doc: describe ACL memory size build parameter
[dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / packet_classif_access_ctrl.rst
1 ..  BSD LICENSE
2     Copyright(c) 2010-2015 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 Packet Classification and Access Control
32 ========================================
33
34 The DPDK provides an Access Control library that gives the ability
35 to classify an input packet based on a set of classification rules.
36
37 The ACL library is used to perform an N-tuple search over a set of rules with multiple categories
38 and find the best match (highest priority) for each category.
39 The library API provides the following basic operations:
40
41 *   Create a new Access Control (AC) context.
42
43 *   Add rules into the context.
44
45 *   For all rules in the context, build the runtime structures necessary to perform packet classification.
46
47 *   Perform input packet classifications.
48
49 *   Destroy an AC context and its runtime structures and free the associated memory.
50
51 Overview
52 --------
53
54 Rule definition
55 ~~~~~~~~~~~~~~~
56
57 The current implementation allows the user for each AC context to specify its own rule (set of fields)
58 over which packet classification will be performed.
59 Though there are few restrictions on the rule fields layout:
60
61 *  First field in the rule definition has to be one byte long.
62 *  All subsequent fields has to be grouped into sets of 4 consecutive bytes.
63
64 This is done mainly for performance reasons - search function processes the first input byte as part of the flow setup and then the inner loop of the search function is unrolled to process four input bytes at a time.
65
66 To define each field inside an AC rule, the following structure is used:
67
68 .. code-block:: c
69
70     struct rte_acl_field_def {
71         uint8_t type;         /*< type - ACL_FIELD_TYPE. */
72         uint8_t size;         /*< size of field 1,2,4, or 8. */
73         uint8_t field_index;  /*< index of field inside the rule. */
74         uint8_t input_index;  /*< 0-N input index. */
75         uint32_t offset;      /*< offset to start of field. */
76     };
77
78 *   type
79     The field type is one of three choices:
80
81     *   _MASK - for fields such as IP addresses that have a value and a mask defining the number of relevant bits.
82
83     *   _RANGE - for fields such as ports that have a lower and upper value for the field.
84
85     *   _BITMASK - for fields such as protocol identifiers that have a value and a bit mask.
86
87 *   size
88     The size parameter defines the length of the field in bytes. Allowable values are 1, 2, 4, or 8 bytes.
89     Note that due to the grouping of input bytes, 1 or 2 byte fields must be defined as consecutive fields
90     that make up 4 consecutive input bytes.
91     Also, it is best to define fields of 8 or more bytes as 4 byte fields so that
92     the build processes can eliminate fields that are all wild.
93
94 *   field_index
95     A zero-based value that represents the position of the field inside the rule; 0 to N-1 for N fields.
96
97 *   input_index
98     As mentioned above, all input fields, except the very first one, must be in groups of 4 consecutive bytes.
99     The input index specifies to which input group that field belongs to.
100
101 *   offset
102     The offset field defines the offset for the field.
103     This is the offset from the beginning of the buffer parameter for the search.
104
105 For example, to define classification for the following IPv4 5-tuple structure:
106
107 .. code-block:: c
108
109     struct ipv4_5tuple {
110         uint8_t proto;
111         uint32_t ip_src;
112         uint32_t ip_dst;
113         uint16_t port_src;
114         uint16_t port_dst;
115     };
116
117 The following array of field definitions can be used:
118
119 .. code-block:: c
120
121     struct rte_acl_field_def ipv4_defs[5] = {
122         /* first input field - always one byte long. */
123         {
124             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_BITMASK,
125             .size = sizeof (uint8_t),
126             .field_index = 0,
127             .input_index = 0,
128             .offset = offsetof (struct ipv4_5tuple, proto),
129         },
130
131         /* next input field (IPv4 source address) - 4 consecutive bytes. */
132         {
133             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
134             .size = sizeof (uint32_t),
135             .field_index = 1,
136             .input_index = 1,
137            .offset = offsetof (struct ipv4_5tuple, ip_src),
138         },
139
140         /* next input field (IPv4 destination address) - 4 consecutive bytes. */
141         {
142             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
143             .size = sizeof (uint32_t),
144             .field_index = 2,
145             .input_index = 2,
146            .offset = offsetof (struct ipv4_5tuple, ip_dst),
147         },
148
149         /*
150          * Next 2 fields (src & dst ports) form 4 consecutive bytes.
