671d0c7c19d4f4a54d405cf31bcdcd2d4b15c203
[dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l2_forward_real_virtual.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation.
3
4 .. _l2_fwd_app_real_and_virtual:
5
6 L2 Forwarding Sample Application (in Real and Virtualized Environments)
7 =======================================================================
8
9 The L2 Forwarding sample application is a simple example of packet processing using
10 the Data Plane Development Kit (DPDK) which
11 also takes advantage of Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) features in a virtualized environment.
12
13 .. note::
14
15     Please note that previously a separate L2 Forwarding in Virtualized Environments sample application was used,
16     however, in later DPDK versions these sample applications have been merged.
17
18 Overview
19 --------
20
21 The L2 Forwarding sample application, which can operate in real and virtualized environments,
22 performs L2 forwarding for each packet that is received on an RX_PORT.
23 The destination port is the adjacent port from the enabled portmask, that is,
24 if the first four ports are enabled (portmask 0xf),
25 ports 1 and 2 forward into each other, and ports 3 and 4 forward into each other.
26 Also, if MAC addresses updating is enabled, the MAC addresses are affected as follows:
27
28 *   The source MAC address is replaced by the TX_PORT MAC address
29
30 *   The destination MAC address is replaced by  02:00:00:00:00:TX_PORT_ID
31
32 This application can be used to benchmark performance using a traffic-generator, as shown in the :numref:`figure_l2_fwd_benchmark_setup`,
33 or in a virtualized environment as shown in :numref:`figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup`.
34
35 .. _figure_l2_fwd_benchmark_setup:
36
37 .. figure:: img/l2_fwd_benchmark_setup.*
38
39    Performance Benchmark Setup (Basic Environment)
40
41 .. _figure_l2_fwd_virtenv_benchmark_setup:
42
43 .. figure:: img/l2_fwd_virtenv_benchmark_setup.*
44
45    Performance Benchmark Setup (Virtualized Environment)
46
47 This application may be used for basic VM to VM communication as shown in :numref:`figure_l2_fwd_vm2vm`,
48 when MAC addresses updating is disabled.
49
50 .. _figure_l2_fwd_vm2vm:
51
52 .. figure:: img/l2_fwd_vm2vm.*
53
54    Virtual Machine to Virtual Machine communication.
55
56 The L2 Forwarding application can also be used as a starting point for developing a new application based on the DPDK.
57
58 .. _l2_fwd_vf_setup:
59
60 Virtual Function Setup Instructions
61 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
62
63 This application can use the virtual function available in the system and
64 therefore can be used in a virtual machine without passing through
65 the whole Network Device into a guest machine in a virtualized scenario.
66 The virtual functions can be enabled in the host machine or the hypervisor with the respective physical function driver.
67
68 For example, in a Linux* host machine, it is possible to enable a virtual function using the following command:
69
70 .. code-block:: console
71
72     modprobe ixgbe max_vfs=2,2
73
74 This command enables two Virtual Functions on each of Physical Function of the NIC,
75 with two physical ports in the PCI configuration space.
76 It is important to note that enabled Virtual Function 0 and 2 would belong to Physical Function 0
77 and Virtual Function 1 and 3 would belong to Physical Function 1,
78 in this case enabling a total of four Virtual Functions.
79
80 Compiling the Application
81 -------------------------
82
83 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
84
85 The application is located in the ``l2fwd`` sub-directory.
86
87 Running the Application
88 -----------------------
89
90 The application requires a number of command line options:
91
92 .. code-block:: console
93
94     ./build/l2fwd [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ] --[no-]mac-updating
95
96 where,
97
98 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure
99
100 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
101
102 *   --[no-]mac-updating: Enable or disable MAC addresses updating (enabled by default).
