db921f922bd7f06f2b3011a52ab092fae5ab97f1
[dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / vhost_lib.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2016 Intel Corporation.
3
4 Vhost Library
5 =============
6
7 The vhost library implements a user space virtio net server allowing the user
8 to manipulate the virtio ring directly. In another words, it allows the user
9 to fetch/put packets from/to the VM virtio net device. To achieve this, a
10 vhost library should be able to:
11
12 * Access the guest memory:
13
14   For QEMU, this is done by using the ``-object memory-backend-file,share=on,...``
15   option. Which means QEMU will create a file to serve as the guest RAM.
16   The ``share=on`` option allows another process to map that file, which
17   means it can access the guest RAM.
18
19 * Know all the necessary information about the vring:
20
21   Information such as where the available ring is stored. Vhost defines some
22   messages (passed through a Unix domain socket file) to tell the backend all
23   the information it needs to know how to manipulate the vring.
24
25
26 Vhost API Overview
27 ------------------
28
29 The following is an overview of some key Vhost API functions:
30
31 * ``rte_vhost_driver_register(path, flags)``
32
33   This function registers a vhost driver into the system. ``path`` specifies
34   the Unix domain socket file path.
35
36   Currently supported flags are:
37
38   - ``RTE_VHOST_USER_CLIENT``
39
40     DPDK vhost-user will act as the client when this flag is given. See below
41     for an explanation.
42
43   - ``RTE_VHOST_USER_NO_RECONNECT``
44
45     When DPDK vhost-user acts as the client it will keep trying to reconnect
46     to the server (QEMU) until it succeeds. This is useful in two cases:
47
48     * When QEMU is not started yet.
49     * When QEMU restarts (for example due to a guest OS reboot).
50
51     This reconnect option is enabled by default. However, it can be turned off
52     by setting this flag.
53
54   - ``RTE_VHOST_USER_DEQUEUE_ZERO_COPY``
55
56     Dequeue zero copy will be enabled when this flag is set. It is disabled by
57     default.
58
59     There are some truths (including limitations) you might want to know while
60     setting this flag:
61
62     * zero copy is not good for small packets (typically for packet size below
63       512).
64
65     * zero copy is really good for VM2VM case. For iperf between two VMs, the
66       boost could be above 70% (when TSO is enabled).
67
68     * For zero copy in VM2NIC case, guest Tx used vring may be starved if the
69       PMD driver consume the mbuf but not release them timely.
70
71       For example, i40e driver has an optimization to maximum NIC pipeline which
72       postpones returning transmitted mbuf until only tx_free_threshold free
73       descs left. The virtio TX used ring will be starved if the formula
74       (num_i40e_tx_desc - num_virtio_tx_desc > tx_free_threshold) is true, since
75       i40e will not return back mbuf.
76
77       A performance tip for tuning zero copy in VM2NIC case is to adjust the
78       frequency of mbuf free (i.e. adjust tx_free_threshold of i40e driver) to
79       balance consumer and producer.
80
81     * Guest memory should be backended with huge pages to achieve better
82       performance. Using 1G page size is the best.
83
84       When dequeue zero copy is enabled, the guest phys address and host phys
85       address mapping has to be established. Using non-huge pages means far
86       more page segments. To make it simple, DPDK vhost does a linear search
87       of those segments, thus the fewer the segments, the quicker we will get
88       the mapping. NOTE: we may speed it by using tree searching in future.
89
90     * zero copy can not work when using vfio-pci with iommu mode currently, this
91       is because we don't setup iommu dma mapping for guest memory. If you have
92       to use vfio-pci driver, please insert vfio-pci kernel module in noiommu
93       mode.
94
95     * The consumer of zero copy mbufs should consume these mbufs as soon as
96       possible, otherwise it may block the operations in vhost.
97
98   - ``RTE_VHOST_USER_IOMMU_SUPPORT``
99
100     IOMMU support will be enabled when this flag is set. It is disabled by
101     default.
102
103     Enabling this flag makes possible to use guest vIOMMU to protect vhost
104     from accessing memory the virtio device isn't allowed to, when the feature
105     is negotiated and an IOMMU device is declared.
106
107   - ``RTE_VHOST_USER_POSTCOPY_SUPPORT``
108
109     Postcopy live-migration support will be enabled when this flag is set.
110     It is disabled by default.
111
112     Enabling this flag should only be done when the calling application does
113     not pre-fault the guest shared memory, otherwise migration would fail.
114
115   - ``RTE_VHOST_USER_LINEARBUF_SUPPORT``
116
117     Enabling this flag forces vhost dequeue function to only provide linear
118     pktmbuf (no multi-segmented pktmbuf).
