net: add rte prefix to ether structures
[dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l2_forward_job_stats.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2015 Intel Corporation.
3
4 L2 Forwarding Sample Application (in Real and Virtualized Environments) with core load statistics.
5 ==================================================================================================
6
7 The L2 Forwarding sample application is a simple example of packet processing using
8 the Data Plane Development Kit (DPDK) which
9 also takes advantage of Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) features in a virtualized environment.
10
11 .. note::
12
13     This application is a variation of L2 Forwarding sample application. It demonstrate possible
14     scheme of job stats library usage therefore some parts of this document is identical with original
15     L2 forwarding application.
16
17 Overview
18 --------
19
20 The L2 Forwarding sample application, which can operate in real and virtualized environments,
21 performs L2 forwarding for each packet that is received.
22 The destination port is the adjacent port from the enabled portmask, that is,
23 if the first four ports are enabled (portmask 0xf),
24 ports 1 and 2 forward into each other, and ports 3 and 4 forward into each other.
25 Also, the MAC addresses are affected as follows:
26
27 *   The source MAC address is replaced by the TX port MAC address
28
29 *   The destination MAC address is replaced by  02:00:00:00:00:TX_PORT_ID
30
31 This application can be used to benchmark performance using a traffic-generator, as shown in the :numref:`figure_l2_fwd_benchmark_setup_jobstats`.
32
33 The application can also be used in a virtualized environment as shown in :numref:`figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup_jobstats`.
34
35 The L2 Forwarding application can also be used as a starting point for developing a new application based on the DPDK.
36
37 .. _figure_l2_fwd_benchmark_setup_jobstats:
38
39 .. figure:: img/l2_fwd_benchmark_setup.*
40
41    Performance Benchmark Setup (Basic Environment)
42
43 .. _figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup_jobstats:
44
45 .. figure:: img/l2_fwd_virtenv_benchmark_setup.*
46
47    Performance Benchmark Setup (Virtualized Environment)
48
49
50 Virtual Function Setup Instructions
51 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
52
53 This application can use the virtual function available in the system and
54 therefore can be used in a virtual machine without passing through
55 the whole Network Device into a guest machine in a virtualized scenario.
56 The virtual functions can be enabled in the host machine or the hypervisor with the respective physical function driver.
57
58 For example, in a Linux* host machine, it is possible to enable a virtual function using the following command:
59
60 .. code-block:: console
61
62     modprobe ixgbe max_vfs=2,2
63
64 This command enables two Virtual Functions on each of Physical Function of the NIC,
65 with two physical ports in the PCI configuration space.
66 It is important to note that enabled Virtual Function 0 and 2 would belong to Physical Function 0
67 and Virtual Function 1 and 3 would belong to Physical Function 1,
68 in this case enabling a total of four Virtual Functions.
69
70 Compiling the Application
71 -------------------------
72
73 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
74
75 The application is located in the ``l2fwd-jobstats`` sub-directory.
76
77 Running the Application
78 -----------------------
79
80 The application requires a number of command line options:
81
82 .. code-block:: console
83
84     ./build/l2fwd-jobstats [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ] [-l]
85
86 where,
87
88 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure
89
90 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
91
92 *   l: Use locale thousands separator when formatting big numbers.
93
94 To run the application in linux environment with 4 lcores, 16 ports, 8 RX queues per lcore and
95 thousands  separator printing, issue the command:
96
97 .. code-block:: console
98
99     $ ./build/l2fwd-jobstats -l 0-3 -n 4 -- -q 8 -p ffff -l
100
101 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
102 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
103
104 Explanation
105 -----------
106
107 The following sections provide some explanation of the code.
108
109 Command Line Arguments
110 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
111
112 The L2 Forwarding sample application takes specific parameters,
113 in addition to Environment Abstraction Layer (EAL) arguments
114 (see `Running the Application`_).
115 The preferred way to parse parameters is to use the getopt() function,
116 since it is part of a well-defined and portable library.
