net: add rte prefix to IP defines
[dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / ipv4_multicast.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation.
3
4 IPv4 Multicast Sample Application
5 =================================
6
7 The IPv4 Multicast application is a simple example of packet processing
8 using the Data Plane Development Kit (DPDK).
9 The application performs L3 multicasting.
10
11 Overview
12 --------
13
14 The application demonstrates the use of zero-copy buffers for packet forwarding.
15 The initialization and run-time paths are very similar to those of the :doc:`l2_forward_real_virtual`.
16 This guide highlights the differences between the two applications.
17 There are two key differences from the L2 Forwarding sample application:
18
19 *   The IPv4 Multicast sample application makes use of indirect buffers.
20
21 *   The forwarding decision is taken based on information read from the input packet's IPv4 header.
22
23 The lookup method is the Four-byte Key (FBK) hash-based method.
24 The lookup table is composed of pairs of destination IPv4 address (the FBK)
25 and a port mask associated with that IPv4 address.
26
27 .. note::
28
29     The max port mask supported in the given hash table is 0xf, so only first
30     four ports can be supported.
31     If using non-consecutive ports, use the destination IPv4 address accordingly.
32
33 For convenience and simplicity, this sample application does not take IANA-assigned multicast addresses into account,
34 but instead equates the last four bytes of the multicast group (that is, the last four bytes of the destination IP address)
35 with the mask of ports to multicast packets to.
36 Also, the application does not consider the Ethernet addresses;
37 it looks only at the IPv4 destination address for any given packet.
38
39 Compiling the Application
40 -------------------------
41
42 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
43
44 The application is located in the ``ipv4_multicast`` sub-directory.
45
46 Running the Application
47 -----------------------
48
49 The application has a number of command line options:
50
51 .. code-block:: console
52
53     ./build/ipv4_multicast [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ]
54
55 where,
56
57 *   -p PORTMASK: Hexadecimal bitmask of ports to configure
58
59 *   -q NQ: determines the number of queues per lcore
60
61 .. note::
62
63     Unlike the basic L2/L3 Forwarding sample applications,
64     NUMA support is not provided in the IPv4 Multicast sample application.
65
66 Typically, to run the IPv4 Multicast sample application, issue the following command (as root):
67
68 .. code-block:: console
69
70     ./build/ipv4_multicast -l 0-3 -n 3 -- -p 0x3 -q 1
71
72 In this command:
73
74 *   The -l option enables cores 0, 1, 2 and 3
75
76 *   The -n option specifies 3 memory channels
77
78 *   The -p option enables ports 0 and 1
79
80 *   The -q option assigns 1 queue to each lcore
81
82 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
83 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
84
85 Explanation
86 -----------
87
88 The following sections provide some explanation of the code.
89 As mentioned in the overview section,
90 the initialization and run-time paths are very similar to those of the :doc:`l2_forward_real_virtual`.
91 The following sections describe aspects that are specific to the IPv4 Multicast sample application.
92
93 Memory Pool Initialization
94 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
95
96 The IPv4 Multicast sample application uses three memory pools.
97 Two of the pools are for indirect buffers used for packet duplication purposes.
98 Memory pools for indirect buffers are initialized differently from the memory pool for direct buffers:
99
100 .. code-block:: c
101
102     packet_pool = rte_pktmbuf_pool_create("packet_pool", NB_PKT_MBUF, 32,
103                         0, PKT_MBUF_DATA_SIZE, rte_socket_id());
104     header_pool = rte_pktmbuf_pool_create("header_pool", NB_HDR_MBUF, 32,
105                         0, HDR_MBUF_DATA_SIZE, rte_socket_id());
106     clone_pool = rte_pktmbuf_pool_create("clone_pool", NB_CLONE_MBUF, 32,
107                         0, 0, rte_socket_id());
108
109 The reason for this is because indirect buffers are not supposed to hold any packet data and
110 therefore can be initialized with lower amount of reserved memory for each buffer.