151          * They share the same input index.
152          */
153         {
154             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_RANGE,
155             .size = sizeof (uint16_t),
156             .field_index = 3,
157             .input_index = 3,
158             .offset = offsetof (struct ipv4_5tuple, port_src),
159         },
160
161         {
162             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_RANGE,
163             .size = sizeof (uint16_t),
164             .field_index = 4,
165             .input_index = 3,
166             .offset = offsetof (struct ipv4_5tuple, port_dst),
167         },
168     };
169
170 A typical example of such an IPv4 5-tuple rule is a follows:
171
172 ::
173
174     source addr/mask  destination addr/mask  source ports dest ports protocol/mask
175     192.168.1.0/24    192.168.2.31/32        0:65535      1234:1234  17/0xff
176
177 Any IPv4 packets with protocol ID 17 (UDP), source address 192.168.1.[0-255], destination address 192.168.2.31,
178 source port [0-65535] and destination port 1234 matches the above rule.
179
180 To define classification for the IPv6 2-tuple: <protocol, IPv6 source address> over the following IPv6 header structure:
181
182 .. code-block:: c
183
184     struct struct ipv6_hdr {
185         uint32_t vtc_flow;     /* IP version, traffic class & flow label. */
186         uint16_t payload_len;  /* IP packet length - includes sizeof(ip_header). */
187         uint8_t proto;         /* Protocol, next header. */
188         uint8_t hop_limits;    /* Hop limits. */
189         uint8_t src_addr[16];  /* IP address of source host. */
190         uint8_t dst_addr[16];  /* IP address of destination host(s). */
191     } __attribute__((__packed__));
192
193 The following array of field definitions can be used:
194
195 .. code-block:: c
196
197     struct struct rte_acl_field_def ipv6_2tuple_defs[5] = {
198         {
199             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_BITMASK,
200             .size = sizeof (uint8_t),
201             .field_index = 0,
202             .input_index = 0,
203             .offset = offsetof (struct ipv6_hdr, proto),
204         },
205
206         {
207             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
208             .size = sizeof (uint32_t),
209             .field_index = 1,
210             .input_index = 1,
211             .offset = offsetof (struct ipv6_hdr, src_addr[0]),
212         },
213
214         {
215             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
216             .size = sizeof (uint32_t),
217             .field_index = 2,
218             .input_index = 2,
219             .offset = offsetof (struct ipv6_hdr, src_addr[4]),
220         },
221
222         {
223             .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
224             .size = sizeof (uint32_t),
225             .field_index = 3,
226             .input_index = 3,
227            .offset = offsetof (struct ipv6_hdr, src_addr[8]),
228         },
229
230         {
231            .type = RTE_ACL_FIELD_TYPE_MASK,
232            .size = sizeof (uint32_t),
233            .field_index = 4,
234            .input_index = 4,
235            .offset = offsetof (struct ipv6_hdr, src_addr[12]),
236         },
237     };
238
239 A typical example of such an IPv6 2-tuple rule is a follows:
240
241 ::
242
243     source addr/mask                              protocol/mask
244     2001:db8:1234:0000:0000:0000:0000:0000/48     6/0xff
245
246 Any IPv6 packets with protocol ID 6 (TCP), and source address inside the range
247 [2001:db8:1234:0000:0000:0000:0000:0000 - 2001:db8:1234:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff] matches the above rule.
248
249 When creating a set of rules, for each rule, additional information must be supplied also:
250
251 *   **priority**: A weight to measure the priority of the rules (higher is better).
252     If the input tuple matches more than one rule, then the rule with the higher priority is returned.
253     Note that if the input tuple matches more than one rule and these rules have equal priority,
254     it is undefined which rule is returned as a match.
255     It is recommended to assign a unique priority for each rule.
256
257 *   **category_mask**: Each rule uses a bit mask value to select the relevant category(s) for the rule.
258     When a lookup is performed, the result for each category is returned.
259     This effectively provides a "parallel lookup" by enabling a single search to return multiple results if,
260     for example, there were four different sets of ACL rules, one for access control, one for routing, and so on.
261     Each set could be assigned its own category and by combining them into a single database,
262     one lookup returns a result for each of the four sets.
