e39fc88bd2a3ce5514871968d4358fdce6e7a692
[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, if MAC addresses updating is enabled, 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     [--mac-updating] [--no-mac-updating]
95
96 where,
97
98 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure (default is all the ports)
99
100 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
101
102 *   s: manage all ports from single core
103
104 *   T PERIOD: statistics will be refreshed each PERIOD seconds
105
106     (0 to disable, 10 default, 86400 maximum)
107
108 *   cdev_type: select preferred crypto device type: HW, SW or anything (ANY)
109
110     (default is ANY)
111
112 *   chain: select the operation chaining to perform: Cipher->Hash (CIPHER_HASH),
113
114     Hash->Cipher (HASH_CIPHER), Cipher (CIPHER_ONLY), Hash (HASH_ONLY)
115
116     or AEAD (AEAD)
117
118     (default is Cipher->Hash)
119
120 *   cipher_algo: select the ciphering algorithm (default is aes-cbc)
121
122 *   cipher_op: select the ciphering operation to perform: ENCRYPT or DECRYPT
123
124     (default is ENCRYPT)
125
126 *   cipher_key: set the ciphering key to be used. Bytes has to be separated with ":"
127
128 *   cipher_key_random_size: set the size of the ciphering key,
129
130     which will be generated randomly.
131
132     Note that if --cipher_key is used, this will be ignored.
133
134 *   cipher_iv: set the cipher IV to be used. Bytes has to be separated with ":"
135
136 *   cipher_iv_random_size: set the size of the cipher IV, which will be generated randomly.
137
138     Note that if --cipher_iv is used, this will be ignored.
139
140 *   auth_algo: select the authentication algorithm (default is sha1-hmac)
141
142 *   auth_op: select the authentication operation to perform: GENERATE or VERIFY
143
144     (default is GENERATE)
145
146 *   auth_key: set the authentication key to be used. Bytes has to be separated with ":"
147
148 *   auth_key_random_size: set the size of the authentication key,
149
150     which will be generated randomly.
151
152     Note that if --auth_key is used, this will be ignored.
153
154 *   auth_iv: set the auth IV to be used. Bytes has to be separated with ":"
155
156 *   auth_iv_random_size: set the size of the auth IV, which will be generated randomly.
157
158     Note that if --auth_iv is used, this will be ignored.
159
160 *   aead_algo: select the AEAD algorithm (default is aes-gcm)
161
162 *   aead_op: select the AEAD operation to perform: ENCRYPT or DECRYPT
163
164     (default is ENCRYPT)
165
166 *   aead_key: set the AEAD key to be used. Bytes has to be separated with ":"
167
168 *   aead_key_random_size: set the size of the AEAD key,
169
170     which will be generated randomly.
171
172     Note that if --aead_key is used, this will be ignored.
173
174 *   aead_iv: set the AEAD IV to be used. Bytes has to be separated with ":"
175
176 *   aead_iv_random_size: set the size of the AEAD IV, which will be generated randomly.
177
178     Note that if --aead_iv is used, this will be ignored.
179
180 *   aad: set the AAD to be used. Bytes has to be separated with ":"
181
182 *   aad_random_size: set the size of the AAD, which will be generated randomly.
183
184     Note that if --aad is used, this will be ignored.
185
186 *   digest_size: set the size of the digest to be generated/verified.
187
188 *   sessionless: no crypto session will be created.
189
190 *   cryptodev_mask: A hexadecimal bitmask of the cryptodevs to be used by the
191     application.
192
193     (default is all cryptodevs).
194
195 *   [no-]mac-updating: Enable or disable MAC addresses updating (enabled by default).
196
197
198 The application requires that crypto devices capable of performing
199 the specified crypto operation are available on application initialization.
200 This means that HW crypto device/s must be bound to a DPDK driver or
201 a SW crypto device/s (virtual crypto PMD) must be created (using --vdev).
202
203 To run the application in linuxapp environment with 2 lcores, 2 ports and 2 crypto devices, issue the command:
204
205 .. code-block:: console
206
207     $ ./build/l2fwd-crypto -l 0-1 -n 4 --vdev "crypto_aesni_mb0" \
208     --vdev "crypto_aesni_mb1" -- -p 0x3 --chain CIPHER_HASH \
209     --cipher_op ENCRYPT --cipher_algo aes-cbc \
210     --cipher_key 00:01:02:03:04:05:06:07:08:09:0a:0b:0c:0d:0e:0f \
211     --auth_op GENERATE --auth_algo aes-xcbc-mac \
212     --auth_key 10:11:12:13:14:15:16:17:18:19:1a:1b:1c:1d:1e:1f
213
214 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
215 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
216
217 Explanation
218 -----------
219
220 The L2 forward with Crypto application demonstrates the performance of a crypto operation
221 on a packet received on a RX PORT before forwarding it to a TX PORT.