111
112 Hash Initialization
113 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
114
115 The hash object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array:
116
117 .. code-block:: c
118
119     static int
120
121     init_mcast_hash(void)
122     {
123         uint32_t i;
124         mcast_hash_params.socket_id = rte_socket_id();
125
126         mcast_hash = rte_fbk_hash_create(&mcast_hash_params);
127         if (mcast_hash == NULL){
128             return -1;
129         }
130
131         for (i = 0; i < N_MCAST_GROUPS; i ++){
132             if (rte_fbk_hash_add_key(mcast_hash, mcast_group_table[i].ip, mcast_group_table[i].port_mask) < 0) {
133                         return -1;
134             }
135         }
136         return 0;
137     }
138
139 Forwarding
140 ~~~~~~~~~~
141
142 All forwarding is done inside the mcast_forward() function.
143 Firstly, the Ethernet* header is removed from the packet and the IPv4 address is extracted from the IPv4 header:
144
145 .. code-block:: c
146
147     /* Remove the Ethernet header from the input packet */
148
149     iphdr = (struct rte_ipv4_hdr *)rte_pktmbuf_adj(m, sizeof(struct rte_ether_hdr));
150     RTE_ASSERT(iphdr != NULL);
151     dest_addr = rte_be_to_cpu_32(iphdr->dst_addr);
152
153 Then, the packet is checked to see if it has a multicast destination address and
154 if the routing table has any ports assigned to the destination address:
155
156 .. code-block:: c
157
158     if (!RTE_IS_IPV4_MCAST(dest_addr) ||
159        (hash = rte_fbk_hash_lookup(mcast_hash, dest_addr)) <= 0 ||
160        (port_mask = hash & enabled_port_mask) == 0) {
161            rte_pktmbuf_free(m);
162            return;
163     }
164
165 Then, the number of ports in the destination portmask is calculated with the help of the bitcnt() function:
166
167 .. code-block:: c
168
169     /* Get number of bits set. */
170
171     static inline uint32_t bitcnt(uint32_t v)
172     {
173         uint32_t n;
174
175         for (n = 0; v != 0; v &= v - 1, n++)
176            ;
177         return n;
178     }
179
180 This is done to determine which forwarding algorithm to use.
181 This is explained in more detail in the next section.
182
183 Thereafter, a destination Ethernet address is constructed:
184
185 .. code-block:: c
186
187     /* construct destination Ethernet address */
188
189     dst_eth_addr = ETHER_ADDR_FOR_IPV4_MCAST(dest_addr);
190
191 Since Ethernet addresses are also part of the multicast process, each outgoing packet carries the same destination Ethernet address.
192 The destination Ethernet address is constructed from the lower 23 bits of the multicast group OR-ed
193 with the Ethernet address 01:00:5e:00:00:00, as per RFC 1112:
194
195 .. code-block:: c
196
197     #define ETHER_ADDR_FOR_IPV4_MCAST(x) \
198         (rte_cpu_to_be_64(0x01005e000000ULL | ((x) & 0x7fffff)) >> 16)
199
200 Then, packets are dispatched to the destination ports according to the portmask associated with a multicast group:
201
202 .. code-block:: c
203
204     for (port = 0; use_clone != port_mask; port_mask >>= 1, port++) {
205         /* Prepare output packet and send it out. */
206
207         if ((port_mask & 1) != 0) {
208             if (likely ((mc = mcast_out_pkt(m, use_clone)) != NULL))
209                 mcast_send_pkt(mc, &dst_eth_addr.as_addr, qconf, port);
210             else if (use_clone == 0)
211                  rte_pktmbuf_free(m);
212        }
213     }
214
215 The actual packet transmission is done in the mcast_send_pkt() function:
216
217 .. code-block:: c
218
219     static inline void mcast_send_pkt(struct rte_mbuf *pkt, struct rte_ether_addr *dest_addr, struct lcore_queue_conf *qconf, uint16_t port)
220     {
221         struct rte_ether_hdr *ethdr;
222         uint16_t len;
223
224         /* Construct Ethernet header. */
225
226         ethdr = (struct rte_ether_hdr *)rte_pktmbuf_prepend(pkt, (uint16_t) sizeof(*ethdr));
227
228         RTE_ASSERT(ethdr != NULL);
229
230         rte_ether_addr_copy(dest_addr, &ethdr->d_addr);
231         rte_ether_addr_copy(&ports_eth_addr[port], &ethdr->s_addr);
232         ethdr->ether_type = rte_be_to_cpu_16(RTE_ETHER_TYPE_IPv4);
233
234         /* Put new packet into the output queue */
235
236         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
237         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = pkt;
238         qconf->tx_mbufs[port].len = ++len;
239
240         /* Transmit packets */
241
242         if (unlikely(MAX_PKT_BURST == len))
243             send_burst(qconf, port);