117
118 The parsing of arguments is done in the l2fwd_parse_args() function.
119 The method of argument parsing is not described here.
120 Refer to the *glibc getopt(3)* man page for details.
121
122 EAL arguments are parsed first, then application-specific arguments.
123 This is done at the beginning of the main() function:
124
125 .. code-block:: c
126
127     /* init EAL */
128
129     ret = rte_eal_init(argc, argv);
130     if (ret < 0)
131         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL arguments\n");
132
133     argc -= ret;
134     argv += ret;
135
136     /* parse application arguments (after the EAL ones) */
137
138     ret = l2fwd_parse_args(argc, argv);
139     if (ret < 0)
140         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid L2FWD arguments\n");
141
142 Mbuf Pool Initialization
143 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
144
145 Once the arguments are parsed, the mbuf pool is created.
146 The mbuf pool contains a set of mbuf objects that will be used by the driver
147 and the application to store network packet data:
148
149 .. code-block:: c
150
151     /* create the mbuf pool */
152     l2fwd_pktmbuf_pool = rte_pktmbuf_pool_create("mbuf_pool", NB_MBUF,
153                 MEMPOOL_CACHE_SIZE, 0, RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE,
154                 rte_socket_id());
155
156     if (l2fwd_pktmbuf_pool == NULL)
157         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot init mbuf pool\n");
158
159 The rte_mempool is a generic structure used to handle pools of objects.
160 In this case, it is necessary to create a pool that will be used by the driver.
161 The number of allocated pkt mbufs is NB_MBUF, with a data room size of
162 RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE each.
163 A per-lcore cache of MEMPOOL_CACHE_SIZE mbufs is kept.
164 The memory is allocated in rte_socket_id() socket,
165 but it is possible to extend this code to allocate one mbuf pool per socket.
166
167 The rte_pktmbuf_pool_create() function uses the default mbuf pool and mbuf
168 initializers, respectively rte_pktmbuf_pool_init() and rte_pktmbuf_init().
169 An advanced application may want to use the mempool API to create the
170 mbuf pool with more control.
171
172 Driver Initialization
173 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
174
175 The main part of the code in the main() function relates to the initialization of the driver.
176 To fully understand this code, it is recommended to study the chapters that related to the Poll Mode Driver
177 in the *DPDK Programmer's Guide* and the *DPDK API Reference*.
178
179 .. code-block:: c
180
181     /* reset l2fwd_dst_ports */
182
183     for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++)
184         l2fwd_dst_ports[portid] = 0;
185
186     last_port = 0;
187
188     /*
189      * Each logical core is assigned a dedicated TX queue on each port.
190      */
191     RTE_ETH_FOREACH_DEV(portid) {
192         /* skip ports that are not enabled */
193         if ((l2fwd_enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
194            continue;
195
196         if (nb_ports_in_mask % 2) {
197             l2fwd_dst_ports[portid] = last_port;
198             l2fwd_dst_ports[last_port] = portid;
199         }
200         else
201            last_port = portid;
202
203         nb_ports_in_mask++;
204
205         rte_eth_dev_info_get((uint8_t) portid, &dev_info);
206     }
207
208 The next step is to configure the RX and TX queues.
209 For each port, there is only one RX queue (only one lcore is able to poll a given port).
210 The number of TX queues depends on the number of available lcores.
211 The rte_eth_dev_configure() function is used to configure the number of queues for a port:
212
213 .. code-block:: c
214
215     ret = rte_eth_dev_configure((uint8_t)portid, 1, 1, &port_conf);
216     if (ret < 0)
217         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot configure device: "
218             "err=%d, port=%u\n",
219             ret, portid);
220
221 RX Queue Initialization
222 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
223
224 The application uses one lcore to poll one or several ports, depending on the -q option,
225 which specifies the number of queues per lcore.
226
227 For example, if the user specifies -q 4, the application is able to poll four ports with one lcore.
228 If there are 16 ports on the target (and if the portmask argument is -p ffff ),
229 the application will need four lcores to poll all the ports.
