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1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(C) 2020 Marvell International Ltd.
3
4 Graph Library and Inbuilt Nodes
5 ===============================
6
7 Graph architecture abstracts the data processing functions as a ``node`` and
8 ``links`` them together to create a complex ``graph`` to enable reusable/modular
9 data processing functions.
10
11 The graph library provides API to enable graph framework operations such as
12 create, lookup, dump and destroy on graph and node operations such as clone,
13 edge update, and edge shrink, etc. The API also allows to create the stats
14 cluster to monitor per graph and per node stats.
15
16 Features
17 --------
18
19 Features of the Graph library are:
20
21 - Nodes as plugins.
22 - Support for out of tree nodes.
23 - Inbuilt nodes for packet processing.
24 - Multi-process support.
25 - Low overhead graph walk and node enqueue.
26 - Low overhead statistics collection infrastructure.
27 - Support to export the graph as a Graphviz dot file. See ``rte_graph_export()``.
28 - Allow having another graph walk implementation in the future by segregating
29   the fast path(``rte_graph_worker.h``) and slow path code.
30
31 Advantages of Graph architecture
32 --------------------------------
33
34 - Memory latency is the enemy for high-speed packet processing, moving the
35   similar packet processing code to a node will reduce the I cache and D
36   caches misses.
37 - Exploits the probability that most packets will follow the same nodes in the
38   graph.
39 - Allow SIMD instructions for packet processing of the node.-
40 - The modular scheme allows having reusable nodes for the consumers.
41 - The modular scheme allows us to abstract the vendor HW specific
42   optimizations as a node.
43
44 Performance tuning parameters
45 -----------------------------
46
47 - Test with various burst size values (256, 128, 64, 32) using
48   RTE_GRAPH_BURST_SIZE config option.
49   The testing shows, on x86 and arm64 servers, The sweet spot is 256 burst
50   size. While on arm64 embedded SoCs, it is either 64 or 128.
51 - Disable node statistics (using ``RTE_LIBRTE_GRAPH_STATS`` config option)
52   if not needed.
53
54 Programming model
55 -----------------
56
57 Anatomy of Node:
58 ~~~~~~~~~~~~~~~~
59
60 .. _figure_anatomy_of_a_node:
61
62 .. figure:: img/anatomy_of_a_node.*
63
64 The :numref:`figure_anatomy_of_a_node` diagram depicts the anatomy of a node.
65
66 The node is the basic building block of the graph framework.
67
68 A node consists of:
69
70 process():
71 ^^^^^^^^^^
72
73 The callback function will be invoked by worker thread using
74 ``rte_graph_walk()`` function when there is data to be processed by the node.
75 A graph node process the function using ``process()`` and enqueue to next
76 downstream node using ``rte_node_enqueue*()`` function.
77
78 Context memory:
79 ^^^^^^^^^^^^^^^
80
81 It is memory allocated by the library to store the node-specific context
82 information. This memory will be used by process(), init(), fini() callbacks.
83
84 init():
85 ^^^^^^^
86
87 The callback function will be invoked by ``rte_graph_create()`` on when
88 a node gets attached to a graph.
89
90 fini():
91 ^^^^^^^
92
93 The callback function will be invoked by ``rte_graph_destroy()`` on when a
94 node gets detached to a graph.
95
96 Node name:
97 ^^^^^^^^^^
98
99 It is the name of the node. When a node registers to graph library, the library
100 gives the ID as ``rte_node_t`` type. Both ID or Name shall be used lookup the
101 node. ``rte_node_from_name()``, ``rte_node_id_to_name()`` are the node
102 lookup functions.
103
104 nb_edges:
105 ^^^^^^^^^
106
107 The number of downstream nodes connected to this node. The ``next_nodes[]``
108 stores the downstream nodes objects. ``rte_node_edge_update()`` and
109 ``rte_node_edge_shrink()`` functions shall be used to update the ``next_node[]``
110 objects. Consumers of the node APIs are free to update the ``next_node[]``
111 objects till ``rte_graph_create()`` invoked.
