net/virtio: add election for packed vector NEON path
[dpdk.git] / doc / guides / nics / virtio.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2015 Intel Corporation.
3
4 Poll Mode Driver for Emulated Virtio NIC
5 ========================================
6
7 Virtio is a para-virtualization framework initiated by IBM, and supported by KVM hypervisor.
8 In the Data Plane Development Kit (DPDK),
9 we provide a virtio Poll Mode Driver (PMD) as a software solution, comparing to SRIOV hardware solution,
10 for fast guest VM to guest VM communication and guest VM to host communication.
11
12 Vhost is a kernel acceleration module for virtio qemu backend.
13 The DPDK extends kni to support vhost raw socket interface,
14 which enables vhost to directly read/ write packets from/to a physical port.
15 With this enhancement, virtio could achieve quite promising performance.
16
17 For basic qemu-KVM installation and other Intel EM poll mode driver in guest VM,
18 please refer to Chapter "Driver for VM Emulated Devices".
19
20 In this chapter, we will demonstrate usage of virtio PMD driver with two backends,
21 standard qemu vhost back end and vhost kni back end.
22
23 Virtio Implementation in DPDK
24 -----------------------------
25
26 For details about the virtio spec, refer to the latest
27 `VIRTIO (Virtual I/O) Device Specification
28 <https://www.oasis-open.org/committees/tc_home.php?wg_abbrev=virtio>`_.
29
30 As a PMD, virtio provides packet reception and transmission callbacks.
31
32 In Rx, packets described by the used descriptors in vring are available
33 for virtio to burst out.
34
35 In Tx, packets described by the used descriptors in vring are available
36 for virtio to clean. Virtio will enqueue to be transmitted packets into
37 vring, make them available to the device, and then notify the host back
38 end if necessary.
39
40 Features and Limitations of virtio PMD
41 --------------------------------------
42
43 In this release, the virtio PMD driver provides the basic functionality of packet reception and transmission.
44
45 *   It supports merge-able buffers per packet when receiving packets and scattered buffer per packet
46     when transmitting packets. The packet size supported is from 64 to 1518.
47
48 *   It supports multicast packets and promiscuous mode.
49
50 *   The descriptor number for the Rx/Tx queue is hard-coded to be 256 by qemu 2.7 and below.
51     If given a different descriptor number by the upper application,
52     the virtio PMD generates a warning and fall back to the hard-coded value.
53     Rx queue size can be configurable and up to 1024 since qemu 2.8 and above. Rx queue size is 256
54     by default. Tx queue size is still hard-coded to be 256.
55
56 *   Features of mac/vlan filter are supported, negotiation with vhost/backend are needed to support them.
57     When backend can't support vlan filter, virtio app on guest should not enable vlan filter in order
58     to make sure the virtio port is configured correctly. E.g. do not specify '--enable-hw-vlan' in testpmd
59     command line. Note that, mac/vlan filter is best effort: unwanted packets could still arrive.
60
61 *   "RTE_PKTMBUF_HEADROOM" should be defined
62     no less than "sizeof(struct virtio_net_hdr_mrg_rxbuf)", which is 12 bytes when mergeable or
63     "VIRTIO_F_VERSION_1" is set.
64     no less than "sizeof(struct virtio_net_hdr)", which is 10 bytes, when using non-mergeable.
65
66 *   Virtio does not support runtime configuration.
67
68 *   Virtio supports Link State interrupt.
69
70 *   Virtio supports Rx interrupt (so far, only support 1:1 mapping for queue/interrupt).
71
72 *   Virtio supports software vlan stripping and inserting.
73
74 *   Virtio supports using port IO to get PCI resource when uio/igb_uio module is not available.
75
76 Prerequisites
77 -------------
78
79 The following prerequisites apply:
80
81 *   In the BIOS, turn VT-x and VT-d on
82
83 *   Linux kernel with KVM module; vhost module loaded and ioeventfd supported.