222
223 The following figure illustrates a sample flow of a packet in the application,
224 from reception until transmission.
225
226 .. _figure_l2_fwd_encrypt_flow:
227
228 .. figure:: img/l2_fwd_encrypt_flow.*
229
230    Encryption flow Through the L2 Forwarding with Crypto Application
231
232
233 The following sections provide some explanation of the application.
234
235 Crypto operation specification
236 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
237
238 All the packets received in all the ports get transformed by the crypto device/s
239 (ciphering and/or authentication).
240 The crypto operation to be performed on the packet is parsed from the command line
241 (go to "Running the Application section for all the options).
242
243 If no parameter is passed, the default crypto operation is:
244
245 * Encryption with AES-CBC with 128 bit key.
246
247 * Authentication with SHA1-HMAC (generation).
248
249 * Keys, IV and AAD are generated randomly.
250
251 There are two methods to pass keys, IV and ADD from the command line:
252
253 * Passing the full key, separated bytes by ":"::
254
255    --cipher_key 00:11:22:33:44
256
257 * Passing the size, so key is generated randomly::
258
259    --cipher_key_random_size 16
260
261 **Note**:
262    If full key is passed (first method) and the size is passed as well (second method),
263    the latter will be ignored.
264
265 Size of these keys are checked (regardless the method), before starting the app,
266 to make sure that it is supported by the crypto devices.
267
268 Crypto device initialization
269 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
270
271 Once the encryption operation is defined, crypto devices are initialized.
272 The crypto devices must be either bound to a DPDK driver (if they are physical devices)
273 or created using the EAL option --vdev (if they are virtual devices),
274 when running the application.
275
276 The initialize_cryptodevs() function performs the device initialization.
277 It iterates through the list of the available crypto devices and
278 check which ones are capable of performing the operation.
279 Each device has a set of capabilities associated with it,
280 which are stored in the device info structure, so the function checks if the operation
281 is within the structure of each device.
282
283 The following code checks if the device supports the specified cipher algorithm
284 (similar for the authentication algorithm):
285
286 .. code-block:: c
287
288    /* Check if device supports cipher algo */
289    i = 0;
290    opt_cipher_algo = options->cipher_xform.cipher.algo;
291    cap = &dev_info.capabilities[i];
292    while (cap->op != RTE_CRYPTO_OP_TYPE_UNDEFINED) {
293            cap_cipher_algo = cap->sym.cipher.algo;
294            if (cap->sym.xform_type ==
295                            RTE_CRYPTO_SYM_XFORM_CIPHER) {
296                    if (cap_cipher_algo == opt_cipher_algo) {
297                            if (check_type(options, &dev_info) == 0)
298                                    break;
299                    }
300            }
301            cap = &dev_info.capabilities[++i];
302    }
303
304 If a capable crypto device is found, key sizes are checked to see if they are supported
305 (cipher key and IV for the ciphering):
306
307 .. code-block:: c
308
309    /*
310     * Check if length of provided cipher key is supported
311     * by the algorithm chosen.
312     */
313    if (options->ckey_param) {
314            if (check_supported_size(
315                            options->cipher_xform.cipher.key.length,
316                            cap->sym.cipher.key_size.min,
317                            cap->sym.cipher.key_size.max,
318                            cap->sym.cipher.key_size.increment)
319                                    != 0) {
320                    printf("Unsupported cipher key length\n");
321                    return -1;
322            }
323    /*
324     * Check if length of the cipher key to be randomly generated
325     * is supported by the algorithm chosen.
326     */
327    } else if (options->ckey_random_size != -1) {
328            if (check_supported_size(options->ckey_random_size,
329                            cap->sym.cipher.key_size.min,
330                            cap->sym.cipher.key_size.max,
331                            cap->sym.cipher.key_size.increment)
332                                    != 0) {
333                    printf("Unsupported cipher key length\n");
334                    return -1;
335            }
336            options->cipher_xform.cipher.key.length =
337                                    options->ckey_random_size;
338    /* No size provided, use minimum size. */
339    } else
340            options->cipher_xform.cipher.key.length =
341                            cap->sym.cipher.key_size.min;
342
343 After all the checks, the device is configured and it is added to the
344 crypto device list.
345
346 **Note**:
347    The number of crypto devices that supports the specified crypto operation
348    must be at least the number of ports to be used.
349
350 Session creation
351 ~~~~~~~~~~~~~~~~
352
353 The crypto operation has a crypto session associated to it, which contains
354 information such as the transform chain to perform (e.g. ciphering then hashing),
355 pointers to the keys, lengths... etc.