263
264 *   **userdata**: A user-defined field that could be any value except zero.
265     For each category, a successful match returns the userdata field of the highest priority matched rule.
266
267 .. note::
268
269     When adding new rules into an ACL context, all fields must be in host byte order (LSB).
270     When the search is performed for an input tuple, all fields in that tuple must be in network byte order (MSB).
271
272 RT memory size limit
273 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
274
275 Build phase (rte_acl_build()) creates for a given set of rules internal structure for further run-time traversal.
276 With current implementation it is a set of multi-bit tries (with stride == 8).
277 Depending on the rules set, that could consume significant amount of memory.
278 In attempt to conserve some space ACL build process tries to split the given
279 rule-set into several non-intersecting subsets and construct a separate trie
280 for each of them.
281 Depending on the rule-set, it might reduce RT memory requirements but might
282 increase classification time.
283 There is a possibility at build-time to specify maximum memory limit for internal RT structures for given AC context.
284 It could be done via **max_size** field of the **rte_acl_config** strucure.
285 Setting it to the value greater than zero, instructs rte_acl_build() to:
286
287 *   attempt to minimise number of tries in the RT table, but
288 *   make sure that size of RT table wouldn't exceed given value.
289
290 Setting it to zero makes rte_acl_build() to use the default behaviour:
291 try to minimise size of the RT structures, but doesn't expose any hard limit on it.
292
293 That gives the user the ability to decisions about performance/space trade-off.
294 For example:
295
296 .. code-block:: c
297
298     struct rte_acl_ctx * acx;
299     struct rte_acl_config cfg;
300     int ret;
301
302     /*
303      * assuming that acx points to already created and
304      * populated with rules AC context and cfg filled properly.
305      */
306
307      /* try to build AC context, with RT strcutures less then 8MB. */
308      cfg.max_size = 0x800000;
309      ret = rte_acl_build(acx, &cfg);
310
311      /*
312       * RT strcutures can't fit into 8MB for given context.
313       * Try to build without exposing any hard limit.
314       */
315      if (ret == -ERANGE) {
316         cfg.max_size = 0;
317         ret = rte_acl_build(acx, &cfg);
318      }
319
320
321
322 Classification methods
323 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
324
325 After rte_acl_build() over given AC context has finished successfully, it can be used to perform classification - search for a rule with highest priority over the input data.
326 There are several implementations of classify algorithm:
327
328 *   **RTE_ACL_CLASSIFY_SCALAR**: generic implementation, doesn't require any specific HW support.
329
330 *   **RTE_ACL_CLASSIFY_SSE**: vector implementation, can process up to 8 flows in parallel. Requires SSE 4.1 support.
331
332 *   **RTE_ACL_CLASSIFY_AVX2**: vector implementation, can process up to 16 flows in parallel. Requires AVX2 support.
333
334 It is purely a runtime decision which method to choose, there is no build-time difference.
335 All implementations operates over the same internal RT structures and use similar principles. The main difference is that vector implementations can manually exploit IA SIMD instructions and process several input data flows in parallel.
336 At startup ACL library determines the highest available classify method for the given platform and sets it as default one. Though the user has an ability to override the default classifier function for a given ACL context or perform particular search using non-default classify method. In that case it is user responsibility to make sure that given platform supports selected classify implementation.
337
338 Application Programming Interface (API) Usage
339 ---------------------------------------------
340
341 .. note::
342
343     For more details about the Access Control API, please refer to the *DPDK API Reference*.
344
345 The following example demonstrates IPv4, 5-tuple classification for rules defined above
346 with multiple categories in more detail.