230
231 .. code-block:: c
232
233     ret = rte_eth_rx_queue_setup(portid, 0, nb_rxd,
234                 rte_eth_dev_socket_id(portid),
235                 NULL,
236                 l2fwd_pktmbuf_pool);
237
238     if (ret < 0)
239         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_rx_queue_setup:err=%d, port=%u\n",
240                 ret, (unsigned) portid);
241
242 The list of queues that must be polled for a given lcore is stored in a private structure called struct lcore_queue_conf.
243
244 .. code-block:: c
245
246     struct lcore_queue_conf {
247         unsigned n_rx_port;
248         unsigned rx_port_list[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
249         truct mbuf_table tx_mbufs[RTE_MAX_ETHPORTS];
250
251         struct rte_timer rx_timers[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
252         struct rte_jobstats port_fwd_jobs[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
253
254         struct rte_timer flush_timer;
255         struct rte_jobstats flush_job;
256         struct rte_jobstats idle_job;
257         struct rte_jobstats_context jobs_context;
258
259         rte_atomic16_t stats_read_pending;
260         rte_spinlock_t lock;
261     } __rte_cache_aligned;
262
263 Values of struct lcore_queue_conf:
264
265 *   n_rx_port and rx_port_list[] are used in the main packet processing loop
266     (see Section `Receive, Process and Transmit Packets`_ later in this chapter).
267
268 *   rx_timers and flush_timer are used to ensure forced TX on low packet rate.
269
270 *   flush_job, idle_job and jobs_context are librte_jobstats objects used for managing l2fwd jobs.
271
272 *   stats_read_pending and lock are used during job stats read phase.
273
274 TX Queue Initialization
275 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
276
277 Each lcore should be able to transmit on any port. For every port, a single TX queue is initialized.
278
279 .. code-block:: c
280
281     /* init one TX queue on each port */
282
283     fflush(stdout);
284     ret = rte_eth_tx_queue_setup(portid, 0, nb_txd,
285             rte_eth_dev_socket_id(portid),
286             NULL);
287     if (ret < 0)
288         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_tx_queue_setup:err=%d, port=%u\n",
289                 ret, (unsigned) portid);
290
291 Jobs statistics initialization
292 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
293 There are several statistics objects available:
294
295 *   Flush job statistics
296
297 .. code-block:: c
298
299     rte_jobstats_init(&qconf->flush_job, "flush", drain_tsc, drain_tsc,
300             drain_tsc, 0);
301
302     rte_timer_init(&qconf->flush_timer);
303     ret = rte_timer_reset(&qconf->flush_timer, drain_tsc, PERIODICAL,
304                 lcore_id, &l2fwd_flush_job, NULL);
305
306     if (ret < 0) {
307         rte_exit(1, "Failed to reset flush job timer for lcore %u: %s",
308                     lcore_id, rte_strerror(-ret));
309     }
310
311 *   Statistics per RX port
312
313 .. code-block:: c
314
315     rte_jobstats_init(job, name, 0, drain_tsc, 0, MAX_PKT_BURST);
316     rte_jobstats_set_update_period_function(job, l2fwd_job_update_cb);
317
318     rte_timer_init(&qconf->rx_timers[i]);
319     ret = rte_timer_reset(&qconf->rx_timers[i], 0, PERIODICAL, lcore_id,
320             l2fwd_fwd_job, (void *)(uintptr_t)i);
321
322     if (ret < 0) {
323         rte_exit(1, "Failed to reset lcore %u port %u job timer: %s",
324                     lcore_id, qconf->rx_port_list[i], rte_strerror(-ret));
325     }
326
327 Following parameters are passed to rte_jobstats_init():
328
329 *   0 as minimal poll period
330
331 *   drain_tsc as maximum poll period
332
333 *   MAX_PKT_BURST as desired target value (RX burst size)