112
113 next_node[]:
114 ^^^^^^^^^^^^
115
116 The dynamic array to store the downstream nodes connected to this node. Downstream
117 node should not be current node itself or a source node.
118
119 Source node:
120 ^^^^^^^^^^^^
121
122 Source nodes are static nodes created using ``RTE_NODE_REGISTER`` by passing
123 ``flags`` as ``RTE_NODE_SOURCE_F``.
124 While performing the graph walk, the ``process()`` function of all the source
125 nodes will be called first. So that these nodes can be used as input nodes for a graph.
126
127 Node creation and registration
128 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
129 * Node implementer creates the node by implementing ops and attributes of
130   ``struct rte_node_register``.
131
132 * The library registers the node by invoking RTE_NODE_REGISTER on library load
133   using the constructor scheme. The constructor scheme used here to support multi-process.
134
135 Link the Nodes to create the graph topology
136 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
137 .. _figure_link_the_nodes:
138
139 .. figure:: img/link_the_nodes.*
140
141 The :numref:`figure_link_the_nodes` diagram shows a graph topology after
142 linking the N nodes.
143
144 Once nodes are available to the program, Application or node public API
145 functions can links them together to create a complex packet processing graph.
146
147 There are multiple different types of strategies to link the nodes.
148
149 Method (a):
150 ^^^^^^^^^^^
151 Provide the ``next_nodes[]`` at the node registration time. See  ``struct rte_node_register::nb_edges``.
152 This is a use case to address the static node scheme where one knows upfront the
153 ``next_nodes[]`` of the node.
154
155 Method (b):
156 ^^^^^^^^^^^
157 Use ``rte_node_edge_get()``, ``rte_node_edge_update()``, ``rte_node_edge_shrink()``
158 to update the ``next_nodes[]`` links for the node runtime but before graph create.
159
160 Method (c):
161 ^^^^^^^^^^^
162 Use ``rte_node_clone()`` to clone a already existing node, created using RTE_NODE_REGISTER.
163 When ``rte_node_clone()`` invoked, The library, would clone all the attributes
164 of the node and creates a new one. The name for cloned node shall be
165 ``"parent_node_name-user_provided_name"``.
166
167 This method enables the use case of Rx and Tx nodes where multiple of those nodes
168 need to be cloned based on the number of CPU available in the system.
169 The cloned nodes will be identical, except the ``"context memory"``.
170 Context memory will have information of port, queue pair in case of Rx and Tx
171 ethdev nodes.
172
173 Create the graph object
174 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
175 Now that the nodes are linked, Its time to create a graph by including
176 the required nodes. The application can provide a set of node patterns to
177 form a graph object. The ``famish()`` API used underneath for the pattern
178 matching to include the required nodes. After the graph create any changes to
179 nodes or graph is not allowed.
180
181 The ``rte_graph_create()`` API shall be used to create the graph.
182
183 Example of a graph object creation:
184
185 .. code-block:: console
186
187    {"ethdev_rx-0-0", ip4*, ethdev_tx-*"}
188
189 In the above example, A graph object will be created with ethdev Rx
190 node of port 0 and queue 0, all ipv4* nodes in the system,
191 and ethdev tx node of all ports.
192
193 Multicore graph processing
194 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
195 In the current graph library implementation, specifically,
196 ``rte_graph_walk()`` and ``rte_node_enqueue*`` fast path API functions
197 are designed to work on single-core to have better performance.
198 The fast path API works on graph object, So the multi-core graph
199 processing strategy would be to create graph object PER WORKER.
200
201 In fast path
202 ~~~~~~~~~~~~
203 Typical fast-path code looks like below, where the application
204 gets the fast-path graph object using ``rte_graph_lookup()``
205 on the worker thread and run the ``rte_graph_walk()`` in a tight loop.
206
207 .. code-block:: c
208
209     struct rte_graph *graph = rte_graph_lookup("worker0");
210
211     while (!done) {
212         rte_graph_walk(graph);
213     }
214
215 Context update when graph walk in action
216 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
217 The fast-path object for the node is ``struct rte_node``.
218
219 It may be possible that in slow-path or after the graph walk-in action,
220 the user needs to update the context of the node hence access to
221 ``struct rte_node *`` memory.
