[dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l2_forward_real_virtual.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 L2 Forwarding Sample Application (in Real and Virtualized Environments)
32 =======================================================================
33
34 The L2 Forwarding sample application is a simple example of packet processing using
35 the Data Plane Development Kit (DPDK) which
36 also takes advantage of Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) features in a virtualized environment.
37
38 .. note::
39
40     Please note that previously a separate L2 Forwarding in Virtualized Environments sample application was used,
41     however, in later DPDK versions these sample applications have been merged.
42
43 Overview
44 --------
45
46 The L2 Forwarding sample application, which can operate in real and virtualized environments,
47 performs L2 forwarding for each packet that is received on an RX_PORT.
48 The destination port is the adjacent port from the enabled portmask, that is,
49 if the first four ports are enabled (portmask 0xf),
50 ports 1 and 2 forward into each other, and ports 3 and 4 forward into each other.
51 Also, the MAC addresses are affected as follows:
52
53 *   The source MAC address is replaced by the TX_PORT MAC address
54
55 *   The destination MAC address is replaced by  02:00:00:00:00:TX_PORT_ID
56
57 This application can be used to benchmark performance using a traffic-generator, as shown in the :numref:`figure_l2_fwd_benchmark_setup`.
58
59 The application can also be used in a virtualized environment as shown in :numref:`figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup`.
60
61 The L2 Forwarding application can also be used as a starting point for developing a new application based on the DPDK.
62
63 .. _figure_l2_fwd_benchmark_setup:
64
65 .. figure:: img/l2_fwd_benchmark_setup.*
66
67    Performance Benchmark Setup (Basic Environment)
68
69
70 .. _figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup:
71
72 .. figure:: img/l2_fwd_virtenv_benchmark_setup.*
73
74    Performance Benchmark Setup (Virtualized Environment)
75
76
77 Virtual Function Setup Instructions
78 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
79
80 This application can use the virtual function available in the system and
81 therefore can be used in a virtual machine without passing through
82 the whole Network Device into a guest machine in a virtualized scenario.
83 The virtual functions can be enabled in the host machine or the hypervisor with the respective physical function driver.
84
85 For example, in a Linux* host machine, it is possible to enable a virtual function using the following command:
86
87 .. code-block:: console
88
89     modprobe ixgbe max_vfs=2,2
90
91 This command enables two Virtual Functions on each of Physical Function of the NIC,
92 with two physical ports in the PCI configuration space.
93 It is important to note that enabled Virtual Function 0 and 2 would belong to Physical Function 0
94 and Virtual Function 1 and 3 would belong to Physical Function 1,
95 in this case enabling a total of four Virtual Functions.
96
97 Compiling the Application
98 -------------------------
99
100 #.  Go to the example directory:
101
102     .. code-block:: console
103
104         export RTE_SDK=/path/to/rte_sdk cd ${RTE_SDK}/examples/l2fwd
105
106 #.  Set the target (a default target is used if not specified). For example:
107
108     .. code-block:: console
109
110         export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
111
112     *See the DPDK Getting Started Guide* for possible RTE_TARGET values.
113
114 #.  Build the application:
115
116     .. code-block:: console
117
118         make
119
120 Running the Application
121 -----------------------
122
123 The application requires a number of command line options:
124
125 .. code-block:: console
126
127     ./build/l2fwd [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ]
128
129 where,
130
131 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure
132
133 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
134
135 To run the application in linuxapp environment with 4 lcores, 16 ports and 8 RX queues per lcore, issue the command:
136
137 .. code-block:: console
138
139     $ ./build/l2fwd -c f -n 4 -- -q 8 -p ffff
140
141 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
142 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
143
144 Explanation
145 -----------
146
147 The following sections provide some explanation of the code.
148
149 Command Line Arguments
150 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
151
152 The L2 Forwarding sample application takes specific parameters,
153 in addition to Environment Abstraction Layer (EAL) arguments (see Section 9.3).
154 The preferred way to parse parameters is to use the getopt() function,
155 since it is part of a well-defined and portable library.
