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[dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l3_forward.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation.
3
4 L3 Forwarding Sample Application
5 ================================
6
7 The L3 Forwarding application is a simple example of packet processing using
8 DPDK to demonstrate usage of poll and event mode packet I/O mechanism.
9 The application performs L3 forwarding.
10
11 Overview
12 --------
13
14 The application demonstrates the use of the hash and LPM libraries in the DPDK
15 to implement packet forwarding using poll or event mode PMDs for packet I/O.
16 The initialization and run-time paths are very similar to those of the
17 :doc:`l2_forward_real_virtual` and :doc:`l2_forward_event`.
18 The main difference from the L2 Forwarding sample application is that optionally
19 packet can be Rx/Tx from/to eventdev instead of port directly and forwarding
20 decision is made based on information read from the input packet.
21
22 Eventdev can optionally use S/W or H/W (if supported by platform) scheduler
23 implementation for packet I/O based on run time parameters.
24
25 The lookup method is either hash-based or LPM-based and is selected at run time. When the selected lookup method is hash-based,
26 a hash object is used to emulate the flow classification stage.
27 The hash object is used in correlation with a flow table to map each input packet to its flow at runtime.
28
29 The hash lookup key is represented by a DiffServ 5-tuple composed of the following fields read from the input packet:
30 Source IP Address, Destination IP Address, Protocol, Source Port and Destination Port.
31 The ID of the output interface for the input packet is read from the identified flow table entry.
32 The set of flows used by the application is statically configured and loaded into the hash at initialization time.
33 When the selected lookup method is LPM based, an LPM object is used to emulate the forwarding stage for IPv4 packets.
34 The LPM object is used as the routing table to identify the next hop for each input packet at runtime.
35
36 The LPM lookup key is represented by the Destination IP Address field read from the input packet.
37 The ID of the output interface for the input packet is the next hop returned by the LPM lookup.
38 The set of LPM rules used by the application is statically configured and loaded into the LPM object at initialization time.
39
40 In the sample application, hash-based forwarding supports IPv4 and IPv6. LPM-based forwarding supports IPv4 only.
41
42 Compiling the Application
43 -------------------------
44
45 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
46
47 The application is located in the ``l3fwd`` sub-directory.
48
49 Running the Application
50 -----------------------
51
52 The application has a number of command line options::
53
54     ./l3fwd [EAL options] -- -p PORTMASK
55                              [-P]
56                              [-E]
57                              [-L]
58                              --config(port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]
59                              [--eth-dest=X,MM:MM:MM:MM:MM:MM]
60                              [--enable-jumbo [--max-pkt-len PKTLEN]]
61                              [--no-numa]
62                              [--hash-entry-num]
63                              [--ipv6]
64                              [--parse-ptype]
65                              [--per-port-pool]
66                              [--mode]
67                              [--eventq-sched]
68                              [--event-eth-rxqs]
69
70 Where,
71
72 * ``-p PORTMASK:`` Hexadecimal bitmask of ports to configure
73
74 * ``-P:`` Optional, sets all ports to promiscuous mode so that packets are accepted regardless of the packet's Ethernet MAC destination address.
75   Without this option, only packets with the Ethernet MAC destination address set to the Ethernet address of the port are accepted.
76
77 * ``-E:`` Optional, enable exact match.
78
79 * ``-L:`` Optional, enable longest prefix match.
80
81 * ``--config (port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]:`` Determines which queues from which ports are mapped to which cores.
82
83 * ``--eth-dest=X,MM:MM:MM:MM:MM:MM:`` Optional, ethernet destination for port X.
84
85 * ``--enable-jumbo:`` Optional, enables jumbo frames.
86
87 * ``--max-pkt-len:`` Optional, under the premise of enabling jumbo, maximum packet length in decimal (64-9600).
88
89 * ``--no-numa:`` Optional, disables numa awareness.
90
91 * ``--hash-entry-num:`` Optional, specifies the hash entry number in hexadecimal to be setup.
92
93 * ``--ipv6:`` Optional, set if running ipv6 packets.
94
95 * ``--parse-ptype:`` Optional, set to use software to analyze packet type. Without this option, hardware will check the packet type.
