cryptodev: use AES-GCM/CCM as AEAD algorithms
[dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l2_forward_crypto.rst
1 ..  BSD LICENSE
2     Copyright(c) 2016-2017 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 .. _l2_fwd_crypto_app:
32
33 L2 Forwarding with Crypto Sample Application
34 ============================================
35
36 The L2 Forwarding with Crypto (l2fwd-crypto) sample application is a simple example of packet processing using
37 the Data Plane Development Kit (DPDK), in conjunction with the Cryptodev library.
38
39 Overview
40 --------
41
42 The L2 Forwarding with Crypto sample application performs a crypto operation (cipher/hash)
43 specified by the user from command line (or using the default values),
44 with a crypto device capable of doing that operation,
45 for each packet that is received on a RX_PORT and performs L2 forwarding.
46 The destination port is the adjacent port from the enabled portmask, that is,
47 if the first four ports are enabled (portmask 0xf),
48 ports 0 and 1 forward into each other, and ports 2 and 3 forward into each other.
49 Also, the MAC addresses are affected as follows:
50
51 *   The source MAC address is replaced by the TX_PORT MAC address
52
53 *   The destination MAC address is replaced by  02:00:00:00:00:TX_PORT_ID
54
55 Compiling the Application
56 -------------------------
57
58 #.  Go to the example directory:
59
60     .. code-block:: console
61
62         export RTE_SDK=/path/to/rte_sdk
63         cd ${RTE_SDK}/examples/l2fwd-crypto
64
65 #.  Set the target (a default target is used if not specified). For example:
66
67     .. code-block:: console
68
69         export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
70
71     *See the DPDK Getting Started Guide* for possible RTE_TARGET values.
72
73 #.  Build the application:
74
75     .. code-block:: console
76
77         make
78
79 Running the Application
80 -----------------------
81
82 The application requires a number of command line options:
83
84 .. code-block:: console
85
86     ./build/l2fwd-crypto [EAL options] -- [-p PORTMASK] [-q NQ] [-s] [-T PERIOD] /
87     [--cdev_type HW/SW/ANY] [--chain HASH_CIPHER/CIPHER_HASH/CIPHER_ONLY/HASH_ONLY] /
88     [--cipher_algo ALGO] [--cipher_op ENCRYPT/DECRYPT] [--cipher_key KEY] /
89     [--cipher_key_random_size SIZE] [--cipher_iv IV] [--cipher_iv_random_size SIZE] /
90     [--auth_algo ALGO] [--auth_op GENERATE/VERIFY] [--auth_key KEY] /
91     [--auth_key_random_size SIZE] [--auth_iv IV] [--auth_iv_random_size SIZE] /
92     [--aad AAD] [--aad_random_size SIZE] /
93     [--digest size SIZE] [--sessionless] [--cryptodev_mask MASK]
94
95 where,
96
97 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure (default is all the ports)
98
99 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
100
101 *   s: manage all ports from single core
102
103 *   T PERIOD: statistics will be refreshed each PERIOD seconds
104
105     (0 to disable, 10 default, 86400 maximum)
106
107 *   cdev_type: select preferred crypto device type: HW, SW or anything (ANY)
108
109     (default is ANY)
110
111 *   chain: select the operation chaining to perform: Cipher->Hash (CIPHER_HASH),
112
113     Hash->Cipher (HASH_CIPHER), Cipher (CIPHER_ONLY), Hash (HASH_ONLY)
114
115     or AEAD (AEAD)
116
117     (default is Cipher->Hash)
118
119 *   cipher_algo: select the ciphering algorithm (default is aes-cbc)
120
121 *   cipher_op: select the ciphering operation to perform: ENCRYPT or DECRYPT
122
123     (default is ENCRYPT)
124
125 *   cipher_key: set the ciphering key to be used. Bytes has to be separated with ":"
126
127 *   cipher_key_random_size: set the size of the ciphering key,
128
129     which will be generated randomly.
130
131     Note that if --cipher_key is used, this will be ignored.
132
133 *   cipher_iv: set the cipher IV to be used. Bytes has to be separated with ":"
134
135 *   cipher_iv_random_size: set the size of the cipher IV, which will be generated randomly.