84     Qemu standard backend without vhost support isn't tested, and probably isn't supported.
85
86 Virtio with kni vhost Back End
87 ------------------------------
88
89 This section demonstrates kni vhost back end example setup for Phy-VM Communication.
90
91 .. _figure_host_vm_comms:
92
93 .. figure:: img/host_vm_comms.*
94
95    Host2VM Communication Example Using kni vhost Back End
96
97
98 Host2VM communication example
99
100 #.  Load the kni kernel module:
101
102     .. code-block:: console
103
104         insmod rte_kni.ko
105
106     Other basic DPDK preparations like hugepage enabling, uio port binding are not listed here.
107     Please refer to the *DPDK Getting Started Guide* for detailed instructions.
108
109 #.  Launch the kni user application:
110
111     .. code-block:: console
112
113         <build_dir>/examples/dpdk-kni -l 0-3 -n 4 -- -p 0x1 -P --config="(0,1,3)"
114
115     This command generates one network device vEth0 for physical port.
116     If specify more physical ports, the generated network device will be vEth1, vEth2, and so on.
117
118     For each physical port, kni creates two user threads.
119     One thread loops to fetch packets from the physical NIC port into the kni receive queue.
120     The other user thread loops to send packets in the kni transmit queue.
121
122     For each physical port, kni also creates a kernel thread that retrieves packets from the kni receive queue,
123     place them onto kni's raw socket's queue and wake up the vhost kernel thread to exchange packets with the virtio virt queue.
124
125     For more details about kni, please refer to :ref:`kni`.
126
127 #.  Enable the kni raw socket functionality for the specified physical NIC port,
128     get the generated file descriptor and set it in the qemu command line parameter.
129     Always remember to set ioeventfd_on and vhost_on.
130
131     Example:
132
133     .. code-block:: console
134
135         echo 1 > /sys/class/net/vEth0/sock_en
136         fd=`cat /sys/class/net/vEth0/sock_fd`
137         exec qemu-system-x86_64 -enable-kvm -cpu host \
138         -m 2048 -smp 4 -name dpdk-test1-vm1 \
139         -drive file=/data/DPDKVMS/dpdk-vm.img \
140         -netdev tap, fd=$fd,id=mynet_kni, script=no,vhost=on \
141         -device virtio-net-pci,netdev=mynet_kni,bus=pci.0,addr=0x3,ioeventfd=on \
142         -vnc:1 -daemonize
143
144     In the above example, virtio port 0 in the guest VM will be associated with vEth0, which in turns corresponds to a physical port,
145     which means received packets come from vEth0, and transmitted packets is sent to vEth0.
146
147 #.  In the guest, bind the virtio device to the uio_pci_generic kernel module and start the forwarding application.
148     When the virtio port in guest bursts Rx, it is getting packets from the
149     raw socket's receive queue.
150     When the virtio port bursts Tx, it is sending packet to the tx_q.
151
152     .. code-block:: console
153
154         modprobe uio
155         echo 512 > /sys/devices/system/node/node0/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages
156         modprobe uio_pci_generic
157         ./usertools/dpdk-devbind.py -b uio_pci_generic 00:03.0
158
159     We use testpmd as the forwarding application in this example.
160
161     .. figure:: img/console.*
162
163        Running testpmd
164
165 #.  Use IXIA packet generator to inject a packet stream into the KNI physical port.