96
97 * ``--per-port-pool:`` Optional, set to use independent buffer pools per port. Without this option, single buffer pool is used for all ports.
98
99 * ``--mode:`` Optional, Packet transfer mode for I/O, poll or eventdev.
100
101 * ``--eventq-sched:`` Optional, Event queue synchronization method, Ordered, Atomic or Parallel. Only valid if --mode=eventdev.
102
103 * ``--event-eth-rxqs:`` Optional, Number of ethernet RX queues per device. Only valid if --mode=eventdev.
104
105
106 For example, consider a dual processor socket platform with 8 physical cores, where cores 0-7 and 16-23 appear on socket 0,
107 while cores 8-15 and 24-31 appear on socket 1.
108
109 To enable L3 forwarding between two ports, assuming that both ports are in the same socket, using two cores, cores 1 and 2,
110 (which are in the same socket too), use the following command:
111
112 .. code-block:: console
113
114     ./build/l3fwd -l 1,2 -n 4 -- -p 0x3 --config="(0,0,1),(1,0,2)"
115
116 In this command:
117
118 *   The -l option enables cores 1, 2
119
120 *   The -p option enables ports 0 and 1
121
122 *   The --config option enables one queue on each port and maps each (port,queue) pair to a specific core.
123     The following table shows the mapping in this example:
124
125 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
126 | **Port** | **Queue** | **lcore** | **Description**                     |
127 |          |           |           |                                     |
128 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
129 | 0        | 0         | 1         | Map queue 0 from port 0 to lcore 1. |
130 |          |           |           |                                     |
131 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
132 | 1        | 0         | 2         | Map queue 0 from port 1 to lcore 2. |
133 |          |           |           |                                     |
134 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
135
136 To use eventdev mode with sync method **ordered** on above mentioned environment,
137 Following is the sample command:
138
139 .. code-block:: console
140
141     ./build/l3fwd -l 0-3 -n 4 -w <event device> -- -p 0x3 --eventq-sched=ordered
142
143 or
144
145 .. code-block:: console
146
147     ./build/l3fwd -l 0-3 -n 4 -w <event device> -- -p 0x03 --mode=eventdev --eventq-sched=ordered
148
149 In this command:
150
151 *   -w option whitelist the event device supported by platform. Way to pass this device may vary based on platform.
152
153 *   The --mode option defines PMD to be used for packet I/O.
154
155 *   The --eventq-sched option enables synchronization menthod of event queue so that packets will be scheduled accordingly.
156
157 If application uses S/W scheduler, it uses following DPDK services:
158
159 *   Software scheduler
160 *   Rx adapter service function
161 *   Tx adapter service function
162
163 Application needs service cores to run above mentioned services. Service cores
164 must be provided as EAL parameters along with the --vdev=event_sw0 to enable S/W
165 scheduler. Following is the sample command:
166
167 .. code-block:: console
168
169     ./build/l3fwd -l 0-7 -s 0-3 -n 4 --vdev event_sw0 -- -p 0x3 --mode=eventdev --eventq-sched=ordered
170
171 In case of eventdev mode, *--config* option is not used for ethernet port
172 configuration. Instead each ethernet port will be configured with mentioned
173 setup:
174
175 *   Single Rx/Tx queue
176
177 *   Each Rx queue will be connected to event queue via Rx adapter.
178
179 *   Each Tx queue will be connected via Tx adapter.
180
181 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications and
182 the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
183
184 .. _l3_fwd_explanation:
185
186 Explanation
187 -----------
188
189 The following sections provide some explanation of the sample application code. As mentioned in the overview section,
190 the initialization and run-time paths are very similar to those of the :doc:`l2_forward_real_virtual` and :doc:`l2_forward_event`.
191 The following sections describe aspects that are specific to the L3 Forwarding sample application.
192
193 Hash Initialization
194 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
195
196 The hash object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array,
197 and then generate the expected 5-tuple as key to keep consistence with those of real flow
198 for the convenience to execute hash performance test on 4M/8M/16M flows.
