remove extra parentheses in return statement
[dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / ipv4_multicast.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 IPv4 Multicast Sample Application
32 =================================
33
34 The IPv4 Multicast application is a simple example of packet processing
35 using the Data Plane Development Kit (DPDK).
36 The application performs L3 multicasting.
37
38 Overview
39 --------
40
41 The application demonstrates the use of zero-copy buffers for packet forwarding.
42 The initialization and run-time paths are very similar to those of the L2 forwarding application
43 (see Chapter 9 "L2 Forwarding Sample Application (in Real and Virtualized Environments)" for details more information).
44 This guide highlights the differences between the two applications.
45 There are two key differences from the L2 Forwarding sample application:
46
47 *   The IPv4 Multicast sample application makes use of indirect buffers.
48
49 *   The forwarding decision is taken based on information read from the input packet's IPv4 header.
50
51 The lookup method is the Four-byte Key (FBK) hash-based method.
52 The lookup table is composed of pairs of destination IPv4 address (the FBK)
53 and a port mask associated with that IPv4 address.
54
55 For convenience and simplicity, this sample application does not take IANA-assigned multicast addresses into account,
56 but instead equates the last four bytes of the multicast group (that is, the last four bytes of the destination IP address)
57 with the mask of ports to multicast packets to.
58 Also, the application does not consider the Ethernet addresses;
59 it looks only at the IPv4 destination address for any given packet.
60
61 Building the Application
62 ------------------------
63
64 To compile the application:
65
66 #.  Go to the sample application directory:
67
68     .. code-block:: console
69
70         export RTE_SDK=/path/to/rte_sdk
71         cd ${RTE_SDK}/examples/ipv4_multicast
72
73 #.  Set the target (a default target is used if not specified). For example:
74
75     .. code-block:: console
76
77         export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
78
79 See the *DPDK Getting Started Guide* for possible RTE_TARGET values.
80
81 #.  Build the application:
82
83     .. code-block:: console
84
85         make
86
87 .. note::
88
89     The compiled application is written to the build subdirectory.
90     To have the application written to a different location,
91     the O=/path/to/build/directory option may be specified in the make command.
92
93 Running the Application
94 -----------------------
95
96 The application has a number of command line options:
97
98 .. code-block:: console
99
100     ./build/ipv4_multicast [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ]
101
102 where,
103
104 *   -p PORTMASK: Hexadecimal bitmask of ports to configure
105
106 *   -q NQ: determines the number of queues per lcore
107
108 .. note::
109
110     Unlike the basic L2/L3 Forwarding sample applications,
111     NUMA support is not provided in the IPv4 Multicast sample application.
112
113 Typically, to run the IPv4 Multicast sample application, issue the following command (as root):
114
115 .. code-block:: console
116
117     ./build/ipv4_multicast -c 0x00f -n 3 -- -p 0x3 -q 1
118
119 In this command:
120
121 *   The -c option enables cores 0, 1, 2 and 3
122
123 *   The -n option specifies 3 memory channels
124
125 *   The -p option enables ports 0 and 1
126
127 *   The -q option assigns 1 queue to each lcore
128
129 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
130 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
131
132 Explanation
133 -----------
134
135 The following sections provide some explanation of the code.
136 As mentioned in the overview section,
137 the initialization and run-time paths are very similar to those of the L2 Forwarding sample application
138 (see Chapter 9 "L2 Forwarding Sample Application in Real and Virtualized Environments" for more information).
139 The following sections describe aspects that are specific to the IPv4 Multicast sample application.
140
141 Memory Pool Initialization
142 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
143
144 The IPv4 Multicast sample application uses three memory pools.
145 Two of the pools are for indirect buffers used for packet duplication purposes.
146 Memory pools for indirect buffers are initialized differently from the memory pool for direct buffers:
147
148 .. code-block:: c
149
150     packet_pool = rte_mempool_create("packet_pool", NB_PKT_MBUF, PKT_MBUF_SIZE, 32, sizeof(struct rte_pktmbuf_pool_private),
151                                      rte_pktmbuf_pool_init, NULL, rte_pktmbuf_init, NULL, rte_socket_id(), 0);
152
153     header_pool = rte_mempool_create("header_pool", NB_HDR_MBUF, HDR_MBUF_SIZE, 32, 0, NULL, NULL, rte_pktmbuf_init, NULL, rte_socket_id(), 0);
154     clone_pool = rte_mempool_create("clone_pool", NB_CLONE_MBUF,
155     CLONE_MBUF_SIZE, 32, 0, NULL, NULL, rte_pktmbuf_init, NULL, rte_socket_id(), 0);
156
157 The reason for this is because indirect buffers are not supposed to hold any packet data and
158 therefore can be initialized with lower amount of reserved memory for each buffer.