334
335 Main loop
336 ~~~~~~~~~
337
338 The forwarding path is reworked comparing to original L2 Forwarding application.
339 In the l2fwd_main_loop() function three loops are placed.
340
341 .. code-block:: c
342
343     for (;;) {
344         rte_spinlock_lock(&qconf->lock);
345
346         do {
347             rte_jobstats_context_start(&qconf->jobs_context);
348
349             /* Do the Idle job:
350              * - Read stats_read_pending flag
351              * - check if some real job need to be executed
352              */
353             rte_jobstats_start(&qconf->jobs_context, &qconf->idle_job);
354
355             do {
356                 uint8_t i;
357                 uint64_t now = rte_get_timer_cycles();
358
359                 need_manage = qconf->flush_timer.expire < now;
360                 /* Check if we was esked to give a stats. */
361                 stats_read_pending =
362                         rte_atomic16_read(&qconf->stats_read_pending);
363                 need_manage |= stats_read_pending;
364
365                 for (i = 0; i < qconf->n_rx_port && !need_manage; i++)
366                     need_manage = qconf->rx_timers[i].expire < now;
367
368             } while (!need_manage);
369             rte_jobstats_finish(&qconf->idle_job, qconf->idle_job.target);
370
371             rte_timer_manage();
372             rte_jobstats_context_finish(&qconf->jobs_context);
373         } while (likely(stats_read_pending == 0));
374
375         rte_spinlock_unlock(&qconf->lock);
376         rte_pause();
377     }
378
379 First infinite for loop is to minimize impact of stats reading. Lock is only locked/unlocked when asked.
380
381 Second inner while loop do the whole jobs management. When any job is ready, the use rte_timer_manage() is used to call the job handler.
382 In this place functions l2fwd_fwd_job() and l2fwd_flush_job() are called when needed.
383 Then rte_jobstats_context_finish() is called to mark loop end - no other jobs are ready to execute. By this time stats are ready to be read
384 and if stats_read_pending is set, loop breaks allowing stats to be read.
385
386 Third do-while loop is the idle job (idle stats counter). Its only purpose is monitoring if any job is ready or stats job read is pending
387 for this lcore. Statistics from this part of code is considered as the headroom available for additional processing.
388
389 Receive, Process and Transmit Packets
390 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
391
392 The main task of l2fwd_fwd_job() function is to read ingress packets from the RX queue of particular port and forward it.
393 This is done using the following code:
394
395 .. code-block:: c
396
397     total_nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0, pkts_burst,
398             MAX_PKT_BURST);
399
400     for (j = 0; j < total_nb_rx; j++) {
401         m = pkts_burst[j];
402         rte_prefetch0(rte_pktmbuf_mtod(m, void *));
403         l2fwd_simple_forward(m, portid);
404     }
405
406 Packets are read in a burst of size MAX_PKT_BURST.
407 Then, each mbuf in the table is processed by the l2fwd_simple_forward() function.
408 The processing is very simple: process the TX port from the RX port, then replace the source and destination MAC addresses.
409
410 The rte_eth_rx_burst() function writes the mbuf pointers in a local table and returns the number of available mbufs in the table.
411
412 After first read second try is issued.
413
414 .. code-block:: c
415
416     if (total_nb_rx == MAX_PKT_BURST) {
417         const uint16_t nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0, pkts_burst,
418                 MAX_PKT_BURST);
419
420         total_nb_rx += nb_rx;
421         for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
422             m = pkts_burst[j];
423             rte_prefetch0(rte_pktmbuf_mtod(m, void *));
424             l2fwd_simple_forward(m, portid);
425         }
426     }
427
428 This second read is important to give job stats library a feedback how many packets was processed.
429
430 .. code-block:: c
431
432     /* Adjust period time in which we are running here. */
433     if (rte_jobstats_finish(job, total_nb_rx) != 0) {
434         rte_timer_reset(&qconf->rx_timers[port_idx], job->period, PERIODICAL,
435                 lcore_id, l2fwd_fwd_job, arg);
436     }
437
438 To maximize performance exactly MAX_PKT_BURST is expected (the target value) to be read for each l2fwd_fwd_job() call.