199
200 .. note::
201
202     The Hash initialization will setup both ipv4 and ipv6 hash table,
203     and populate the either table depending on the value of variable ipv6.
204     To support the hash performance test with up to 8M single direction flows/16M bi-direction flows,
205     populate_ipv4_many_flow_into_table() function will populate the hash table with specified hash table entry number(default 4M).
206
207 .. note::
208
209     Value of global variable ipv6 can be specified with --ipv6 in the command line.
210     Value of global variable hash_entry_number,
211     which is used to specify the total hash entry number for all used ports in hash performance test,
212     can be specified with --hash-entry-num VALUE in command line, being its default value 4.
213
214 .. code-block:: c
215
216     #if (APP_LOOKUP_METHOD == APP_LOOKUP_EXACT_MATCH)
217
218         static void
219         setup_hash(int socketid)
220         {
221             // ...
222
223             if (hash_entry_number != HASH_ENTRY_NUMBER_DEFAULT) {
224                 if (ipv6 == 0) {
225                     /* populate the ipv4 hash */
226                     populate_ipv4_many_flow_into_table(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid], hash_entry_number);
227                 } else {
228                     /* populate the ipv6 hash */
229                     populate_ipv6_many_flow_into_table( ipv6_l3fwd_lookup_struct[socketid], hash_entry_number);
230                 }
231             } else
232                 if (ipv6 == 0) {
233                     /* populate the ipv4 hash */
234                     populate_ipv4_few_flow_into_table(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid]);
235                 } else {
236                     /* populate the ipv6 hash */
237                     populate_ipv6_few_flow_into_table(ipv6_l3fwd_lookup_struct[socketid]);
238                 }
239             }
240         }
241     #endif
242
243 LPM Initialization
244 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
245
246 The LPM object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array.
247
248 .. code-block:: c
249
250     #if (APP_LOOKUP_METHOD == APP_LOOKUP_LPM)
251
252     static void
253     setup_lpm(int socketid)
254     {
255         unsigned i;
256         int ret;
257         char s[64];
258
259         /* create the LPM table */
260
261         snprintf(s, sizeof(s), "IPV4_L3FWD_LPM_%d", socketid);
262
263         ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid] = rte_lpm_create(s, socketid, IPV4_L3FWD_LPM_MAX_RULES, 0);
264
265         if (ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid] == NULL)
266             rte_exit(EXIT_FAILURE, "Unable to create the l3fwd LPM table"
267                 " on socket %d\n", socketid);
268
269         /* populate the LPM table */
270
271         for (i = 0; i < IPV4_L3FWD_NUM_ROUTES; i++) {
272             /* skip unused ports */
273
274             if ((1 << ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out & enabled_port_mask) == 0)
275                 continue;
276
277             ret = rte_lpm_add(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid], ipv4_l3fwd_route_array[i].ip,
278                                     ipv4_l3fwd_route_array[i].depth, ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out);
279
280             if (ret < 0) {
281                 rte_exit(EXIT_FAILURE, "Unable to add entry %u to the "
282                         "l3fwd LPM table on socket %d\n", i, socketid);
283             }
284
285             printf("LPM: Adding route 0x%08x / %d (%d)\n",
286                 (unsigned)ipv4_l3fwd_route_array[i].ip, ipv4_l3fwd_route_array[i].depth, ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out);
287         }
288     }
289     #endif
290
291 Packet Forwarding for Hash-based Lookups
292 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
293
294 For each input packet, the packet forwarding operation is done by the l3fwd_simple_forward()
295 or simple_ipv4_fwd_4pkts() function for IPv4 packets or the simple_ipv6_fwd_4pkts() function for IPv6 packets.
296 The l3fwd_simple_forward() function provides the basic functionality for both IPv4 and IPv6 packet forwarding
297 for any number of burst packets received,
298 and the packet forwarding decision (that is, the identification of the output interface for the packet)
299 for hash-based lookups is done by the  get_ipv4_dst_port() or get_ipv6_dst_port() function.