159
160 Hash Initialization
161 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
162
163 The hash object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array:
164
165 .. code-block:: c
166
167     static int
168
169     init_mcast_hash(void)
170     {
171         uint32_t i;
172         mcast_hash_params.socket_id = rte_socket_id();
173
174         mcast_hash = rte_fbk_hash_create(&mcast_hash_params);
175         if (mcast_hash == NULL){
176             return -1;
177         }
178
179         for (i = 0; i < N_MCAST_GROUPS; i ++){
180             if (rte_fbk_hash_add_key(mcast_hash, mcast_group_table[i].ip, mcast_group_table[i].port_mask) < 0) {
181                         return -1;
182             }
183         }
184         return 0;
185     }
186
187 Forwarding
188 ~~~~~~~~~~
189
190 All forwarding is done inside the mcast_forward() function.
191 Firstly, the Ethernet* header is removed from the packet and the IPv4 address is extracted from the IPv4 header:
192
193 .. code-block:: c
194
195     /* Remove the Ethernet header from the input packet */
196
197     iphdr = (struct ipv4_hdr *)rte_pktmbuf_adj(m, sizeof(struct ether_hdr));
198     RTE_MBUF_ASSERT(iphdr != NULL);
199     dest_addr = rte_be_to_cpu_32(iphdr->dst_addr);
200
201 Then, the packet is checked to see if it has a multicast destination address and
202 if the routing table has any ports assigned to the destination address:
203
204 .. code-block:: c
205
206     if (!IS_IPV4_MCAST(dest_addr) ||
207        (hash = rte_fbk_hash_lookup(mcast_hash, dest_addr)) <= 0 ||
208        (port_mask = hash & enabled_port_mask) == 0) {
209            rte_pktmbuf_free(m);
210            return;
211     }
212
213 Then, the number of ports in the destination portmask is calculated with the help of the bitcnt() function:
214
215 .. code-block:: c
216
217     /* Get number of bits set. */
218
219     static inline uint32_t bitcnt(uint32_t v)
220     {
221         uint32_t n;
222
223         for (n = 0; v != 0; v &= v - 1, n++)
224            ;
225         return n;
226     }
227
228 This is done to determine which forwarding algorithm to use.
229 This is explained in more detail in the next section.
230
231 Thereafter, a destination Ethernet address is constructed:
232
233 .. code-block:: c
234
235     /* construct destination Ethernet address */
236
237     dst_eth_addr = ETHER_ADDR_FOR_IPV4_MCAST(dest_addr);
238
239 Since Ethernet addresses are also part of the multicast process, each outgoing packet carries the same destination Ethernet address.
240 The destination Ethernet address is constructed from the lower 23 bits of the multicast group OR-ed
241 with the Ethernet address 01:00:5e:00:00:00, as per RFC 1112:
242
243 .. code-block:: c
244
245     #define ETHER_ADDR_FOR_IPV4_MCAST(x) \
246         (rte_cpu_to_be_64(0x01005e000000ULL | ((x) & 0x7fffff)) >> 16)
247
248 Then, packets are dispatched to the destination ports according to the portmask associated with a multicast group:
249
250 .. code-block:: c
251
252     for (port = 0; use_clone != port_mask; port_mask >>= 1, port++) {
253         /* Prepare output packet and send it out. */
254
255         if ((port_mask & 1) != 0) {
256             if (likely ((mc = mcast_out_pkt(m, use_clone)) != NULL))
257                 mcast_send_pkt(mc, &dst_eth_addr.as_addr, qconf, port);
258             else if (use_clone == 0)
259                  rte_pktmbuf_free(m);
260        }
261     }
262
263 The actual packet transmission is done in the mcast_send_pkt() function:
264
265 .. code-block:: c
266
267     static inline void mcast_send_pkt(struct rte_mbuf *pkt, struct ether_addr *dest_addr, struct lcore_queue_conf *qconf, uint8_t port)
268     {
269         struct ether_hdr *ethdr;
270         uint16_t len;
271
272         /* Construct Ethernet header. */
273
274         ethdr = (struct ether_hdr *)rte_pktmbuf_prepend(pkt, (uint16_t) sizeof(*ethdr));
275
276         RTE_MBUF_ASSERT(ethdr != NULL);
277
278         ether_addr_copy(dest_addr, &ethdr->d_addr);
279         ether_addr_copy(&ports_eth_addr[port], &ethdr->s_addr);
280         ethdr->ether_type = rte_be_to_cpu_16(ETHER_TYPE_IPv4);
281
282         /* Put new packet into the output queue */
283
284         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
285         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = pkt;
286         qconf->tx_mbufs[port].len = ++len;
287
288         /* Transmit packets */
289
290         if (unlikely(MAX_PKT_BURST == len))
291             send_burst(qconf, port);