136
137     Note that if --cipher_iv is used, this will be ignored.
138
139 *   auth_algo: select the authentication algorithm (default is sha1-hmac)
140
141 *   auth_op: select the authentication operation to perform: GENERATE or VERIFY
142
143     (default is GENERATE)
144
145 *   auth_key: set the authentication key to be used. Bytes has to be separated with ":"
146
147 *   auth_key_random_size: set the size of the authentication key,
148
149     which will be generated randomly.
150
151     Note that if --auth_key is used, this will be ignored.
152
153 *   auth_iv: set the auth IV to be used. Bytes has to be separated with ":"
154
155 *   auth_iv_random_size: set the size of the auth IV, which will be generated randomly.
156
157     Note that if --auth_iv is used, this will be ignored.
158
159 *   aead_algo: select the AEAD algorithm (default is aes-gcm)
160
161 *   aead_op: select the AEAD operation to perform: ENCRYPT or DECRYPT
162
163     (default is ENCRYPT)
164
165 *   aead_key: set the AEAD key to be used. Bytes has to be separated with ":"
166
167 *   aead_key_random_size: set the size of the AEAD key,
168
169     which will be generated randomly.
170
171     Note that if --aead_key is used, this will be ignored.
172
173 *   aead_iv: set the AEAD IV to be used. Bytes has to be separated with ":"
174
175 *   aead_iv_random_size: set the size of the AEAD IV, which will be generated randomly.
176
177     Note that if --aead_iv is used, this will be ignored.
178
179 *   aad: set the AAD to be used. Bytes has to be separated with ":"
180
181 *   aad_random_size: set the size of the AAD, which will be generated randomly.
182
183     Note that if --aad is used, this will be ignored.
184
185 *   digest_size: set the size of the digest to be generated/verified.
186
187 *   sessionless: no crypto session will be created.
188
189 *   cryptodev_mask: A hexadecimal bitmask of the cryptodevs to be used by the
190     application.
191
192     (default is all cryptodevs).
193
194
195 The application requires that crypto devices capable of performing
196 the specified crypto operation are available on application initialization.
197 This means that HW crypto device/s must be bound to a DPDK driver or
198 a SW crypto device/s (virtual crypto PMD) must be created (using --vdev).
199
200 To run the application in linuxapp environment with 2 lcores, 2 ports and 2 crypto devices, issue the command:
201
202 .. code-block:: console
203
204     $ ./build/l2fwd-crypto -l 0-1 -n 4 --vdev "cryptodev_aesni_mb_pmd" \
205     --vdev "cryptodev_aesni_mb_pmd" -- -p 0x3 --chain CIPHER_HASH \
206     --cipher_op ENCRYPT --cipher_algo aes-cbc \
207     --cipher_key 00:01:02:03:04:05:06:07:08:09:0a:0b:0c:0d:0e:0f \
208     --auth_op GENERATE --auth_algo aes-xcbc-mac \
209     --auth_key 10:11:12:13:14:15:16:17:18:19:1a:1b:1c:1d:1e:1f
210
211 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
212 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
213
214 Explanation
215 -----------
216
217 The L2 forward with Crypto application demonstrates the performance of a crypto operation
218 on a packet received on a RX PORT before forwarding it to a TX PORT.
219
220 The following figure illustrates a sample flow of a packet in the application,
221 from reception until transmission.
222
223 .. _figure_l2_fwd_encrypt_flow:
224
225 .. figure:: img/l2_fwd_encrypt_flow.*
226
227    Encryption flow Through the L2 Forwarding with Crypto Application
228
229
230 The following sections provide some explanation of the application.
231
232 Crypto operation specification
233 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
234
235 All the packets received in all the ports get transformed by the crypto device/s
236 (ciphering and/or authentication).
237 The crypto operation to be performed on the packet is parsed from the command line
238 (go to "Running the Application section for all the options).
239
240 If no parameter is passed, the default crypto operation is:
241
242 * Encryption with AES-CBC with 128 bit key.
243
244 * Authentication with SHA1-HMAC (generation).
245
246 * Keys, IV and AAD are generated randomly.
247
248 There are two methods to pass keys, IV and ADD from the command line:
249
250 * Passing the full key, separated bytes by ":"::
251
252    --cipher_key 00:11:22:33:44
253
254 * Passing the size, so key is generated randomly::
255
256    --cipher_key_random_size 16
257
258 **Note**:
259    If full key is passed (first method) and the size is passed as well (second method),
260    the latter will be ignored.