103
104 To run the application in linux environment with 4 lcores, 16 ports and 8 RX queues per lcore and MAC address
105 updating enabled, issue the command:
106
107 .. code-block:: console
108
109     $ ./build/l2fwd -l 0-3 -n 4 -- -q 8 -p ffff
110
111 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
112 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
113
114 Explanation
115 -----------
116
117 The following sections provide some explanation of the code.
118
119 .. _l2_fwd_app_cmd_arguments:
120
121 Command Line Arguments
122 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
123
124 The L2 Forwarding sample application takes specific parameters,
125 in addition to Environment Abstraction Layer (EAL) arguments.
126 The preferred way to parse parameters is to use the getopt() function,
127 since it is part of a well-defined and portable library.
128
129 The parsing of arguments is done in the l2fwd_parse_args() function.
130 The method of argument parsing is not described here.
131 Refer to the *glibc getopt(3)* man page for details.
132
133 EAL arguments are parsed first, then application-specific arguments.
134 This is done at the beginning of the main() function:
135
136 .. code-block:: c
137
138     /* init EAL */
139
140     ret = rte_eal_init(argc, argv);
141     if (ret < 0)
142         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL arguments\n");
143
144     argc -= ret;
145     argv += ret;
146
147     /* parse application arguments (after the EAL ones) */
148
149     ret = l2fwd_parse_args(argc, argv);
150     if (ret < 0)
151         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid L2FWD arguments\n");
152
153 .. _l2_fwd_app_mbuf_init:
154
155 Mbuf Pool Initialization
156 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
157
158 Once the arguments are parsed, the mbuf pool is created.
159 The mbuf pool contains a set of mbuf objects that will be used by the driver
160 and the application to store network packet data:
161
162 .. code-block:: c
163
164     /* create the mbuf pool */
165
166     l2fwd_pktmbuf_pool = rte_pktmbuf_pool_create("mbuf_pool", NB_MBUF,
167         MEMPOOL_CACHE_SIZE, 0, RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE,
168         rte_socket_id());
169
170     if (l2fwd_pktmbuf_pool == NULL)
171         rte_panic("Cannot init mbuf pool\n");
172
173 The rte_mempool is a generic structure used to handle pools of objects.
174 In this case, it is necessary to create a pool that will be used by the driver.
175 The number of allocated pkt mbufs is NB_MBUF, with a data room size of
176 RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE each.
177 A per-lcore cache of 32 mbufs is kept.
178 The memory is allocated in NUMA socket 0,
179 but it is possible to extend this code to allocate one mbuf pool per socket.
180
181 The rte_pktmbuf_pool_create() function uses the default mbuf pool and mbuf
182 initializers, respectively rte_pktmbuf_pool_init() and rte_pktmbuf_init().
183 An advanced application may want to use the mempool API to create the
184 mbuf pool with more control.
185
186 .. _l2_fwd_app_dvr_init:
187
188 Driver Initialization
189 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
190
191 The main part of the code in the main() function relates to the initialization of the driver.
192 To fully understand this code, it is recommended to study the chapters that related to the Poll Mode Driver
193 in the *DPDK Programmer's Guide* - Rel 1.4 EAR and the *DPDK API Reference*.
194
195 .. code-block:: c
196
197     /* reset l2fwd_dst_ports */
198
199     for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++)
200         l2fwd_dst_ports[portid] = 0;
201
202     last_port = 0;
203
204     /*
205      * Each logical core is assigned a dedicated TX queue on each port.
206      */
207
208     RTE_ETH_FOREACH_DEV(portid) {
209         /* skip ports that are not enabled */
210
211         if ((l2fwd_enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
212            continue;
213
214         if (nb_ports_in_mask % 2) {
215             l2fwd_dst_ports[portid] = last_port;
216             l2fwd_dst_ports[last_port] = portid;
217         }
218         else
219            last_port = portid;
220
221         nb_ports_in_mask++;
222
223         rte_eth_dev_info_get((uint8_t) portid, &dev_info);
224     }
225
226 The next step is to configure the RX and TX queues.
227 For each port, there is only one RX queue (only one lcore is able to poll a given port).
228 The number of TX queues depends on the number of available lcores.
229 The rte_eth_dev_configure() function is used to configure the number of queues for a port:
230
231 .. code-block:: c
232
233     ret = rte_eth_dev_configure((uint8_t)portid, 1, 1, &port_conf);
234     if (ret < 0)
235         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot configure device: "
236             "err=%d, port=%u\n",
237             ret, portid);
238
239 .. _l2_fwd_app_rx_init:
240
241 RX Queue Initialization
242 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
243
244 The application uses one lcore to poll one or several ports, depending on the -q option,
245 which specifies the number of queues per lcore.