166
167     The packet reception and transmission flow path is:
168
169     IXIA packet generator->82599 PF->KNI Rx queue->KNI raw socket queue->Guest
170     VM virtio port 0 Rx burst->Guest VM virtio port 0 Tx burst-> KNI Tx queue
171     ->82599 PF-> IXIA packet generator
172
173 Virtio with qemu virtio Back End
174 --------------------------------
175
176 .. _figure_host_vm_comms_qemu:
177
178 .. figure:: img/host_vm_comms_qemu.*
179
180    Host2VM Communication Example Using qemu vhost Back End
181
182
183 .. code-block:: console
184
185     qemu-system-x86_64 -enable-kvm -cpu host -m 2048 -smp 2 -mem-path /dev/
186     hugepages -mem-prealloc
187     -drive file=/data/DPDKVMS/dpdk-vm1
188     -netdev tap,id=vm1_p1,ifname=tap0,script=no,vhost=on
189     -device virtio-net-pci,netdev=vm1_p1,bus=pci.0,addr=0x3,ioeventfd=on
190     -device pci-assign,host=04:10.1 \
191
192 In this example, the packet reception flow path is:
193
194     IXIA packet generator->82599 PF->Linux Bridge->TAP0's socket queue-> Guest
195     VM virtio port 0 Rx burst-> Guest VM 82599 VF port1 Tx burst-> IXIA packet
196     generator
197
198 The packet transmission flow is:
199
200     IXIA packet generator-> Guest VM 82599 VF port1 Rx burst-> Guest VM virtio
201     port 0 Tx burst-> tap -> Linux Bridge->82599 PF-> IXIA packet generator
202
203
204 Virtio PMD Rx/Tx Callbacks
205 --------------------------
206
207 Virtio driver has 6 Rx callbacks and 3 Tx callbacks.
208
209 Rx callbacks:
210
211 #. ``virtio_recv_pkts``:
212    Regular version without mergeable Rx buffer support for split virtqueue.
213
214 #. ``virtio_recv_mergeable_pkts``:
215    Regular version with mergeable Rx buffer support for split virtqueue.
216
217 #. ``virtio_recv_pkts_vec``:
218    Vector version without mergeable Rx buffer support, also fixes the available
219    ring indexes and uses vector instructions to optimize performance for split
220    virtqueue.
221
222 #. ``virtio_recv_pkts_inorder``:
223    In-order version with mergeable and non-mergeable Rx buffer support
224    for split virtqueue.
225
226 #. ``virtio_recv_pkts_packed``:
227    Regular and in-order version without mergeable Rx buffer support for
228    packed virtqueue.
229
230 #. ``virtio_recv_mergeable_pkts_packed``:
231    Regular and in-order version with mergeable Rx buffer support for packed
232    virtqueue.
233
234 Tx callbacks:
235
236 #. ``virtio_xmit_pkts``:
237    Regular version for split virtqueue.
238
239 #. ``virtio_xmit_pkts_inorder``:
240    In-order version for split virtqueue.
241
242 #. ``virtio_xmit_pkts_packed``:
243    Regular and in-order version for packed virtqueue.
244
245 By default, the non-vector callbacks are used:
246
247 *   For Rx: If mergeable Rx buffers is disabled then ``virtio_recv_pkts``
248     or ``virtio_recv_pkts_packed`` will be used, otherwise
249     ``virtio_recv_mergeable_pkts`` or ``virtio_recv_mergeable_pkts_packed``
250     will be used.
251
252 *   For Tx: ``virtio_xmit_pkts`` or ``virtio_xmit_pkts_packed`` will be used.
253
254
255 Vector callbacks will be used when:
256
257 *   Mergeable Rx buffers is disabled.
258
259 The corresponding callbacks are:
260
261 *   For Rx: ``virtio_recv_pkts_vec``.
262
263 There is no vector callbacks for packed virtqueue for now.
264
265
266 Example of using the vector version of the virtio poll mode driver in
267 ``testpmd``::
268
269    testpmd -l 0-2 -n 4 -- -i --rxq=1 --txq=1 --nb-cores=1
270
271 In-order callbacks only work on simulated virtio user vdev.
272
273 For split virtqueue:
274
275 *   For Rx: If in-order is enabled then ``virtio_recv_pkts_inorder`` is used.
276
277 *   For Tx: If in-order is enabled then ``virtio_xmit_pkts_inorder`` is used.
278
279 For packed virtqueue, the default callbacks already support the
280 in-order feature.
281
282 Interrupt mode
283 --------------
284
285 .. _virtio_interrupt_mode:
286
287 There are three kinds of interrupts from a virtio device over PCI bus: config
288 interrupt, Rx interrupts, and Tx interrupts. Config interrupt is used for
289 notification of device configuration changes, especially link status (lsc).