261
262 Size of these keys are checked (regardless the method), before starting the app,
263 to make sure that it is supported by the crypto devices.
264
265 Crypto device initialization
266 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
267
268 Once the encryption operation is defined, crypto devices are initialized.
269 The crypto devices must be either bound to a DPDK driver (if they are physical devices)
270 or created using the EAL option --vdev (if they are virtual devices),
271 when running the application.
272
273 The initialize_cryptodevs() function performs the device initialization.
274 It iterates through the list of the available crypto devices and
275 check which ones are capable of performing the operation.
276 Each device has a set of capabilities associated with it,
277 which are stored in the device info structure, so the function checks if the operation
278 is within the structure of each device.
279
280 The following code checks if the device supports the specified cipher algorithm
281 (similar for the authentication algorithm):
282
283 .. code-block:: c
284
285    /* Check if device supports cipher algo */
286    i = 0;
287    opt_cipher_algo = options->cipher_xform.cipher.algo;
288    cap = &dev_info.capabilities[i];
289    while (cap->op != RTE_CRYPTO_OP_TYPE_UNDEFINED) {
290            cap_cipher_algo = cap->sym.cipher.algo;
291            if (cap->sym.xform_type ==
292                            RTE_CRYPTO_SYM_XFORM_CIPHER) {
293                    if (cap_cipher_algo == opt_cipher_algo) {
294                            if (check_type(options, &dev_info) == 0)
295                                    break;
296                    }
297            }
298            cap = &dev_info.capabilities[++i];
299    }
300
301 If a capable crypto device is found, key sizes are checked to see if they are supported
302 (cipher key and IV for the ciphering):
303
304 .. code-block:: c
305
306    /*
307     * Check if length of provided cipher key is supported
308     * by the algorithm chosen.
309     */
310    if (options->ckey_param) {
311            if (check_supported_size(
312                            options->cipher_xform.cipher.key.length,
313                            cap->sym.cipher.key_size.min,
314                            cap->sym.cipher.key_size.max,
315                            cap->sym.cipher.key_size.increment)
316                                    != 0) {
317                    printf("Unsupported cipher key length\n");
318                    return -1;
319            }
320    /*
321     * Check if length of the cipher key to be randomly generated
322     * is supported by the algorithm chosen.
323     */
324    } else if (options->ckey_random_size != -1) {
325            if (check_supported_size(options->ckey_random_size,
326                            cap->sym.cipher.key_size.min,
327                            cap->sym.cipher.key_size.max,
328                            cap->sym.cipher.key_size.increment)
329                                    != 0) {
330                    printf("Unsupported cipher key length\n");
331                    return -1;
332            }
333            options->cipher_xform.cipher.key.length =
334                                    options->ckey_random_size;
335    /* No size provided, use minimum size. */
336    } else
337            options->cipher_xform.cipher.key.length =
338                            cap->sym.cipher.key_size.min;
339
340 After all the checks, the device is configured and it is added to the
341 crypto device list.
342
343 **Note**:
344    The number of crypto devices that supports the specified crypto operation
345    must be at least the number of ports to be used.
346
347 Session creation
348 ~~~~~~~~~~~~~~~~
349
350 The crypto operation has a crypto session associated to it, which contains
351 information such as the transform chain to perform (e.g. ciphering then hashing),
352 pointers to the keys, lengths... etc.
353
354 This session is created and is later attached to the crypto operation:
355
356 .. code-block:: c
357
358    static struct rte_cryptodev_sym_session *
359    initialize_crypto_session(struct l2fwd_crypto_options *options,
360                    uint8_t cdev_id)
361    {
362            struct rte_crypto_sym_xform *first_xform;
363
364            if (options->xform_chain == L2FWD_CRYPTO_CIPHER_HASH) {
365                    first_xform = &options->cipher_xform;
366                    first_xform->next = &options->auth_xform;
367            } else if (options->xform_chain == L2FWD_CRYPTO_HASH_CIPHER) {
368                    first_xform = &options->auth_xform;
369                    first_xform->next = &options->cipher_xform;
370            } else if (options->xform_chain == L2FWD_CRYPTO_CIPHER_ONLY) {
371                    first_xform = &options->cipher_xform;
372            } else {
373                    first_xform = &options->auth_xform;
374            }
375
376            /* Setup Cipher Parameters */
377            return rte_cryptodev_sym_session_create(cdev_id, first_xform);
378    }
379
380    ...