244     }
245
246 Buffer Cloning
247 ~~~~~~~~~~~~~~
248
249 This is the most important part of the application since it demonstrates the use of zero- copy buffer cloning.
250 There are two approaches for creating the outgoing packet and although both are based on the data zero-copy idea,
251 there are some differences in the detail.
252
253 The first approach creates a clone of the input packet, for example,
254 walk though all segments of the input packet and for each of segment,
255 create a new buffer and attach that new buffer to the segment
256 (refer to rte_pktmbuf_clone() in the rte_mbuf library for more details).
257 A new buffer is then allocated for the packet header and is prepended to the cloned buffer.
258
259 The second approach does not make a clone, it just increments the reference counter for all input packet segment,
260 allocates a new buffer for the packet header and prepends it to the input packet.
261
262 Basically, the first approach reuses only the input packet's data, but creates its own copy of packet's metadata.
263 The second approach reuses both input packet's data and metadata.
264
265 The advantage of first approach is that each outgoing packet has its own copy of the metadata,
266 so we can safely modify the data pointer of the input packet.
267 That allows us to skip creation if the output packet is for the last destination port
268 and instead modify input packet's header in place.
269 For example, for N destination ports, we need to invoke mcast_out_pkt() (N-1) times.
270
271 The advantage of the second approach is that there is less work to be done for each outgoing packet,
272 that is, the "clone" operation is skipped completely.
273 However, there is a price to pay.
274 The input packet's metadata must remain intact, so for N destination ports,
275 we need to invoke mcast_out_pkt() (N) times.
276
277 Therefore, for a small number of outgoing ports (and segments in the input packet),
278 first approach is faster.
279 As the number of outgoing ports (and/or input segments) grows, the second approach becomes more preferable.
280
281 Depending on the number of segments or the number of ports in the outgoing portmask,
282 either the first (with cloning) or the second (without cloning) approach is taken:
283
284 .. code-block:: c
285
286     use_clone = (port_num <= MCAST_CLONE_PORTS && m->pkt.nb_segs <= MCAST_CLONE_SEGS);
287
288 It is the mcast_out_pkt() function that performs the packet duplication (either with or without actually cloning the buffers):
289
290 .. code-block:: c
291
292     static inline struct rte_mbuf *mcast_out_pkt(struct rte_mbuf *pkt, int use_clone)
293     {
294         struct rte_mbuf *hdr;
295
296         /* Create new mbuf for the header. */
297
298         if (unlikely ((hdr = rte_pktmbuf_alloc(header_pool)) == NULL))
299             return NULL;
300
301         /* If requested, then make a new clone packet. */
302
303         if (use_clone != 0 && unlikely ((pkt = rte_pktmbuf_clone(pkt, clone_pool)) == NULL)) {
304             rte_pktmbuf_free(hdr);
305             return NULL;
306         }
307
308         /* prepend new header */
309
310         hdr->pkt.next = pkt;
311
312         /* update header's fields */
313
314         hdr->pkt.pkt_len = (uint16_t)(hdr->pkt.data_len + pkt->pkt.pkt_len);
315         hdr->pkt.nb_segs = pkt->pkt.nb_segs + 1;
316
317         /* copy metadata from source packet */
318
319         hdr->pkt.in_port = pkt->pkt.in_port;
320         hdr->pkt.vlan_macip = pkt->pkt.vlan_macip;
321         hdr->pkt.hash = pkt->pkt.hash;
322         rte_mbuf_sanity_check(hdr, RTE_MBUF_PKT, 1);
323
324         return hdr;
325     }