119
120     The vhost library by default provides a single pktmbuf for given a
121     packet, but if for some reason the data doesn't fit into a single
122     pktmbuf (e.g., TSO is enabled), the library will allocate additional
123     pktmbufs from the same mempool and chain them together to create a
124     multi-segmented pktmbuf.
125
126     However, the vhost application needs to support multi-segmented format.
127     If the vhost application does not support that format and requires large
128     buffers to be dequeue, this flag should be enabled to force only linear
129     buffers (see RTE_VHOST_USER_EXTBUF_SUPPORT) or drop the packet.
130
131     It is disabled by default.
132
133   - ``RTE_VHOST_USER_EXTBUF_SUPPORT``
134
135     Enabling this flag allows vhost dequeue function to allocate and attach
136     an external buffer to a pktmbuf if the pkmbuf doesn't provide enough
137     space to store all data.
138
139     This is useful when the vhost application wants to support large packets
140     but doesn't want to increase the default mempool object size nor to
141     support multi-segmented mbufs (non-linear). In this case, a fresh buffer
142     is allocated using rte_malloc() which gets attached to a pktmbuf using
143     rte_pktmbuf_attach_extbuf().
144
145     See RTE_VHOST_USER_LINEARBUF_SUPPORT as well to disable multi-segmented
146     mbufs for application that doesn't support chained mbufs.
147
148     It is disabled by default.
149
150 * ``rte_vhost_driver_set_features(path, features)``
151
152   This function sets the feature bits the vhost-user driver supports. The
153   vhost-user driver could be vhost-user net, yet it could be something else,
154   say, vhost-user SCSI.
155
156 * ``rte_vhost_driver_callback_register(path, vhost_device_ops)``
157
158   This function registers a set of callbacks, to let DPDK applications take
159   the appropriate action when some events happen. The following events are
160   currently supported:
161
162   * ``new_device(int vid)``
163
164     This callback is invoked when a virtio device becomes ready. ``vid``
165     is the vhost device ID.
166
167   * ``destroy_device(int vid)``
168
169     This callback is invoked when a virtio device is paused or shut down.
170
171   * ``vring_state_changed(int vid, uint16_t queue_id, int enable)``
172
173     This callback is invoked when a specific queue's state is changed, for
174     example to enabled or disabled.
175
176   * ``features_changed(int vid, uint64_t features)``
177
178     This callback is invoked when the features is changed. For example,
179     ``VHOST_F_LOG_ALL`` will be set/cleared at the start/end of live
180     migration, respectively.
181
182   * ``new_connection(int vid)``
183
184     This callback is invoked on new vhost-user socket connection. If DPDK
185     acts as the server the device should not be deleted before
186     ``destroy_connection`` callback is received.
187
188   * ``destroy_connection(int vid)``
189
190     This callback is invoked when vhost-user socket connection is closed.
191     It indicates that device with id ``vid`` is no longer in use and can be
192     safely deleted.
193
194 * ``rte_vhost_driver_disable/enable_features(path, features))``
195
196   This function disables/enables some features. For example, it can be used to
197   disable mergeable buffers and TSO features, which both are enabled by
198   default.
199
200 * ``rte_vhost_driver_start(path)``
201
202   This function triggers the vhost-user negotiation. It should be invoked at
203   the end of initializing a vhost-user driver.
204
205 * ``rte_vhost_enqueue_burst(vid, queue_id, pkts, count)``
206
207   Transmits (enqueues) ``count`` packets from host to guest.
208
209 * ``rte_vhost_dequeue_burst(vid, queue_id, mbuf_pool, pkts, count)``
210
211   Receives (dequeues) ``count`` packets from guest, and stored them at ``pkts``.
212
213 * ``rte_vhost_crypto_create(vid, cryptodev_id, sess_mempool, socket_id)``
214
215   As an extension of new_device(), this function adds virtio-crypto workload
216   acceleration capability to the device. All crypto workload is processed by
217   DPDK cryptodev with the device ID of ``cryptodev_id``.
218
219 * ``rte_vhost_crypto_free(vid)``
220
221   Frees the memory and vhost-user message handlers created in
222   rte_vhost_crypto_create().
223
224 * ``rte_vhost_crypto_fetch_requests(vid, queue_id, ops, nb_ops)``
225
226   Receives (dequeues) ``nb_ops`` virtio-crypto requests from guest, parses
227   them to DPDK Crypto Operations, and fills the ``ops`` with parsing results.
228
229 * ``rte_vhost_crypto_finalize_requests(queue_id, ops, nb_ops)``
230
231   After the ``ops`` are dequeued from Cryptodev, finalizes the jobs and
232   notifies the guest(s).
