d2adbfffd18766c7adacef73f9e9bb1036f3df65
[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 Classification methods
273 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
274
275 After rte_acl_build() over given ACL context has finished successfully, it can be used to perform classification - search for a ACL rule with highest priority over the input data.
276 There are several implementations of classify algorithm:
277
278 *   **RTE_ACL_CLASSIFY_SCALAR**: generic implementation, doesn't require any specific HW support.
279
280 *   **RTE_ACL_CLASSIFY_SSE**: vector implementation, can process up to 8 flows in parallel. Requires SSE 4.1 support.
281
282 *   **RTE_ACL_CLASSIFY_AVX2**: vector implementation, can process up to 16 flows in parallel. Requires AVX2 support.
283
284 It is purely a runtime decision which method to choose, there is no build-time difference.
285 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.
286 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.
287
288 Application Programming Interface (API) Usage
289 ---------------------------------------------
290
291 .. note::
292
293     For more details about the Access Control API, please refer to the *DPDK API Reference*.
294
295 The following example demonstrates IPv4, 5-tuple classification for rules defined above
296 with multiple categories in more detail.
297
298 Classify with Multiple Categories
299 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
300
301 .. code-block:: c
302
303     struct rte_acl_ctx * acx;
304     struct rte_acl_config cfg;
305     int ret;
306
307     /* define a structure for the rule with up to 5 fields. */
308
309     RTE_ACL_RULE_DEF(acl_ipv4_rule, RTE_DIM(ipv4_defs));
310
311     /* AC context creation parameters. */
312
313     struct rte_acl_param prm = {
314         .name = "ACL_example",
315         .socket_id = SOCKET_ID_ANY,
316         .rule_size = RTE_ACL_RULE_SZ(RTE_DIM(ipv4_defs)),
317
318         /* number of fields per rule. */
319
320         .max_rule_num = 8, /* maximum number of rules in the AC context. */
321     };
322
323     struct acl_ipv4_rule acl_rules[] = {
324
325         /* matches all packets traveling to 192.168.0.0/16, applies for categories: 0,1 */
326         {
327             .data = {.userdata = 1, .category_mask = 3, .priority = 1},
328
329             /* destination IPv4 */
330             .field[2] = {.value.u32 = IPv4(192,168,0,0),. mask_range.u32 = 16,},
331
332             /* source port */
333             .field[3] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
334
335             /* destination port */
336            .field[4] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
337         },
338
339         /* matches all packets traveling to 192.168.1.0/24, applies for categories: 0 */
340         {
341             .data = {.userdata = 2, .category_mask = 1, .priority = 2},
342
343             /* destination IPv4 */
344             .field[2] = {.value.u32 = IPv4(192,168,1,0),. mask_range.u32 = 24,},
345
346             /* source port */
347             .field[3] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
348
349             /* destination port */
350             .field[4] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
351         },
352
353         /* matches all packets traveling from 10.1.1.1, applies for categories: 1 */
354         {
355             .data = {.userdata = 3, .category_mask = 2, .priority = 3},
356
357             /* source IPv4 */
358             .field[1] = {.value.u32 = IPv4(10,1,1,1),. mask_range.u32 = 32,},
359
360             /* source port */
361             .field[3] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
362
363             /* destination port */
364             .field[4] = {.value.u16 = 0, .mask_range.u16 = 0xffff,},
365         },
366
367     };
368
369
370     /* create an empty AC context  */
371
372     if ((acx = rte_acl_create(&prm)) == NULL) {
373
374         /* handle context create failure. */
375
376     }
377
378     /* add rules to the context */
379
380     ret = rte_acl_add_rules(acx, acl_rules, RTE_DIM(acl_rules));
381     if (ret != 0) {
382        /* handle error at adding ACL rules. */
383     }
384
385     /* prepare AC build config. */
386
387     cfg.num_categories = 2;
388     cfg.num_fields = RTE_DIM(ipv4_defs);
389
390     memcpy(cfg.defs, ipv4_defs, sizeof (ipv4_defs));
391
392     /* build the runtime structures for added rules, with 2 categories. */
393
394     ret = rte_acl_build(acx, &cfg);
395     if (ret != 0) {
396        /* handle error at build runtime structures for ACL context. */
397     }
398
399 For a tuple with source IP address: 10.1.1.1 and destination IP address: 192.168.1.15,
400 once the following lines are executed:
401
402 .. code-block:: c
403
404     uint32_t results[4]; /* make classify for 4 categories. */
405
406     rte_acl_classify(acx, data, results, 1, 4);
407
408 then the results[] array contains:
409
410 .. code-block:: c
411
412     results[4] = {2, 3, 0, 0};
413
414 *   For category 0, both rules 1 and 2 match, but rule 2 has higher priority,
415     therefore results[0] contains the userdata for rule 2.
416
417 *   For category 1, both rules 1 and 3 match, but rule 3 has higher priority,
418     therefore results[1] contains the userdata for rule 3.
419
420 *   For categories 2 and 3, there are no matches, so results[2] and results[3] contain zero,
421     which indicates that no matches were found for those categories.
422
423 For a tuple with source IP address: 192.168.1.1 and destination IP address: 192.168.2.11,
424 once the following lines are executed:
425
426 .. code-block:: c
427
428     uint32_t results[4]; /* make classify by 4 categories. */
429
430     rte_acl_classify(acx, data, results, 1, 4);
431
432 the results[] array contains:
433
434 .. code-block:: c
435
436     results[4] = {1, 1, 0, 0};
437
438 *   For categories 0 and 1, only rule 1 matches.
439
440 *   For categories 2 and 3, there are no matches.
441
442 For a tuple with source IP address: 10.1.1.1 and destination IP address: 201.212.111.12,
443 once the following lines are executed:
444
445 .. code-block:: c
446
447     uint32_t results[4]; /* make classify by 4 categories. */
448     rte_acl_classify(acx, data, results, 1, 4);
449
450 the results[] array contains:
451
452 .. code-block:: c
453
454     results[4] = {0, 3, 0, 0};
455
456 *   For category 1, only rule 3 matches.
457
458 *   For categories 0, 2 and 3, there are no matches.