doc: sample application user guide
[dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l3_forward.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 L3 Forwarding Sample Application
32 ================================
33
34 The L3 Forwarding application is a simple example of packet processing using the Intel® DPDK.
35 The application performs L3 forwarding.
36
37 Overview
38 --------
39
40 The application demonstrates the use of the hash and LPM libraries in the Intel® DPDK to implement packet forwarding.
41 The initialization and run-time paths are very similar to those of the L2 forwarding application
42 (see Chapter 9 "L2 Forwarding Sample Application (in Real and Virtualized Environments)" for more information).
43 The main difference from the L2 Forwarding sample application is that the forwarding decision
44 is made based on information read from the input packet.
45
46 The lookup method is either hash-based or LPM-based and is selected at compile time. When the selected lookup method is hash-based,
47 a hash object is used to emulate the flow classification stage.
48 The hash object is used in correlation with a flow table to map each input packet to its flow at runtime.
49
50 The hash lookup key is represented by a DiffServ 5-tuple composed of the following fields read from the input packet:
51 Source IP Address, Destination IP Address, Protocol, Source Port and Destination Port.
52 The ID of the output interface for the input packet is read from the identified flow table entry.
53 The set of flows used by the application is statically configured and loaded into the hash at initialization time.
54 When the selected lookup method is LPM based, an LPM object is used to emulate the forwarding stage for IPv4 packets.
55 The LPM object is used as the routing table to identify the next hop for each input packet at runtime.
56
57 The LPM lookup key is represented by the Destination IP Address field read from the input packet.
58 The ID of the output interface for the input packet is the next hop returned by the LPM lookup.
59 The set of LPM rules used by the application is statically configured and loaded into the LPM object at initialization time.
60
61 In the sample application, hash-based forwarding supports IPv4 and IPv6. LPM-based forwarding supports IPv4 only.
62
63 Compiling the Application
64 -------------------------
65
66 To compile the application:
67
68 #.  Go to the sample application directory:
69
70     .. code-block:: console
71
72         export RTE_SDK=/path/to/rte_sdk cd ${RTE_SDK}/examples/l3fwd
73
74 #.  Set the target (a default target is used if not specified). For example:
75
76     .. code-block:: console
77
78         export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
79
80     See the *Intel® DPDK Getting Started Guide* for possible RTE_TARGET values.
81
82 #.  Build the application:
83
84     .. code-block:: console
85
86         make
87
88 Running the Application
89 -----------------------
90
91 The application has a number of command line options:
92
93 .. code-block:: console
94
95     ./build/l3fwd [EAL options] -- -p PORTMASK [-P]  --config(port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)] [--enable-jumbo [--max-pkt-len PKTLEN]]  [--no-numa][--hash-entry-num][--ipv6]
96
97 where,
98
99 *   -p PORTMASK: Hexadecimal bitmask of ports to configure
100
101 *   -P: optional, sets all ports to promiscuous mode so that packets are accepted regardless of the packet's Ethernet MAC destination address.
102     Without this option, only packets with the Ethernet MAC destination address set to the Ethernet address of the port are accepted.
103
104 *   --config (port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]: determines which queues from which ports are mapped to which cores
105
106 *   --enable-jumbo: optional, enables jumbo frames
107
108 *   --max-pkt-len: optional, maximum packet length in decimal (64-9600)
109
110 *   --no-numa: optional, disables numa awareness
111
112 *   --hash-entry-num: optional, specifies the hash entry number in hexadecimal to be setup
113
114 *   --ipv6: optional, set it if running ipv6 packets
115
116 For example, consider a dual processor socket platform where cores 0-7 and 16-23 appear on socket 0, while cores 8-15 and 24-31 appear on socket 1.
117 Let's say that the programmer wants to use memory from both NUMA nodes, the platform has only two ports, one connected to each NUMA node,
118 and the programmer wants to use two cores from each processor socket to do the packet processing.
119
120 To enable L3 forwarding between two ports, using two cores, cores 1 and 2, from each processor,
121 while also taking advantage of local memory access by optimizing around NUMA, the programmer must enable two queues from each port,
122 pin to the appropriate cores and allocate memory from the appropriate NUMA node. This is achieved using the following command:
123
124 .. code-block:: console
125
126     ./build/l3fwd -c 606 -n 4 -- -p 0x3 --config="(0,0,1),(0,1,2),(1,0,9),(1,1,10)"
127
128 In this command:
129
130 *   The -c option enables cores 0, 1, 2, 3
131
132 *   The -p option enables ports 0 and 1
133
134 *   The --config option enables two queues on each port and maps each (port,queue) pair to a specific core.