347
348 Classify with Multiple Categories
349 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
350
351 .. code-block:: c
352
353     struct rte_acl_ctx * acx;
354     struct rte_acl_config cfg;
355     int ret;
356
357     /* define a structure for the rule with up to 5 fields. */
358
359     RTE_ACL_RULE_DEF(acl_ipv4_rule, RTE_DIM(ipv4_defs));
360
361     /* AC context creation parameters. */
362
363     struct rte_acl_param prm = {
364         .name = "ACL_example",
365         .socket_id = SOCKET_ID_ANY,
366         .rule_size = RTE_ACL_RULE_SZ(RTE_DIM(ipv4_defs)),
367
368         /* number of fields per rule. */
369
370         .max_rule_num = 8, /* maximum number of rules in the AC context. */
371     };
372
373     struct acl_ipv4_rule acl_rules[] = {
374
375         /* matches all packets traveling to 192.168.0.0/16, applies for categories: 0,1 */
376         {
377             .data = {.userdata = 1, .category_mask = 3, .priority = 1},
378
379             /* destination IPv4 */
380             .field[2] = {.value.u32 = IPv4(192,168,0,0),. mask_range.u32 = 16,},
381
382             /* source port */
383             .field[3] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
384
385             /* destination port */
386            .field[4] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
387         },
388
389         /* matches all packets traveling to 192.168.1.0/24, applies for categories: 0 */
390         {
391             .data = {.userdata = 2, .category_mask = 1, .priority = 2},
392
393             /* destination IPv4 */
394             .field[2] = {.value.u32 = IPv4(192,168,1,0),. mask_range.u32 = 24,},
395
396             /* source port */
397             .field[3] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
398
399             /* destination port */
400             .field[4] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
401         },
402
403         /* matches all packets traveling from 10.1.1.1, applies for categories: 1 */
404         {
405             .data = {.userdata = 3, .category_mask = 2, .priority = 3},
406
407             /* source IPv4 */
408             .field[1] = {.value.u32 = IPv4(10,1,1,1),. mask_range.u32 = 32,},
409
410             /* source port */
411             .field[3] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
412
413             /* destination port */
414             .field[4] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
415         },
416
417     };
418
419
420     /* create an empty AC context  */
421
422     if ((acx = rte_acl_create(&prm)) == NULL) {
423
424         /* handle context create failure. */
425
426     }
427
428     /* add rules to the context */
429
430     ret = rte_acl_add_rules(acx, acl_rules, RTE_DIM(acl_rules));
431     if (ret != 0) {
432        /* handle error at adding ACL rules. */
433     }
434
435     /* prepare AC build config. */
436
437     cfg.num_categories = 2;
438     cfg.num_fields = RTE_DIM(ipv4_defs);
439
440     memcpy(cfg.defs, ipv4_defs, sizeof (ipv4_defs));
441
442     /* build the runtime structures for added rules, with 2 categories. */
443
444     ret = rte_acl_build(acx, &cfg);
445     if (ret != 0) {
446        /* handle error at build runtime structures for ACL context. */
447     }
448
449 For a tuple with source IP address: 10.1.1.1 and destination IP address: 192.168.1.15,
450 once the following lines are executed:
451
452 .. code-block:: c
453
454     uint32_t results[4]; /* make classify for 4 categories. */
455
456     rte_acl_classify(acx, data, results, 1, 4);
457
458 then the results[] array contains:
459
460 .. code-block:: c
461
462     results[4] = {2, 3, 0, 0};
463
464 *   For category 0, both rules 1 and 2 match, but rule 2 has higher priority,
465     therefore results[0] contains the userdata for rule 2.
466
467 *   For category 1, both rules 1 and 3 match, but rule 3 has higher priority,
468     therefore results[1] contains the userdata for rule 3.
469
470 *   For categories 2 and 3, there are no matches, so results[2] and results[3] contain zero,
471     which indicates that no matches were found for those categories.
472
473 For a tuple with source IP address: 192.168.1.1 and destination IP address: 192.168.2.11,
474 once the following lines are executed:
475
476 .. code-block:: c
477
478     uint32_t results[4]; /* make classify by 4 categories. */
479
480     rte_acl_classify(acx, data, results, 1, 4);
481
482 the results[] array contains:
483
484 .. code-block:: c
485
486     results[4] = {1, 1, 0, 0};
487
488 *   For categories 0 and 1, only rule 1 matches.
489
490 *   For categories 2 and 3, there are no matches.
491
492 For a tuple with source IP address: 10.1.1.1 and destination IP address: 201.212.111.12,
493 once the following lines are executed:
494
495 .. code-block:: c
496
497     uint32_t results[4]; /* make classify by 4 categories. */
498     rte_acl_classify(acx, data, results, 1, 4);
499
500 the results[] array contains:
501
502 .. code-block:: c
503
504     results[4] = {0, 3, 0, 0};
505
506 *   For category 1, only rule 3 matches.
507
508 *   For categories 0, 2 and 3, there are no matches.