381
382    port_cparams[i].session = initialize_crypto_session(options,
383                                 port_cparams[i].dev_id);
384
385 Crypto operation creation
386 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
387
388 Given N packets received from a RX PORT, N crypto operations are allocated
389 and filled:
390
391 .. code-block:: c
392
393    if (nb_rx) {
394    /*
395     * If we can't allocate a crypto_ops, then drop
396     * the rest of the burst and dequeue and
397     * process the packets to free offload structs
398     */
399    if (rte_crypto_op_bulk_alloc(
400                    l2fwd_crypto_op_pool,
401                    RTE_CRYPTO_OP_TYPE_SYMMETRIC,
402                    ops_burst, nb_rx) !=
403                                    nb_rx) {
404            for (j = 0; j < nb_rx; j++)
405                    rte_pktmbuf_free(pkts_burst[i]);
406
407            nb_rx = 0;
408    }
409
410 After filling the crypto operation (including session attachment),
411 the mbuf which will be transformed is attached to it::
412
413    op->sym->m_src = m;
414
415 Since no destination mbuf is set, the source mbuf will be overwritten
416 after the operation is done (in-place).
417
418 Crypto operation enqueuing/dequeuing
419 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
420
421 Once the operation has been created, it has to be enqueued in one of the crypto devices.
422 Before doing so, for performance reasons, the operation stays in a buffer.
423 When the buffer has enough operations (MAX_PKT_BURST), they are enqueued in the device,
424 which will perform the operation at that moment:
425
426 .. code-block:: c
427
428    static int
429    l2fwd_crypto_enqueue(struct rte_crypto_op *op,
430                    struct l2fwd_crypto_params *cparams)
431    {
432            unsigned lcore_id, len;
433            struct lcore_queue_conf *qconf;
434
435            lcore_id = rte_lcore_id();
436
437            qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
438            len = qconf->op_buf[cparams->dev_id].len;
439            qconf->op_buf[cparams->dev_id].buffer[len] = op;
440            len++;
441
442            /* enough ops to be sent */
443            if (len == MAX_PKT_BURST) {
444                    l2fwd_crypto_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, cparams);
445                    len = 0;
446            }
447
448            qconf->op_buf[cparams->dev_id].len = len;
449            return 0;
450    }
451
452    ...
453
454    static int
455    l2fwd_crypto_send_burst(struct lcore_queue_conf *qconf, unsigned n,
456                    struct l2fwd_crypto_params *cparams)
457    {
458            struct rte_crypto_op **op_buffer;
459            unsigned ret;
460
461            op_buffer = (struct rte_crypto_op **)
462                            qconf->op_buf[cparams->dev_id].buffer;
463
464            ret = rte_cryptodev_enqueue_burst(cparams->dev_id,
465                            cparams->qp_id, op_buffer, (uint16_t) n);
466
467            crypto_statistics[cparams->dev_id].enqueued += ret;
468            if (unlikely(ret < n)) {
469                    crypto_statistics[cparams->dev_id].errors += (n - ret);
470                    do {
471                            rte_pktmbuf_free(op_buffer[ret]->sym->m_src);
472                            rte_crypto_op_free(op_buffer[ret]);
473                    } while (++ret < n);
474            }
475
476            return 0;
477    }
478
479 After this, the operations are dequeued from the device, and the transformed mbuf
480 is extracted from the operation. Then, the operation is freed and the mbuf is
481 forwarded as it is done in the L2 forwarding application.
482
483 .. code-block:: c
484
485    /* Dequeue packets from Crypto device */
486    do {
487            nb_rx = rte_cryptodev_dequeue_burst(
488                            cparams->dev_id, cparams->qp_id,
489                            ops_burst, MAX_PKT_BURST);
490
491            crypto_statistics[cparams->dev_id].dequeued +=
492                            nb_rx;
493
494            /* Forward crypto'd packets */
495            for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
496                    m = ops_burst[j]->sym->m_src;
497
498                    rte_crypto_op_free(ops_burst[j]);
499                    l2fwd_simple_forward(m, portid);
500            }
501    } while (nb_rx == MAX_PKT_BURST);