135     Logic to enable multiple RX queues using RSS and to allocate memory from the correct NUMA nodes
136     is included in the application and is done transparently.
137     The following table shows the mapping in this example:
138
139 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
140 | **Port** | **Queue** | **lcore** | **Description**                     |
141 |          |           |           |                                     |
142 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
143 | 0        | 0         | 0         | Map queue 0 from port 0 to lcore 0. |
144 |          |           |           |                                     |
145 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
146 | 0        | 1         | 2         | Map queue 1 from port 0 to lcore 2. |
147 |          |           |           |                                     |
148 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
149 | 1        | 0         | 1         | Map queue 0 from port 1 to lcore 1. |
150 |          |           |           |                                     |
151 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
152 | 1        | 1         | 3         | Map queue 1 from port 1 to lcore 3. |
153 |          |           |           |                                     |
154 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
155
156 Refer to the *Intel® DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications and
157 the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
158
159 Explanation
160 -----------
161
162 The following sections provide some explanation of the sample application code. As mentioned in the overview section,
163 the initialization and run-time paths are very similar to those of the L2 forwarding application
164 (see Chapter 9 "L2 Forwarding Sample Application (in Real and Virtualized Environments)" for more information).
165 The following sections describe aspects that are specific to the L3 Forwarding sample application.
166
167 Hash Initialization
168 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
169
170 The hash object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array,
171 and then generate the expected 5-tuple as key to keep consistence with those of real flow
172 for the convenience to execute hash performance test on 4M/8M/16M flows.
173
174 .. note::
175
176     The Hash initialization will setup both ipv4 and ipv6 hash table,
177     and populate the either table depending on the value of variable ipv6.
178     To support the hash performance test with up to 8M single direction flows/16M bi-direction flows,
179     populate_ipv4_many_flow_into_table() function will populate the hash table with specified hash table entry number(default 4M).
180
181 .. note::
182
183     Value of global variable ipv6 can be specified with --ipv6 in the command line.
184     Value of global variable hash_entry_number,
185     which is used to specify the total hash entry number for all used ports in hash performance test,
186     can be specified with --hash-entry-num VALUE in command line, being its default value 4.
187
188 .. code-block:: c
189
190     #if (APP_LOOKUP_METHOD == APP_LOOKUP_EXACT_MATCH)
191
192         static void
193         setup_hash(int socketid)
194         {
195             // ...
196
197             if (hash_entry_number != HASH_ENTRY_NUMBER_DEFAULT) {
198                 if (ipv6 == 0) {
199                     /* populate the ipv4 hash */
200                     populate_ipv4_many_flow_into_table(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid], hash_entry_number);
201                 } else {
202                     /* populate the ipv6 hash */
203                     populate_ipv6_many_flow_into_table( ipv6_l3fwd_lookup_struct[socketid], hash_entry_number);
204                 }
205             } else
206                 if (ipv6 == 0) {
207                     /* populate the ipv4 hash */
208                     populate_ipv4_few_flow_into_table(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid]);
209                 } else {
210                     /* populate the ipv6 hash */
211                     populate_ipv6_few_flow_into_table(ipv6_l3fwd_lookup_struct[socketid]);
212                 }
213             }
214         }
215     #endif
216
217 LPM Initialization
218 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
219
220 The LPM object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array.
221
222 .. code-block:: c
223
224     #if (APP_LOOKUP_METHOD == APP_LOOKUP_LPM)
225
226     static void
227     setup_lpm(int socketid)
228     {
229         unsigned i;
230         int ret;
231         char s[64];
232
233         /* create the LPM table */
234
235         rte_snprintf(s, sizeof(s), "IPV4_L3FWD_LPM_%d", socketid);
236
237         ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid] = rte_lpm_create(s, socketid, IPV4_L3FWD_LPM_MAX_RULES, 0);
238
239         if (ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid] == NULL)
240             rte_exit(EXIT_FAILURE, "Unable to create the l3fwd LPM table"
241                 " on socket %d\n", socketid);
242
243         /* populate the LPM table */
244
245         for (i = 0; i < IPV4_L3FWD_NUM_ROUTES; i++) {
246             /* skip unused ports */
247
248             if ((1 << ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out & enabled_port_mask) == 0)
249                 continue;
250
251             ret = rte_lpm_add(ipv4_l3fwd_lookup_struct[socketid], ipv4_l3fwd_route_array[i].ip,
252                                     ipv4_l3fwd_route_array[i].depth, ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out);
253
254             if (ret < 0) {
255                 rte_exit(EXIT_FAILURE, "Unable to add entry %u to the "
256                         "l3fwd LPM table on socket %d\n", i, socketid);
257             }
258
259             printf("LPM: Adding route 0x%08x / %d (%d)\n",
260                 (unsigned)ipv4_l3fwd_route_array[i].ip, ipv4_l3fwd_route_array[i].depth, ipv4_l3fwd_route_array[i].if_out);
261         }
262     }
263     #endif
264
265 Packet Forwarding for Hash-based Lookups
266 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
267
268 For each input packet, the packet forwarding operation is done by the l3fwd_simple_forward()
269 or simple_ipv4_fwd_4pkts() function for IPv4 packets or the simple_ipv6_fwd_4pkts() function for IPv6 packets.