222
223 ``rte_graph_foreach_node()``, ``rte_graph_node_get()``,
224 ``rte_graph_node_get_by_name()`` APIs can be used to to get the
225 ``struct rte_node*``. ``rte_graph_foreach_node()`` iterator function works on
226 ``struct rte_graph *`` fast-path graph object while others works on graph ID or name.
227
228 Get the node statistics using graph cluster
229 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
230 The user may need to know the aggregate stats of the node across
231 multiple graph objects. Especially the situation where each graph object bound
232 to a worker thread.
233
234 Introduced a graph cluster object for statistics.
235 ``rte_graph_cluster_stats_create()`` API shall be used for creating a
236 graph cluster with multiple graph objects and ``rte_graph_cluster_stats_get()``
237 to get the aggregate node statistics.
238
239 An example statistics output from ``rte_graph_cluster_stats_get()``
240
241 .. code-block:: diff
242
243     +---------+-----------+-------------+---------------+-----------+---------------+-----------+
244     |Node     |calls      |objs         |realloc_count  |objs/call  |objs/sec(10E6) |cycles/call|
245     +---------------------+-------------+---------------+-----------+---------------+-----------+
246     |node0    |12977424   |3322220544   |5              |256.000    |3047.151872    |20.0000    |
247     |node1    |12977653   |3322279168   |0              |256.000    |3047.210496    |17.0000    |
248     |node2    |12977696   |3322290176   |0              |256.000    |3047.221504    |17.0000    |
249     |node3    |12977734   |3322299904   |0              |256.000    |3047.231232    |17.0000    |
250     |node4    |12977784   |3322312704   |1              |256.000    |3047.243776    |17.0000    |
251     |node5    |12977825   |3322323200   |0              |256.000    |3047.254528    |17.0000    |
252     +---------+-----------+-------------+---------------+-----------+---------------+-----------+
253
254 Node writing guidelines
255 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
256
257 The ``process()`` function of a node is the fast-path function and that needs
258 to be written carefully to achieve max performance.
259
260 Broadly speaking, there are two different types of nodes.
261
262 Static nodes
263 ~~~~~~~~~~~~
264 The first kind of nodes are those that have a fixed ``next_nodes[]`` for the
265 complete burst (like ethdev_rx, ethdev_tx) and it is simple to write.
266 ``process()`` function can move the obj burst to the next node either using
267 ``rte_node_next_stream_move()`` or using ``rte_node_next_stream_get()`` and
268 ``rte_node_next_stream_put()``.
269
270 Intermediate nodes
271 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
272 The second kind of such node is ``intermediate nodes`` that decide what is the
273 ``next_node[]`` to send to on a per-packet basis. In these nodes,
274
275 * Firstly, there has to be the best possible packet processing logic.
276
277 * Secondly, each packet needs to be queued to its next node.
278
279 This can be done using ``rte_node_enqueue_[x1|x2|x4]()`` APIs if
280 they are to single next or ``rte_node_enqueue_next()`` that takes array of nexts.
281
282 In scenario where multiple intermediate nodes are present but most of the time
283 each node using the same next node for all its packets, the cost of moving every
284 pointer from current node's stream to next node's stream could be avoided.
285 This is called home run and ``rte_node_next_stream_move()`` could be used to
286 just move stream from the current node to the next node with least number of cycles.
287 Since this can be avoided only in the case where all the packets are destined
288 to the same next node, node implementation should be also having worst-case
289 handling where every packet could be going to different next node.
290
291 Example of intermediate node implementation with home run:
292 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
293 1. Start with speculation that next_node = node->ctx.
294 This could be the next_node application used in the previous function call of this node.
295
296 2. Get the next_node stream array with required space using
297 ``rte_node_next_stream_get(next_node, space)``.
298
299 3. while n_left_from > 0 (i.e packets left to be sent) prefetch next pkt_set
300 and process current pkt_set to find their next node
301
302 4. if all the next nodes of the current pkt_set match speculated next node,
303 just count them as successfully speculated(``last_spec``) till now and
304 continue the loop without actually moving them to the next node. else if there is
305 a mismatch, copy all the pkt_set pointers that were ``last_spec`` and move the
306 current pkt_set to their respective next's nodes using ``rte_enqueue_next_x1()``.