156
157 The parsing of arguments is done in the l2fwd_parse_args() function.
158 The method of argument parsing is not described here.
159 Refer to the *glibc getopt(3)* man page for details.
160
161 EAL arguments are parsed first, then application-specific arguments.
162 This is done at the beginning of the main() function:
163
164 .. code-block:: c
165
166     /* init EAL */
167
168     ret = rte_eal_init(argc, argv);
169     if (ret < 0)
170         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL arguments\n");
171
172     argc -= ret;
173     argv += ret;
174
175     /* parse application arguments (after the EAL ones) */
176
177     ret = l2fwd_parse_args(argc, argv);
178     if (ret < 0)
179         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid L2FWD arguments\n");
180
181 Mbuf Pool Initialization
182 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
183
184 Once the arguments are parsed, the mbuf pool is created.
185 The mbuf pool contains a set of mbuf objects that will be used by the driver
186 and the application to store network packet data:
187
188 .. code-block:: c
189
190     /* create the mbuf pool */
191
192     l2fwd_pktmbuf_pool = rte_mempool_create("mbuf_pool", NB_MBUF, MBUF_SIZE, 32, sizeof(struct rte_pktmbuf_pool_private),
193         rte_pktmbuf_pool_init, NULL, rte_pktmbuf_init, NULL, SOCKET0, 0);
194
195     if (l2fwd_pktmbuf_pool == NULL)
196         rte_panic("Cannot init mbuf pool\n");
197
198 The rte_mempool is a generic structure used to handle pools of objects.
199 In this case, it is necessary to create a pool that will be used by the driver,
200 which expects to have some reserved space in the mempool structure,
201 sizeof(struct rte_pktmbuf_pool_private) bytes.
202 The number of allocated pkt mbufs is NB_MBUF, with a size of MBUF_SIZE each.
203 A per-lcore cache of 32 mbufs is kept.
204 The memory is allocated in NUMA socket 0,
205 but it is possible to extend this code to allocate one mbuf pool per socket.
206
207 Two callback pointers are also given to the rte_mempool_create() function:
208
209 *   The first callback pointer is to rte_pktmbuf_pool_init() and is used
210     to initialize the private data of the mempool, which is needed by the driver.
211     This function is provided by the mbuf API, but can be copied and extended by the developer.
212
213 *   The second callback pointer given to rte_mempool_create() is the mbuf initializer.
214     The default is used, that is, rte_pktmbuf_init(), which is provided in the rte_mbuf library.
215     If a more complex application wants to extend the rte_pktmbuf structure for its own needs,
216     a new function derived from rte_pktmbuf_init( ) can be created.
217
218 Driver Initialization
219 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
220
221 The main part of the code in the main() function relates to the initialization of the driver.
222 To fully understand this code, it is recommended to study the chapters that related to the Poll Mode Driver
223 in the *DPDK Programmer's Guide* - Rel 1.4 EAR and the *DPDK API Reference*.
224
225 .. code-block:: c
226
227     if (rte_eal_pci_probe() < 0)
228         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot probe PCI\n");
229
230     nb_ports = rte_eth_dev_count();
231
232     if (nb_ports == 0)
233         rte_exit(EXIT_FAILURE, "No Ethernet ports - bye\n");
234
235     if (nb_ports > RTE_MAX_ETHPORTS)
236         nb_ports = RTE_MAX_ETHPORTS;
237
238     /* reset l2fwd_dst_ports */
239
240     for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++)
241         l2fwd_dst_ports[portid] = 0;
242
243     last_port = 0;
244
245     /*
246      * Each logical core is assigned a dedicated TX queue on each port.
247      */
248
249     for (portid = 0; portid < nb_ports; portid++) {
250         /* skip ports that are not enabled */
251
252         if ((l2fwd_enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
253            continue;
254
255         if (nb_ports_in_mask % 2) {
256             l2fwd_dst_ports[portid] = last_port;
257             l2fwd_dst_ports[last_port] = portid;
258         }
259         else
260            last_port = portid;
261
262         nb_ports_in_mask++;
263
264         rte_eth_dev_info_get((uint8_t) portid, &dev_info);
265     }
266
267 Observe that:
268
269 *   rte_igb_pmd_init_all() simultaneously registers the driver as a PCI driver and as an Ethernet* Poll Mode Driver.
270
271 *   rte_eal_pci_probe() parses the devices on the PCI bus and initializes recognized devices.