270 The l3fwd_simple_forward() function provides the basic functionality for both IPv4 and IPv6 packet forwarding
271 for any number of burst packets received,
272 and the packet forwarding decision (that is, the identification of the output interface for the packet)
273 for hash-based lookups is done by the  get_ipv4_dst_port() or get_ipv6_dst_port() function.
274 The get_ipv4_dst_port() function is shown below:
275
276 .. code-block:: c
277
278     static inline uint8_t
279     get_ipv4_dst_port(void *ipv4_hdr, uint8_t portid, lookup_struct_t *ipv4_l3fwd_lookup_struct)
280     {
281         int ret = 0;
282         union ipv4_5tuple_host key;
283
284         ipv4_hdr = (uint8_t \*)ipv4_hdr + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live);
285
286         m128i data = _mm_loadu_si128(( m128i*)(ipv4_hdr));
287
288         /* Get 5 tuple: dst port, src port, dst IP address, src IP address and protocol */
289
290         key.xmm = _mm_and_si128(data, mask0);
291
292         /* Find destination port */
293
294         ret = rte_hash_lookup(ipv4_l3fwd_lookup_struct, (const void *)&key);
295
296         return (uint8_t)((ret < 0)? portid : ipv4_l3fwd_out_if[ret]);
297     }
298
299 The get_ipv6_dst_port() function is similar to the get_ipv4_dst_port() function.
300
301 The simple_ipv4_fwd_4pkts() and simple_ipv6_fwd_4pkts() function are optimized for continuous 4 valid ipv4 and ipv6 packets,
302 they leverage the multiple buffer optimization to boost the performance of forwarding packets with the exact match on hash table.
303 The key code snippet of simple_ipv4_fwd_4pkts() is shown below:
304
305 .. code-block:: c
306
307     static inline void
308     simple_ipv4_fwd_4pkts(struct rte_mbuf* m[4], uint8_t portid, struct lcore_conf *qconf)
309     {
310         // ...
311
312         data[0] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[0], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
313         data[1] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[1], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
314         data[2] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[2], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
315         data[3] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[3], unsigned char *) + sizeof(struct ether_hdr) + offsetof(struct ipv4_hdr, time_to_live)));
316
317         key[0].xmm = _mm_and_si128(data[0], mask0);
318         key[1].xmm = _mm_and_si128(data[1], mask0);
319         key[2].xmm = _mm_and_si128(data[2], mask0);
320         key[3].xmm = _mm_and_si128(data[3], mask0);
321
322         const void *key_array[4] = {&key[0], &key[1], &key[2],&key[3]};
323
324         rte_hash_lookup_multi(qconf->ipv4_lookup_struct, &key_array[0], 4, ret);
325
326         dst_port[0] = (ret[0] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[0]];
327         dst_port[1] = (ret[1] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[1]];
328         dst_port[2] = (ret[2] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[2]];
329         dst_port[3] = (ret[3] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[3]];
330
331         // ...
332     }
333
334 The simple_ipv6_fwd_4pkts() function is similar to the simple_ipv4_fwd_4pkts() function.
335
336 Packet Forwarding for LPM-based Lookups
337 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
338
339 For each input packet, the packet forwarding operation is done by the l3fwd_simple_forward() function,
340 but the packet forwarding decision (that is, the identification of the output interface for the packet)
341 for LPM-based lookups is done by the get_ipv4_dst_port() function below:
342
343 .. code-block:: c
344
345     static inline uint8_t
346     get_ipv4_dst_port(struct ipv4_hdr *ipv4_hdr, uint8_t portid, lookup_struct_t *ipv4_l3fwd_lookup_struct)
347     {
348         uint8_t next_hop;
349
350         return (uint8_t) ((rte_lpm_lookup(ipv4_l3fwd_lookup_struct, rte_be_to_cpu_32(ipv4_hdr->dst_addr), &next_hop) == 0)? next_hop : portid);
351     }