307 Also, one of the next_node can be updated as speculated next_node if it is more
308 probable. Finally, reset ``last_spec`` to zero.
309
310 5. if n_left_from != 0 then goto 3) to process remaining packets.
311
312 6. if last_spec == nb_objs, All the objects passed were successfully speculated
313 to single next node. So, the current stream can be moved to next node using
314 ``rte_node_next_stream_move(node, next_node)``.
315 This is the ``home run`` where memcpy of buffer pointers to next node is avoided.
316
317 7. Update the ``node->ctx`` with more probable next node.
318
319 Graph object memory layout
320 --------------------------
321 .. _figure_graph_mem_layout:
322
323 .. figure:: img/graph_mem_layout.*
324
325 The :numref:`figure_graph_mem_layout` diagram shows ``rte_graph`` object memory
326 layout. Understanding the memory layout helps to debug the graph library and
327 improve the performance if needed.
328
329 Graph object consists of a header, circular buffer to store the pending
330 stream when walking over the graph, and variable-length memory to store
331 the ``rte_node`` objects.
332
333 The graph_nodes_mem_create() creates and populate this memory. The functions
334 such as ``rte_graph_walk()`` and ``rte_node_enqueue_*`` use this memory
335 to enable fastpath services.
336
337 Inbuilt Nodes
338 -------------
339
340 DPDK provides a set of nodes for data processing. The following section
341 details the documentation for the same.
342
343 ethdev_rx
344 ~~~~~~~~~
345 This node does ``rte_eth_rx_burst()`` into stream buffer passed to it
346 (src node stream) and does ``rte_node_next_stream_move()`` only when
347 there are packets received. Each ``rte_node`` works only on one Rx port and
348 queue that it gets from node->ctx. For each (port X, rx_queue Y),
349 a rte_node is cloned from  ethdev_rx_base_node as ``ethdev_rx-X-Y`` in
350 ``rte_node_eth_config()`` along with updating ``node->ctx``.
351 Each graph needs to be associated  with a unique rte_node for a (port, rx_queue).
352
353 ethdev_tx
354 ~~~~~~~~~
355 This node does ``rte_eth_tx_burst()`` for a burst of objs received by it.
356 It sends the burst to a fixed Tx Port and Queue information from
357 node->ctx. For each (port X), this ``rte_node`` is cloned from
358 ethdev_tx_node_base as "ethdev_tx-X" in ``rte_node_eth_config()``
359 along with updating node->context.
360
361 Since each graph doesn't need more than one Txq, per port, a Txq is assigned
362 based on graph id to each rte_node instance. Each graph needs to be associated
363 with a rte_node for each (port).
364
365 pkt_drop
366 ~~~~~~~~
367 This node frees all the objects passed to it considering them as
368 ``rte_mbufs`` that need to be freed.
369
370 ip4_lookup
371 ~~~~~~~~~~
372 This node is an intermediate node that does LPM lookup for the received
373 ipv4 packets and the result determines each packets next node.
374
375 On successful LPM lookup, the result contains the ``next_node`` id and
376 ``next-hop`` id with which the packet needs to be further processed.
377
378 On LPM lookup failure, objects are redirected to pkt_drop node.
379 ``rte_node_ip4_route_add()`` is control path API to add ipv4 routes.
380 To achieve home run, node use ``rte_node_stream_move()`` as mentioned in above
381 sections.
382
383 ip4_rewrite
384 ~~~~~~~~~~~
385 This node gets packets from ``ip4_lookup`` node with next-hop id for each
386 packet is embedded in ``node_mbuf_priv1(mbuf)->nh``. This id is used
387 to determine the L2 header to be written to the packet before sending
388 the packet out to a particular ethdev_tx node.
389 ``rte_node_ip4_rewrite_add()`` is control path API to add next-hop info.
390
391 null
392 ~~~~
393 This node ignores the set of objects passed to it and reports that all are
394 processed.
395