doc: fix spellings and typos
[dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / mbuf_lib.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 .. _Mbuf_Library:
32
33 Mbuf Library
34 ============
35
36 The mbuf library provides the ability to allocate and free buffers (mbufs)
37 that may be used by the DPDK application to store message buffers.
38 The message buffers are stored in a mempool, using the :ref:`Mempool Library <Mempool_Library>`.
39
40 A rte_mbuf struct can carry network packet buffers
41 or generic control buffers (indicated by the CTRL_MBUF_FLAG).
42 This can be extended to other types.
43 The rte_mbuf header structure is kept as small as possible and currently uses
44 just two cache lines, with the most frequently used fields being on the first
45 of the two cache lines.
46
47 Design of Packet Buffers
48 ------------------------
49
50 For the storage of the packet data (including protocol headers), two approaches were considered:
51
52 #.  Embed metadata within a single memory buffer the structure followed by a fixed size area for the packet data.
53
54 #.  Use separate memory buffers for the metadata structure and for the packet data.
55
56 The advantage of the first method is that it only needs one operation to allocate/free the whole memory representation of a packet.
57 On the other hand, the second method is more flexible and allows
58 the complete separation of the allocation of metadata structures from the allocation of packet data buffers.
59
60 The first method was chosen for the DPDK.
61 The metadata contains control information such as message type, length,
62 offset to the start of the data and a pointer for additional mbuf structures allowing buffer chaining.
63
64 Message buffers that are used to carry network packets can handle buffer chaining
65 where multiple buffers are required to hold the complete packet.
66 This is the case for jumbo frames that are composed of many mbufs linked together through their next field.
67
68 For a newly allocated mbuf, the area at which the data begins in the message buffer is
69 RTE_PKTMBUF_HEADROOM bytes after the beginning of the buffer, which is cache aligned.
70 Message buffers may be used to carry control information, packets, events,
71 and so on between different entities in the system.
72 Message buffers may also use their buffer pointers to point to other message buffer data sections or other structures.
73
74 Figure 8 and Figure 9 show some of these scenarios.
75
76 .. _pg_figure_8:
77
78 **Figure 8. An mbuf with One Segment**
79
80 .. image22_png  has been replaced
81
82 |mbuf1|
83
84 .. _pg_figure_9:
85
86 **Figure 9. An mbuf with Three Segments**
87
88 .. image23_png has been replaced
89
90 |mbuf2|
91
92 The Buffer Manager implements a fairly standard set of buffer access functions to manipulate network packets.
93
94 Buffers Stored in Memory Pools
95 ------------------------------
96
97 The Buffer Manager uses the :ref:`Mempool Library <Mempool_Library>` to allocate buffers.
98 Therefore, it ensures that the packet header is interleaved optimally across the channels and ranks for L3 processing.
99 An mbuf contains a field indicating the pool that it originated from.
100 When calling rte_ctrlmbuf_free(m) or rte_pktmbuf_free(m), the mbuf returns to its original pool.
101
102 Constructors
103 ------------
104
105 Packet and control mbuf constructors are provided by the API.
106 The rte_pktmbuf_init() and rte_ctrlmbuf_init() functions initialize some fields in the mbuf structure that
107 are not modified by the user once created (mbuf type, origin pool, buffer start address, and so on).
108 This function is given as a callback function to the rte_mempool_create() function at pool creation time.
109
110 Allocating and Freeing mbufs
111 ----------------------------
112
113 Allocating a new mbuf requires the user to specify the mempool from which the mbuf should be taken.
114 For any newly-allocated mbuf, it contains one segment, with a length of 0.
115 The offset to data is initialized to have some bytes of headroom in the buffer (RTE_PKTMBUF_HEADROOM).
116
117 Freeing a mbuf means returning it into its original mempool.
118 The content of an mbuf is not modified when it is stored in a pool (as a free mbuf).
119 Fields initialized by the constructor do not need to be re-initialized at mbuf allocation.
120
121 When freeing a packet mbuf that contains several segments, all of them are freed and returned to their original mempool.
122
123 Manipulating mbufs
124 ------------------
125
126 This library provides some functions for manipulating the data in a packet mbuf. For instance:
127
128     *  Get data length
129
130     *  Get a pointer to the start of data
131
132     *  Prepend data before data
133
134     *   Append data after data
135
136     *   Remove data at the beginning of the buffer (rte_pktmbuf_adj())
137
138     *   Remove data at the end of the buffer (rte_pktmbuf_trim()) Refer to the *DPDK API Reference* for details.
139
140 Meta Information
141 ----------------
142
143 Some information is retrieved by the network driver and stored in an mbuf to make processing easier.
144 For instance, the VLAN, the RSS hash result (see :ref:`Poll Mode Driver <Poll_Mode_Driver>`)
145 and a flag indicating that the checksum was computed by hardware.
146
147 An mbuf also contains the input port (where it comes from), and the number of segment mbufs in the chain.
148
149 For chained buffers, only the first mbuf of the chain stores this meta information.
150
151 For instance, this is the case on RX side for the IEEE1588 packet
152 timestamp mechanism, the VLAN tagging and the IP checksum computation.
153
154 On TX side, it is also possible for an application to delegate some
155 processing to the hardware if it supports it. For instance, the
156 PKT_TX_IP_CKSUM flag allows to offload the computation of the IPv4
157 checksum.