292     }
293
294 Buffer Cloning
295 ~~~~~~~~~~~~~~
296
297 This is the most important part of the application since it demonstrates the use of zero- copy buffer cloning.
298 There are two approaches for creating the outgoing packet and although both are based on the data zero-copy idea,
299 there are some differences in the detail.
300
301 The first approach creates a clone of the input packet, for example,
302 walk though all segments of the input packet and for each of segment,
303 create a new buffer and attach that new buffer to the segment
304 (refer to rte_pktmbuf_clone() in the rte_mbuf library for more details).
305 A new buffer is then allocated for the packet header and is prepended to the cloned buffer.
306
307 The second approach does not make a clone, it just increments the reference counter for all input packet segment,
308 allocates a new buffer for the packet header and prepends it to the input packet.
309
310 Basically, the first approach reuses only the input packet's data, but creates its own copy of packet's metadata.
311 The second approach reuses both input packet's data and metadata.
312
313 The advantage of first approach is that each outgoing packet has its own copy of the metadata,
314 so we can safely modify the data pointer of the input packet.
315 That allows us to skip creation if the output packet is for the last destination port
316 and instead modify input packet's header in place.
317 For example, for N destination ports, we need to invoke mcast_out_pkt() (N-1) times.
318
319 The advantage of the second approach is that there is less work to be done for each outgoing packet,
320 that is, the "clone" operation is skipped completely.
321 However, there is a price to pay.
322 The input packet's metadata must remain intact, so for N destination ports,
323 we need to invoke mcast_out_pkt() (N) times.
324
325 Therefore, for a small number of outgoing ports (and segments in the input packet),
326 first approach is faster.
327 As the number of outgoing ports (and/or input segments) grows, the second approach becomes more preferable.
328
329 Depending on the number of segments or the number of ports in the outgoing portmask,
330 either the first (with cloning) or the second (without cloning) approach is taken:
331
332 .. code-block:: c
333
334     use_clone = (port_num <= MCAST_CLONE_PORTS && m->pkt.nb_segs <= MCAST_CLONE_SEGS);
335
336 It is the mcast_out_pkt() function that performs the packet duplication (either with or without actually cloning the buffers):
337
338 .. code-block:: c
339
340     static inline struct rte_mbuf *mcast_out_pkt(struct rte_mbuf *pkt, int use_clone)
341     {
342         struct rte_mbuf *hdr;
343
344         /* Create new mbuf for the header. */
345
346         if (unlikely ((hdr = rte_pktmbuf_alloc(header_pool)) == NULL))
347             return NULL;
348
349         /* If requested, then make a new clone packet. */
350
351         if (use_clone != 0 && unlikely ((pkt = rte_pktmbuf_clone(pkt, clone_pool)) == NULL)) {
352             rte_pktmbuf_free(hdr);
353             return NULL;
354         }
355
356         /* prepend new header */
357
358         hdr->pkt.next = pkt;
359
360         /* update header's fields */
361
362         hdr->pkt.pkt_len = (uint16_t)(hdr->pkt.data_len + pkt->pkt.pkt_len);
363         hdr->pkt.nb_segs = (uint8_t)(pkt->pkt.nb_segs + 1);
364
365         /* copy metadata from source packet */
366
367         hdr->pkt.in_port = pkt->pkt.in_port;
368         hdr->pkt.vlan_macip = pkt->pkt.vlan_macip;
369         hdr->pkt.hash = pkt->pkt.hash;
370         hdr->ol_flags = pkt->ol_flags;
371         rte_mbuf_sanity_check(hdr, RTE_MBUF_PKT, 1);
372
373         return hdr;
374     }