290 Interrupt mode is translated into Rx interrupts in the context of DPDK.
291
292 .. Note::
293
294    Virtio PMD already has support for receiving lsc from qemu when the link
295    status changes, especially when vhost user disconnects. However, it fails
296    to do that if the VM is created by qemu 2.6.2 or below, since the
297    capability to detect vhost user disconnection is introduced in qemu 2.7.0.
298
299 Prerequisites for Rx interrupts
300 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
301
302 To support Rx interrupts,
303 #. Check if guest kernel supports VFIO-NOIOMMU:
304
305     Linux started to support VFIO-NOIOMMU since 4.8.0. Make sure the guest
306     kernel is compiled with:
307
308     .. code-block:: console
309
310         CONFIG_VFIO_NOIOMMU=y
311
312 #. Properly set msix vectors when starting VM:
313
314     Enable multi-queue when starting VM, and specify msix vectors in qemu
315     cmdline. (N+1) is the minimum, and (2N+2) is mostly recommended.
316
317     .. code-block:: console
318
319         $(QEMU) ... -device virtio-net-pci,mq=on,vectors=2N+2 ...
320
321 #. In VM, insert vfio module in NOIOMMU mode:
322
323     .. code-block:: console
324
325         modprobe vfio enable_unsafe_noiommu_mode=1
326         modprobe vfio-pci
327
328 #. In VM, bind the virtio device with vfio-pci:
329
330     .. code-block:: console
331
332         ./usertools/dpdk-devbind.py -b vfio-pci 00:03.0
333
334 Example
335 ~~~~~~~
336
337 Here we use l3fwd-power as an example to show how to get started.
338
339     Example:
340
341     .. code-block:: console
342
343         $ dpdk-l3fwd-power -l 0-1 -- -p 1 -P --config="(0,0,1)" \
344                                                --no-numa --parse-ptype
345
346
347 Virtio PMD arguments
348 --------------------
349
350 Below devargs are supported by the PCI virtio driver:
351
352 #.  ``vdpa``:
353
354     A virtio device could also be driven by vDPA (vhost data path acceleration)
355     driver, and works as a HW vhost backend. This argument is used to specify
356     a virtio device needs to work in vDPA mode.
357     (Default: 0 (disabled))
358
359 #.  ``speed``:
360
361     It is used to specify link speed of virtio device. Link speed is a part of
362     link status structure. It could be requested by application using
363     rte_eth_link_get_nowait function.
364     (Default: 0xffffffff (Unknown))
365
366 #.  ``vectorized``:
367
368     It is used to specify whether virtio device prefers to use vectorized path.
369     Afterwards, dependencies of vectorized path will be checked in path
370     election.
371     (Default: 0 (disabled))
372
373 Below devargs are supported by the virtio-user vdev:
374
375 #.  ``path``:
376
377     It is used to specify a path to connect to vhost backend.
378
379 #.  ``mac``:
380
381     It is used to specify the MAC address.
382
383 #.  ``cq``:
384
385     It is used to enable the control queue. (Default: 0 (disabled))
386
387 #.  ``queue_size``:
388
389     It is used to specify the queue size. (Default: 256)
390
391 #.  ``queues``:
392
393     It is used to specify the queue number. (Default: 1)
394
395 #.  ``iface``:
396
397     It is used to specify the host interface name for vhost-kernel
398     backend.
399
400 #.  ``server``:
401
402     It is used to enable the server mode when using vhost-user backend.
403     (Default: 0 (disabled))
404
405 #.  ``mrg_rxbuf``:
406
407     It is used to enable virtio device mergeable Rx buffer feature.
408     (Default: 1 (enabled))
409
410 #.  ``in_order``:
411
412     It is used to enable virtio device in-order feature.
413     (Default: 1 (enabled))
414
415 #.  ``packed_vq``:
416
417     It is used to enable virtio device packed virtqueue feature.
418     (Default: 0 (disabled))
419
420 #.  ``speed``:
421
422     It is used to specify link speed of virtio device. Link speed is a part of
423     link status structure. It could be requested by application using
424     rte_eth_link_get_nowait function.