356
357 This session is created and is later attached to the crypto operation:
358
359 .. code-block:: c
360
361    static struct rte_cryptodev_sym_session *
362    initialize_crypto_session(struct l2fwd_crypto_options *options,
363                    uint8_t cdev_id)
364    {
365            struct rte_crypto_sym_xform *first_xform;
366
367            if (options->xform_chain == L2FWD_CRYPTO_CIPHER_HASH) {
368                    first_xform = &options->cipher_xform;
369                    first_xform->next = &options->auth_xform;
370            } else if (options->xform_chain == L2FWD_CRYPTO_HASH_CIPHER) {
371                    first_xform = &options->auth_xform;
372                    first_xform->next = &options->cipher_xform;
373            } else if (options->xform_chain == L2FWD_CRYPTO_CIPHER_ONLY) {
374                    first_xform = &options->cipher_xform;
375            } else {
376                    first_xform = &options->auth_xform;
377            }
378
379            /* Setup Cipher Parameters */
380            return rte_cryptodev_sym_session_create(cdev_id, first_xform);
381    }
382
383    ...
384
385    port_cparams[i].session = initialize_crypto_session(options,
386                                 port_cparams[i].dev_id);
387
388 Crypto operation creation
389 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
390
391 Given N packets received from a RX PORT, N crypto operations are allocated
392 and filled:
393
394 .. code-block:: c
395
396    if (nb_rx) {
397    /*
398     * If we can't allocate a crypto_ops, then drop
399     * the rest of the burst and dequeue and
400     * process the packets to free offload structs
401     */
402    if (rte_crypto_op_bulk_alloc(
403                    l2fwd_crypto_op_pool,
404                    RTE_CRYPTO_OP_TYPE_SYMMETRIC,
405                    ops_burst, nb_rx) !=
406                                    nb_rx) {
407            for (j = 0; j < nb_rx; j++)
408                    rte_pktmbuf_free(pkts_burst[i]);
409
410            nb_rx = 0;
411    }
412
413 After filling the crypto operation (including session attachment),
414 the mbuf which will be transformed is attached to it::
415
416    op->sym->m_src = m;
417
418 Since no destination mbuf is set, the source mbuf will be overwritten
419 after the operation is done (in-place).
420
421 Crypto operation enqueuing/dequeuing
422 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
423
424 Once the operation has been created, it has to be enqueued in one of the crypto devices.
425 Before doing so, for performance reasons, the operation stays in a buffer.
426 When the buffer has enough operations (MAX_PKT_BURST), they are enqueued in the device,
427 which will perform the operation at that moment:
428
429 .. code-block:: c
430
431    static int
432    l2fwd_crypto_enqueue(struct rte_crypto_op *op,
433                    struct l2fwd_crypto_params *cparams)
434    {
435            unsigned lcore_id, len;
436            struct lcore_queue_conf *qconf;
437
438            lcore_id = rte_lcore_id();
439
440            qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
441            len = qconf->op_buf[cparams->dev_id].len;
442            qconf->op_buf[cparams->dev_id].buffer[len] = op;
443            len++;
444
445            /* enough ops to be sent */
446            if (len == MAX_PKT_BURST) {
447                    l2fwd_crypto_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, cparams);
448                    len = 0;
449            }
450
451            qconf->op_buf[cparams->dev_id].len = len;
452            return 0;
453    }
454
455    ...
456
457    static int
458    l2fwd_crypto_send_burst(struct lcore_queue_conf *qconf, unsigned n,
459                    struct l2fwd_crypto_params *cparams)
460    {
461            struct rte_crypto_op **op_buffer;
462            unsigned ret;
463
464            op_buffer = (struct rte_crypto_op **)
465                            qconf->op_buf[cparams->dev_id].buffer;
466
467            ret = rte_cryptodev_enqueue_burst(cparams->dev_id,
468                            cparams->qp_id, op_buffer, (uint16_t) n);
469
470            crypto_statistics[cparams->dev_id].enqueued += ret;
471            if (unlikely(ret < n)) {
472                    crypto_statistics[cparams->dev_id].errors += (n - ret);
473                    do {
474                            rte_pktmbuf_free(op_buffer[ret]->sym->m_src);
475                            rte_crypto_op_free(op_buffer[ret]);
476                    } while (++ret < n);
477            }
478
479            return 0;
480    }
481
482 After this, the operations are dequeued from the device, and the transformed mbuf
483 is extracted from the operation. Then, the operation is freed and the mbuf is
484 forwarded as it is done in the L2 forwarding application.
485
486 .. code-block:: c
487
488    /* Dequeue packets from Crypto device */
489    do {
490            nb_rx = rte_cryptodev_dequeue_burst(
491                            cparams->dev_id, cparams->qp_id,
492                            ops_burst, MAX_PKT_BURST);
493
494            crypto_statistics[cparams->dev_id].dequeued +=
495                            nb_rx;
496
497            /* Forward crypto'd packets */
498            for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
499                    m = ops_burst[j]->sym->m_src;
500
501                    rte_crypto_op_free(ops_burst[j]);
502                    l2fwd_simple_forward(m, portid);
503            }
504    } while (nb_rx == MAX_PKT_BURST);