233
234 * ``rte_vhost_crypto_set_zero_copy(vid, option)``
235
236   Enable or disable zero copy feature of the vhost crypto backend.
237
238 Vhost-user Implementations
239 --------------------------
240
241 Vhost-user uses Unix domain sockets for passing messages. This means the DPDK
242 vhost-user implementation has two options:
243
244 * DPDK vhost-user acts as the server.
245
246   DPDK will create a Unix domain socket server file and listen for
247   connections from the frontend.
248
249   Note, this is the default mode, and the only mode before DPDK v16.07.
250
251
252 * DPDK vhost-user acts as the client.
253
254   Unlike the server mode, this mode doesn't create the socket file;
255   it just tries to connect to the server (which responses to create the
256   file instead).
257
258   When the DPDK vhost-user application restarts, DPDK vhost-user will try to
259   connect to the server again. This is how the "reconnect" feature works.
260
261   .. Note::
262      * The "reconnect" feature requires **QEMU v2.7** (or above).
263
264      * The vhost supported features must be exactly the same before and
265        after the restart. For example, if TSO is disabled and then enabled,
266        nothing will work and issues undefined might happen.
267
268 No matter which mode is used, once a connection is established, DPDK
269 vhost-user will start receiving and processing vhost messages from QEMU.
270
271 For messages with a file descriptor, the file descriptor can be used directly
272 in the vhost process as it is already installed by the Unix domain socket.
273
274 The supported vhost messages are:
275
276 * ``VHOST_SET_MEM_TABLE``
277 * ``VHOST_SET_VRING_KICK``
278 * ``VHOST_SET_VRING_CALL``
279 * ``VHOST_SET_LOG_FD``
280 * ``VHOST_SET_VRING_ERR``
281
282 For ``VHOST_SET_MEM_TABLE`` message, QEMU will send information for each
283 memory region and its file descriptor in the ancillary data of the message.
284 The file descriptor is used to map that region.
285
286 ``VHOST_SET_VRING_KICK`` is used as the signal to put the vhost device into
287 the data plane, and ``VHOST_GET_VRING_BASE`` is used as the signal to remove
288 the vhost device from the data plane.
289
290 When the socket connection is closed, vhost will destroy the device.
291
292 Guest memory requirement
293 ------------------------
294
295 * Memory pre-allocation
296
297   For non-zerocopy, guest memory pre-allocation is not a must. This can help
298   save of memory. If users really want the guest memory to be pre-allocated
299   (e.g., for performance reason), we can add option ``-mem-prealloc`` when
300   starting QEMU. Or, we can lock all memory at vhost side which will force
301   memory to be allocated when mmap at vhost side; option --mlockall in
302   ovs-dpdk is an example in hand.
303
304   For zerocopy, we force the VM memory to be pre-allocated at vhost lib when
305   mapping the guest memory; and also we need to lock the memory to prevent
306   pages being swapped out to disk.
307
308 * Memory sharing
309
310   Make sure ``share=on`` QEMU option is given. vhost-user will not work with
311   a QEMU version without shared memory mapping.
312
313 Vhost supported vSwitch reference
314 ---------------------------------
315
316 For more vhost details and how to support vhost in vSwitch, please refer to
317 the vhost example in the DPDK Sample Applications Guide.
318
319 Vhost data path acceleration (vDPA)
320 -----------------------------------
321
322 vDPA supports selective datapath in vhost-user lib by enabling virtio ring
323 compatible devices to serve virtio driver directly for datapath acceleration.
324
325 ``rte_vhost_driver_attach_vdpa_device`` is used to configure the vhost device
326 with accelerated backend.
327
328 Also vhost device capabilities are made configurable to adopt various devices.
329 Such capabilities include supported features, protocol features, queue number.
330
331 Finally, a set of device ops is defined for device specific operations:
332
333 * ``get_queue_num``
334
335   Called to get supported queue number of the device.
336
337 * ``get_features``
338
339   Called to get supported features of the device.
340
341 * ``get_protocol_features``
342
343   Called to get supported protocol features of the device.
344
345 * ``dev_conf``
346
347   Called to configure the actual device when the virtio device becomes ready.
348
349 * ``dev_close``
350
351   Called to close the actual device when the virtio device is stopped.
352
353 * ``set_vring_state``
354
355   Called to change the state of the vring in the actual device when vring state
356   changes.
357
358 * ``set_features``
359
360   Called to set the negotiated features to device.
361
362 * ``migration_done``
363
364   Called to allow the device to response to RARP sending.
365
366 * ``get_vfio_group_fd``
367
368    Called to get the VFIO group fd of the device.
369
370 * ``get_vfio_device_fd``
371
372   Called to get the VFIO device fd of the device.
373
374 * ``get_notify_area``
375
376   Called to get the notify area info of the queue.