425     (Default: 0xffffffff (Unknown))
426
427 #.  ``vectorized``:
428
429     It is used to specify whether virtio device prefers to use vectorized path.
430     Afterwards, dependencies of vectorized path will be checked in path
431     election.
432     (Default: 0 (disabled))
433
434 Virtio paths Selection and Usage
435 --------------------------------
436
437 Logically virtio-PMD has 9 paths based on the combination of virtio features
438 (Rx mergeable, In-order, Packed virtqueue), below is an introduction of these
439 features:
440
441 *   `Rx mergeable <https://docs.oasis-open.org/virtio/virtio/v1.1/cs01/
442     virtio-v1.1-cs01.html#x1-2140004>`_: With this feature negotiated, device
443     can receive large packets by combining individual descriptors.
444 *   `In-order <https://docs.oasis-open.org/virtio/virtio/v1.1/cs01/
445     virtio-v1.1-cs01.html#x1-690008>`_: Some devices always use descriptors
446     in the same order in which they have been made available, these
447     devices can offer the VIRTIO_F_IN_ORDER feature. With this feature negotiated,
448     driver will use descriptors in order.
449 *   `Packed virtqueue <https://docs.oasis-open.org/virtio/virtio/v1.1/cs01/
450     virtio-v1.1-cs01.html#x1-610007>`_: The structure of packed virtqueue is
451     different from split virtqueue, split virtqueue is composed of available ring,
452     used ring and descriptor table, while packed virtqueue is composed of descriptor
453     ring, driver event suppression and device event suppression. The idea behind
454     this is to improve performance by avoiding cache misses and make it easier
455     for hardware to implement.
456
457 Virtio paths Selection
458 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
459
460 If packed virtqueue is not negotiated, below split virtqueue paths will be selected
461 according to below configuration:
462
463 #. Split virtqueue mergeable path: If Rx mergeable is negotiated, in-order feature is
464    not negotiated, this path will be selected.
465 #. Split virtqueue non-mergeable path: If Rx mergeable and in-order feature are not
466    negotiated, also Rx offload(s) are requested, this path will be selected.
467 #. Split virtqueue in-order mergeable path: If Rx mergeable and in-order feature are
468    both negotiated, this path will be selected.
469 #. Split virtqueue in-order non-mergeable path: If in-order feature is negotiated and
470    Rx mergeable is not negotiated, this path will be selected.
471 #. Split virtqueue vectorized Rx path: If Rx mergeable is disabled and no Rx offload
472    requested, this path will be selected.
473
474 If packed virtqueue is negotiated, below packed virtqueue paths will be selected
475 according to below configuration:
476
477 #. Packed virtqueue mergeable path: If Rx mergeable is negotiated, in-order feature
478    is not negotiated, this path will be selected.
479 #. Packed virtqueue non-mergeable path: If Rx mergeable and in-order feature are not
480    negotiated, this path will be selected.
481 #. Packed virtqueue in-order mergeable path: If in-order and Rx mergeable feature are
482    both negotiated, this path will be selected.
483 #. Packed virtqueue in-order non-mergeable path: If in-order feature is negotiated and
484    Rx mergeable is not negotiated, this path will be selected.
485 #. Packed virtqueue vectorized Rx path: If building and running environment support
486    (AVX512 || NEON) && in-order feature is negotiated && Rx mergeable
487    is not negotiated && TCP_LRO Rx offloading is disabled && vectorized option enabled,
488    this path will be selected.
489 #. Packed virtqueue vectorized Tx path: If building and running environment support
490    (AVX512 || NEON)  && in-order feature is negotiated && vectorized option enabled,
491    this path will be selected.