158
159 The following examples explain how to configure different TX offloads on
160 a vxlan-encapsulated tcp packet:
161 ``out_eth/out_ip/out_udp/vxlan/in_eth/in_ip/in_tcp/payload``
162
163 - calculate checksum of out_ip::
164
165     mb->l2_len = len(out_eth)
166     mb->l3_len = len(out_ip)
167     mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CSUM
168     set out_ip checksum to 0 in the packet
169
170   This is supported on hardware advertising DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM.
171
172 - calculate checksum of out_ip and out_udp::
173
174     mb->l2_len = len(out_eth)
175     mb->l3_len = len(out_ip)
176     mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CSUM | PKT_TX_UDP_CKSUM
177     set out_ip checksum to 0 in the packet
178     set out_udp checksum to pseudo header using rte_ipv4_phdr_cksum()
179
180    This is supported on hardware advertising DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM
181    and DEV_TX_OFFLOAD_UDP_CKSUM.
182
183 - calculate checksum of in_ip::
184
185     mb->l2_len = len(out_eth + out_ip + out_udp + vxlan + in_eth)
186     mb->l3_len = len(in_ip)
187     mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CSUM
188     set in_ip checksum to 0 in the packet
189
190   This is similar to case 1), but l2_len is different. It is supported
191   on hardware advertising DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM.
192   Note that it can only work if outer L4 checksum is 0.
193
194 - calculate checksum of in_ip and in_tcp::
195
196     mb->l2_len = len(out_eth + out_ip + out_udp + vxlan + in_eth)
197     mb->l3_len = len(in_ip)
198     mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CSUM | PKT_TX_TCP_CKSUM
199     set in_ip checksum to 0 in the packet
200     set in_tcp checksum to pseudo header using rte_ipv4_phdr_cksum()
201
202   This is similar to case 2), but l2_len is different. It is supported
203   on hardware advertising DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM and
204   DEV_TX_OFFLOAD_TCP_CKSUM.
205   Note that it can only work if outer L4 checksum is 0.
206
207 - segment inner TCP::
208
209     mb->l2_len = len(out_eth + out_ip + out_udp + vxlan + in_eth)
210     mb->l3_len = len(in_ip)
211     mb->l4_len = len(in_tcp)
212     mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CKSUM | PKT_TX_TCP_CKSUM |
213       PKT_TX_TCP_SEG;
214     set in_ip checksum to 0 in the packet
215     set in_tcp checksum to pseudo header without including the IP
216       payload length using rte_ipv4_phdr_cksum()
217
218   This is supported on hardware advertising DEV_TX_OFFLOAD_TCP_TSO.
219   Note that it can only work if outer L4 checksum is 0.
220
221 - calculate checksum of out_ip, in_ip, in_tcp::
222
223     mb->outer_l2_len = len(out_eth)
224     mb->outer_l3_len = len(out_ip)
225     mb->l2_len = len(out_udp + vxlan + in_eth)
226     mb->l3_len = len(in_ip)
227     mb->ol_flags |= PKT_TX_OUTER_IPV4 | PKT_TX_OUTER_IP_CKSUM  | \
228       PKT_TX_IP_CKSUM |  PKT_TX_TCP_CKSUM;
229     set out_ip checksum to 0 in the packet
230     set in_ip checksum to 0 in the packet
231     set in_tcp checksum to pseudo header using rte_ipv4_phdr_cksum()
232
233    This is supported on hardware advertising DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM,
234    DEV_TX_OFFLOAD_UDP_CKSUM and DEV_TX_OFFLOAD_OUTER_IPV4_CKSUM.
235
236 The list of flags and their precise meaning is described in the mbuf API
237 documentation (rte_mbuf.h). Also refer to the testpmd source code
238 (specifically the csumonly.c file) for details.
239
240 Direct and Indirect Buffers
241 ---------------------------
242
243 A direct buffer is a buffer that is completely separate and self-contained.
244 An indirect buffer behaves like a direct buffer but for the fact that the buffer pointer and
245 data offset in it refer to data in another direct buffer.
246 This is useful in situations where packets need to be duplicated or fragmented,
247 since indirect buffers provide the means to reuse the same packet data across multiple buffers.
248
249 A buffer becomes indirect when it is "attached" to a direct buffer using the rte_pktmbuf_attach() function.
250 Each buffer has a reference counter field and whenever an indirect buffer is attached to the direct buffer,
251 the reference counter on the direct buffer is incremented.
252 Similarly, whenever the indirect buffer is detached, the reference counter on the direct buffer is decremented.
253 If the resulting reference counter is equal to 0, the direct buffer is freed since it is no longer in use.
254
255 There are a few things to remember when dealing with indirect buffers.
256 First of all, it is not possible to attach an indirect buffer to another indirect buffer.
257 Secondly, for a buffer to become indirect, its reference counter must be equal to 1,
258 that is, it must not be already referenced by another indirect buffer.
259 Finally, it is not possible to reattach an indirect buffer to the direct buffer (unless it is detached first).
260
261 While the attach/detach operations can be invoked directly using the recommended rte_pktmbuf_attach() and rte_pktmbuf_detach() functions,
262 it is suggested to use the higher-level rte_pktmbuf_clone() function,
263 which takes care of the correct initialization of an indirect buffer and can clone buffers with multiple segments.
264
265 Since indirect buffers are not supposed to actually hold any data,
266 the memory pool for indirect buffers should be configured to indicate the reduced memory consumption.
267 Examples of the initialization of a memory pool for indirect buffers (as well as use case examples for indirect buffers)
268 can be found in several of the sample applications, for example, the IPv4 Multicast sample application.
269
270 Debug
271 -----
272
273 In debug mode (CONFIG_RTE_MBUF_DEBUG is enabled),
274 the functions of the mbuf library perform sanity checks before any operation (such as, buffer corruption, bad type, and so on).
275
276 Use Cases
277 ---------
278
279 All networking application should use mbufs to transport network packets.
280
281 .. |mbuf1| image:: img/mbuf1.*
282
283 .. |mbuf2| image:: img/mbuf2.*