272
273 The next step is to configure the RX and TX queues.
274 For each port, there is only one RX queue (only one lcore is able to poll a given port).
275 The number of TX queues depends on the number of available lcores.
276 The rte_eth_dev_configure() function is used to configure the number of queues for a port:
277
278 .. code-block:: c
279
280     ret = rte_eth_dev_configure((uint8_t)portid, 1, 1, &port_conf);
281     if (ret < 0)
282         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot configure device: "
283             "err=%d, port=%u\n",
284             ret, portid);
285
286 The global configuration is stored in a static structure:
287
288 .. code-block:: c
289
290     static const struct rte_eth_conf port_conf = {
291         .rxmode = {
292             .split_hdr_size = 0,
293             .header_split = 0,   /**< Header Split disabled */
294             .hw_ip_checksum = 0, /**< IP checksum offload disabled */
295             .hw_vlan_filter = 0, /**< VLAN filtering disabled */
296             .jumbo_frame = 0,    /**< Jumbo Frame Support disabled */
297             .hw_strip_crc= 0,    /**< CRC stripped by hardware */
298         },
299
300         .txmode = {
301             .mq_mode = ETH_DCB_NONE
302         },
303     };
304
305 RX Queue Initialization
306 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
307
308 The application uses one lcore to poll one or several ports, depending on the -q option,
309 which specifies the number of queues per lcore.
310
311 For example, if the user specifies -q 4, the application is able to poll four ports with one lcore.
312 If there are 16 ports on the target (and if the portmask argument is -p ffff ),
313 the application will need four lcores to poll all the ports.
314
315 .. code-block:: c
316
317     ret = rte_eth_rx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_rxd, SOCKET0, &rx_conf, l2fwd_pktmbuf_pool);
318     if (ret < 0)
319
320         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_rx_queue_setup: "
321             "err=%d, port=%u\n",
322             ret, portid);
323
324 The list of queues that must be polled for a given lcore is stored in a private structure called struct lcore_queue_conf.
325
326 .. code-block:: c
327
328     struct lcore_queue_conf {
329         unsigned n_rx_port;
330         unsigned rx_port_list[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
331         struct mbuf_table tx_mbufs[L2FWD_MAX_PORTS];
332     } rte_cache_aligned;
333
334     struct lcore_queue_conf lcore_queue_conf[RTE_MAX_LCORE];
335
336 The values n_rx_port and rx_port_list[] are used in the main packet processing loop
337 (see Section 9.4.6 "Receive, Process and Transmit Packets" later in this chapter).
338
339 The global configuration for the RX queues is stored in a static structure:
340
341 .. code-block:: c
342
343     static const struct rte_eth_rxconf rx_conf = {
344         .rx_thresh = {
345             .pthresh = RX_PTHRESH,
346             .hthresh = RX_HTHRESH,
347             .wthresh = RX_WTHRESH,
348         },
349     };
350
351 TX Queue Initialization
352 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
353
354 Each lcore should be able to transmit on any port. For every port, a single TX queue is initialized.
355
356 .. code-block:: c
357
358     /* init one TX queue on each port */
359
360     fflush(stdout);
361
362     ret = rte_eth_tx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_txd, rte_eth_dev_socket_id(portid), &tx_conf);
363     if (ret < 0)
364         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_tx_queue_setup:err=%d, port=%u\n", ret, (unsigned) portid);
365
366 The global configuration for TX queues is stored in a static structure:
367
368 .. code-block:: c
369
370     static const struct rte_eth_txconf tx_conf = {
371         .tx_thresh = {
372             .pthresh = TX_PTHRESH,
373             .hthresh = TX_HTHRESH,
374             .wthresh = TX_WTHRESH,
375         },
376         .tx_free_thresh = RTE_TEST_TX_DESC_DEFAULT + 1, /* disable feature */
377     };
378
379 Receive, Process and Transmit Packets
380 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
381
382 In the l2fwd_main_loop() function, the main task is to read ingress packets from the RX queues.
383 This is done using the following code:
384
385 .. code-block:: c
386
387     /*
388      * Read packet from RX queues
389      */
390
391     for (i = 0; i < qconf->n_rx_port; i++) {
392         portid = qconf->rx_port_list[i];
393         nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0,  pkts_burst, MAX_PKT_BURST);
394
395         for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
396             m = pkts_burst[j];
397             rte_prefetch0[rte_pktmbuf_mtod(m, void *)); l2fwd_simple_forward(m, portid);
398         }
399     }
400
401 Packets are read in a burst of size MAX_PKT_BURST.
402 The rte_eth_rx_burst() function writes the mbuf pointers in a local table and returns the number of available mbufs in the table.