492
493 Rx/Tx callbacks of each Virtio path
494 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
495
496 Refer to above description, virtio path and corresponding Rx/Tx callbacks will
497 be selected automatically. Rx callbacks and Tx callbacks for each virtio path
498 are shown in below table:
499
500 .. table:: Virtio Paths and Callbacks
501
502    ============================================ ================================= ========================
503                  Virtio paths                            Rx callbacks                   Tx callbacks
504    ============================================ ================================= ========================
505    Split virtqueue mergeable path               virtio_recv_mergeable_pkts        virtio_xmit_pkts
506    Split virtqueue non-mergeable path           virtio_recv_pkts                  virtio_xmit_pkts
507    Split virtqueue in-order mergeable path      virtio_recv_pkts_inorder          virtio_xmit_pkts_inorder
508    Split virtqueue in-order non-mergeable path  virtio_recv_pkts_inorder          virtio_xmit_pkts_inorder
509    Split virtqueue vectorized Rx path           virtio_recv_pkts_vec              virtio_xmit_pkts
510    Packed virtqueue mergeable path              virtio_recv_mergeable_pkts_packed virtio_xmit_pkts_packed
511    Packed virtqueue non-meregable path          virtio_recv_pkts_packed           virtio_xmit_pkts_packed
512    Packed virtqueue in-order mergeable path     virtio_recv_mergeable_pkts_packed virtio_xmit_pkts_packed
513    Packed virtqueue in-order non-mergeable path virtio_recv_pkts_packed           virtio_xmit_pkts_packed
514    Packed virtqueue vectorized Rx path          virtio_recv_pkts_packed_vec       virtio_xmit_pkts_packed
515    Packed virtqueue vectorized Tx path          virtio_recv_pkts_packed           virtio_xmit_pkts_packed_vec
516    ============================================ ================================= ========================
517
518 Virtio paths Support Status from Release to Release
519 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
520
521 Virtio feature implementation:
522
523 *   In-order feature is supported since DPDK 18.08 by adding new Rx/Tx callbacks
524     ``virtio_recv_pkts_inorder`` and ``virtio_xmit_pkts_inorder``.
525 *   Packed virtqueue is supported since DPDK 19.02 by adding new Rx/Tx callbacks
526     ``virtio_recv_pkts_packed`` , ``virtio_recv_mergeable_pkts_packed`` and
527     ``virtio_xmit_pkts_packed``.
528
529 All virtio paths support status are shown in below table:
530
531 .. table:: Virtio Paths and Releases
532
533    ============================================ ============= ============= ============= =======
534                   Virtio paths                  16.11 ~ 18.05 18.08 ~ 18.11 19.02 ~ 19.11 20.05 ~
535    ============================================ ============= ============= ============= =======
536    Split virtqueue mergeable path                     Y             Y             Y          Y
537    Split virtqueue non-mergeable path                 Y             Y             Y          Y
538    Split virtqueue vectorized Rx path                 Y             Y             Y          Y
539    Split virtqueue simple Tx path                     Y             N             N          N
540    Split virtqueue in-order mergeable path                          Y             Y          Y
541    Split virtqueue in-order non-mergeable path                      Y             Y          Y
542    Packed virtqueue mergeable path                                                Y          Y
543    Packed virtqueue non-mergeable path                                            Y          Y
544    Packed virtqueue in-order mergeable path                                       Y          Y
545    Packed virtqueue in-order non-mergeable path                                   Y          Y
546    Packed virtqueue vectorized Rx path                                                       Y
547    Packed virtqueue vectorized Tx path                                                       Y
548    ============================================ ============= ============= ============= =======
549
550 QEMU Support Status
551 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
552
553 *   Qemu now supports three paths of split virtqueue: Split virtqueue mergeable path,
554     Split virtqueue non-mergeable path, Split virtqueue vectorized Rx path.
555 *   Since qemu 4.2.0, Packed virtqueue mergeable path and Packed virtqueue non-mergeable
556     path can be supported.
557
558 How to Debug
559 ~~~~~~~~~~~~
560
561 If you meet performance drop or some other issues after upgrading the driver
562 or configuration, below steps can help you identify which path you selected and
563 root cause faster.
564
565 #. Run vhost/virtio test case;
566 #. Run "perf top" and check virtio Rx/Tx callback names;
567 #. Identify which virtio path is selected refer to above table.