439 If total_nb_rx is smaller than target value job->period will be increased. If it is greater the period will be decreased.
440
441 .. note::
442
443     In the following code, one line for getting the output port requires some explanation.
444
445 During the initialization process, a static array of destination ports (l2fwd_dst_ports[]) is filled such that for each source port,
446 a destination port is assigned that is either the next or previous enabled port from the portmask.
447 Naturally, the number of ports in the portmask must be even, otherwise, the application exits.
448
449 .. code-block:: c
450
451     static void
452     l2fwd_simple_forward(struct rte_mbuf *m, unsigned portid)
453     {
454         struct rte_ether_hdr *eth;
455         void *tmp;
456         unsigned dst_port;
457
458         dst_port = l2fwd_dst_ports[portid];
459
460         eth = rte_pktmbuf_mtod(m, struct rte_ether_hdr *);
461
462         /* 02:00:00:00:00:xx */
463
464         tmp = &eth->d_addr.addr_bytes[0];
465
466         *((uint64_t *)tmp) = 0x000000000002 + ((uint64_t) dst_port << 40);
467
468         /* src addr */
469
470         ether_addr_copy(&l2fwd_ports_eth_addr[dst_port], &eth->s_addr);
471
472         l2fwd_send_packet(m, (uint8_t) dst_port);
473     }
474
475 Then, the packet is sent using the l2fwd_send_packet (m, dst_port) function.
476 For this test application, the processing is exactly the same for all packets arriving on the same RX port.
477 Therefore, it would have been possible to call the l2fwd_send_burst() function directly from the main loop
478 to send all the received packets on the same TX port,
479 using the burst-oriented send function, which is more efficient.
480
481 However, in real-life applications (such as, L3 routing),
482 packet N is not necessarily forwarded on the same port as packet N-1.
483 The application is implemented to illustrate that, so the same approach can be reused in a more complex application.
484
485 The l2fwd_send_packet() function stores the packet in a per-lcore and per-txport table.
486 If the table is full, the whole packets table is transmitted using the l2fwd_send_burst() function:
487
488 .. code-block:: c
489
490     /* Send the packet on an output interface */
491
492     static int
493     l2fwd_send_packet(struct rte_mbuf *m, uint16_t port)
494     {
495         unsigned lcore_id, len;
496         struct lcore_queue_conf *qconf;
497
498         lcore_id = rte_lcore_id();
499         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
500         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
501         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
502         len++;
503
504         /* enough pkts to be sent */
505
506         if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) {
507             l2fwd_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
508             len = 0;
509         }
510
511         qconf->tx_mbufs[port].len = len; return 0;
512     }
513
514 To ensure that no packets remain in the tables, the flush job exists. The l2fwd_flush_job()
515 is called periodically to for each lcore draining TX queue of each port.
516 This technique introduces some latency when there are not many packets to send,
517 however it improves performance:
518
519 .. code-block:: c
520
521     static void
522     l2fwd_flush_job(__rte_unused struct rte_timer *timer, __rte_unused void *arg)
523     {
524         uint64_t now;
525         unsigned lcore_id;
526         struct lcore_queue_conf *qconf;
527         struct mbuf_table *m_table;
528         uint16_t portid;
529
530         lcore_id = rte_lcore_id();
531         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
532
533         rte_jobstats_start(&qconf->jobs_context, &qconf->flush_job);
534
535         now = rte_get_timer_cycles();
536         lcore_id = rte_lcore_id();
537         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
538         for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++) {
539             m_table = &qconf->tx_mbufs[portid];
540             if (m_table->len == 0 || m_table->next_flush_time <= now)
541                 continue;
542
543             l2fwd_send_burst(qconf, portid);
544         }
545
546
547         /* Pass target to indicate that this job is happy of time interval
548          * in which it was called. */
549         rte_jobstats_finish(&qconf->flush_job, qconf->flush_job.target);
550     }