403
404 Then, each mbuf in the table is processed by the l2fwd_simple_forward() function.
405 The processing is very simple: process the TX port from the RX port, then replace the source and destination MAC addresses.
406
407 .. note::
408
409     In the following code, one line for getting the output port requires some explanation.
410
411 During the initialization process, a static array of destination ports (l2fwd_dst_ports[]) is filled such that for each source port,
412 a destination port is assigned that is either the next or previous enabled port from the portmask.
413 Naturally, the number of ports in the portmask must be even, otherwise, the application exits.
414
415 .. code-block:: c
416
417     static void
418     l2fwd_simple_forward(struct rte_mbuf *m, unsigned portid)
419     {
420         struct ether_hdr *eth;
421         void *tmp;
422         unsigned dst_port;
423
424         dst_port = l2fwd_dst_ports[portid];
425
426         eth = rte_pktmbuf_mtod(m, struct ether_hdr *);
427
428         /* 02:00:00:00:00:xx */
429
430         tmp = &eth->d_addr.addr_bytes[0];
431
432         *((uint64_t *)tmp) = 0x000000000002 + ((uint64_t) dst_port << 40);
433
434         /* src addr */
435
436         ether_addr_copy(&l2fwd_ports_eth_addr[dst_port], &eth->s_addr);
437
438         l2fwd_send_packet(m, (uint8_t) dst_port);
439     }
440
441 Then, the packet is sent using the l2fwd_send_packet (m, dst_port) function.
442 For this test application, the processing is exactly the same for all packets arriving on the same RX port.
443 Therefore, it would have been possible to call the l2fwd_send_burst() function directly from the main loop
444 to send all the received packets on the same TX port,
445 using the burst-oriented send function, which is more efficient.
446
447 However, in real-life applications (such as, L3 routing),
448 packet N is not necessarily forwarded on the same port as packet N-1.
449 The application is implemented to illustrate that, so the same approach can be reused in a more complex application.
450
451 The l2fwd_send_packet() function stores the packet in a per-lcore and per-txport table.
452 If the table is full, the whole packets table is transmitted using the l2fwd_send_burst() function:
453
454 .. code-block:: c
455
456     /* Send the packet on an output interface */
457
458     static int
459     l2fwd_send_packet(struct rte_mbuf *m, uint8_t port)
460     {
461         unsigned lcore_id, len;
462         struct lcore_queue_conf \*qconf;
463
464         lcore_id = rte_lcore_id();
465         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
466         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
467         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
468         len++;
469
470         /* enough pkts to be sent */
471
472         if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) {
473             l2fwd_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
474             len = 0;
475         }
476
477         qconf->tx_mbufs[port].len = len; return 0;
478     }
479
480 To ensure that no packets remain in the tables, each lcore does a draining of TX queue in its main loop.
481 This technique introduces some latency when there are not many packets to send,
482 however it improves performance:
483
484 .. code-block:: c
485
486     cur_tsc = rte_rdtsc();
487
488     /*
489      *   TX burst queue drain
490      */
491
492     diff_tsc = cur_tsc - prev_tsc;
493
494     if (unlikely(diff_tsc > drain_tsc)) {
495         for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++) {
496             if (qconf->tx_mbufs[portid].len == 0)
497                 continue;
498
499             l2fwd_send_burst(&lcore_queue_conf[lcore_id], qconf->tx_mbufs[portid].len, (uint8_t) portid);
500
501             qconf->tx_mbufs[portid].len = 0;
502         }
503
504         /* if timer is enabled */
505
506         if (timer_period > 0) {
507             /* advance the timer */
508
509             timer_tsc += diff_tsc;
510
511             /* if timer has reached its timeout */
512
513             if (unlikely(timer_tsc >= (uint64_t) timer_period)) {
514                 /* do this only on master core */
515
516                 if (lcore_id == rte_get_master_lcore()) {
517                     print_stats();
518
519                     /* reset the timer */
520                     timer_tsc = 0;
521                 }
522             }
523         }
524
525         prev_tsc = cur_tsc;
526     }