300 The get_ipv4_dst_port() function is shown below:
301
302 .. code-block:: c
303
304     static inline uint8_t
305     get_ipv4_dst_port(void *ipv4_hdr, uint16_t portid, lookup_struct_t *ipv4_l3fwd_lookup_struct)
306     {
307         int ret = 0;
308         union ipv4_5tuple_host key;
309
310         ipv4_hdr = (uint8_t *)ipv4_hdr + offsetof(struct rte_ipv4_hdr, time_to_live);
311
312         m128i data = _mm_loadu_si128(( m128i*)(ipv4_hdr));
313
314         /* Get 5 tuple: dst port, src port, dst IP address, src IP address and protocol */
315
316         key.xmm = _mm_and_si128(data, mask0);
317
318         /* Find destination port */
319
320         ret = rte_hash_lookup(ipv4_l3fwd_lookup_struct, (const void *)&key);
321
322         return (uint8_t)((ret < 0)? portid : ipv4_l3fwd_out_if[ret]);
323     }
324
325 The get_ipv6_dst_port() function is similar to the get_ipv4_dst_port() function.
326
327 The simple_ipv4_fwd_4pkts() and simple_ipv6_fwd_4pkts() function are optimized for continuous 4 valid ipv4 and ipv6 packets,
328 they leverage the multiple buffer optimization to boost the performance of forwarding packets with the exact match on hash table.
329 The key code snippet of simple_ipv4_fwd_4pkts() is shown below:
330
331 .. code-block:: c
332
333     static inline void
334     simple_ipv4_fwd_4pkts(struct rte_mbuf* m[4], uint16_t portid, struct lcore_conf *qconf)
335     {
336         // ...
337
338         data[0] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[0], unsigned char *) + sizeof(struct rte_ether_hdr) + offsetof(struct rte_ipv4_hdr, time_to_live)));
339         data[1] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[1], unsigned char *) + sizeof(struct rte_ether_hdr) + offsetof(struct rte_ipv4_hdr, time_to_live)));
340         data[2] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[2], unsigned char *) + sizeof(struct rte_ether_hdr) + offsetof(struct rte_ipv4_hdr, time_to_live)));
341         data[3] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[3], unsigned char *) + sizeof(struct rte_ether_hdr) + offsetof(struct rte_ipv4_hdr, time_to_live)));
342
343         key[0].xmm = _mm_and_si128(data[0], mask0);
344         key[1].xmm = _mm_and_si128(data[1], mask0);
345         key[2].xmm = _mm_and_si128(data[2], mask0);
346         key[3].xmm = _mm_and_si128(data[3], mask0);
347
348         const void *key_array[4] = {&key[0], &key[1], &key[2],&key[3]};
349
350         rte_hash_lookup_bulk(qconf->ipv4_lookup_struct, &key_array[0], 4, ret);
351
352         dst_port[0] = (ret[0] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[0]];
353         dst_port[1] = (ret[1] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[1]];
354         dst_port[2] = (ret[2] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[2]];
355         dst_port[3] = (ret[3] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[3]];
356
357         // ...
358     }
359
360 The simple_ipv6_fwd_4pkts() function is similar to the simple_ipv4_fwd_4pkts() function.
361
362 Known issue: IP packets with extensions or IP packets which are not TCP/UDP cannot work well at this mode.
363
364 Packet Forwarding for LPM-based Lookups
365 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
366
367 For each input packet, the packet forwarding operation is done by the l3fwd_simple_forward() function,
368 but the packet forwarding decision (that is, the identification of the output interface for the packet)
369 for LPM-based lookups is done by the get_ipv4_dst_port() function below:
370
371 .. code-block:: c
372
373     static inline uint16_t
374     get_ipv4_dst_port(struct rte_ipv4_hdr *ipv4_hdr, uint16_t portid, lookup_struct_t *ipv4_l3fwd_lookup_struct)
375     {
376         uint8_t next_hop;
377
378         return ((rte_lpm_lookup(ipv4_l3fwd_lookup_struct, rte_be_to_cpu_32(ipv4_hdr->dst_addr), &next_hop) == 0)? next_hop : portid);
379     }
380
381 Eventdev Driver Initialization
382 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
383 Eventdev driver initialization is same as L2 forwarding eventdev application.
384 Refer :doc:`l2_forward_event` for more details.