246
247 For example, if the user specifies -q 4, the application is able to poll four ports with one lcore.
248 If there are 16 ports on the target (and if the portmask argument is -p ffff ),
249 the application will need four lcores to poll all the ports.
250
251 .. code-block:: c
252
253     ret = rte_eth_rx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_rxd, SOCKET0, &rx_conf, l2fwd_pktmbuf_pool);
254     if (ret < 0)
255
256         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_rx_queue_setup: "
257             "err=%d, port=%u\n",
258             ret, portid);
259
260 The list of queues that must be polled for a given lcore is stored in a private structure called struct lcore_queue_conf.
261
262 .. code-block:: c
263
264     struct lcore_queue_conf {
265         unsigned n_rx_port;
266         unsigned rx_port_list[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
267         struct mbuf_table tx_mbufs[L2FWD_MAX_PORTS];
268     } rte_cache_aligned;
269
270     struct lcore_queue_conf lcore_queue_conf[RTE_MAX_LCORE];
271
272 The values n_rx_port and rx_port_list[] are used in the main packet processing loop
273 (see :ref:`l2_fwd_app_rx_tx_packets`).
274
275 .. _l2_fwd_app_tx_init:
276
277 TX Queue Initialization
278 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
279
280 Each lcore should be able to transmit on any port. For every port, a single TX queue is initialized.
281
282 .. code-block:: c
283
284     /* init one TX queue on each port */
285
286     fflush(stdout);
287
288     ret = rte_eth_tx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_txd, rte_eth_dev_socket_id(portid), &tx_conf);
289     if (ret < 0)
290         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_tx_queue_setup:err=%d, port=%u\n", ret, (unsigned) portid);
291
292 The global configuration for TX queues is stored in a static structure:
293
294 .. code-block:: c
295
296     static const struct rte_eth_txconf tx_conf = {
297         .tx_thresh = {
298             .pthresh = TX_PTHRESH,
299             .hthresh = TX_HTHRESH,
300             .wthresh = TX_WTHRESH,
301         },
302         .tx_free_thresh = RTE_TEST_TX_DESC_DEFAULT + 1, /* disable feature */
303     };
304
305 .. _l2_fwd_app_rx_tx_packets:
306
307 Receive, Process and Transmit Packets
308 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
309
310 In the l2fwd_main_loop() function, the main task is to read ingress packets from the RX queues.
311 This is done using the following code:
312
313 .. code-block:: c
314
315     /*
316      * Read packet from RX queues
317      */
318
319     for (i = 0; i < qconf->n_rx_port; i++) {
320         portid = qconf->rx_port_list[i];
321         nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0,  pkts_burst, MAX_PKT_BURST);
322
323         for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
324             m = pkts_burst[j];
325             rte_prefetch0[rte_pktmbuf_mtod(m, void *)); l2fwd_simple_forward(m, portid);
326         }
327     }
328
329 Packets are read in a burst of size MAX_PKT_BURST.
330 The rte_eth_rx_burst() function writes the mbuf pointers in a local table and returns the number of available mbufs in the table.
331
332 Then, each mbuf in the table is processed by the l2fwd_simple_forward() function.
333 The processing is very simple: process the TX port from the RX port, then replace the source and destination MAC addresses if MAC
334 addresses updating is enabled.
335
336 .. note::
337
338     In the following code, one line for getting the output port requires some explanation.
339
340 During the initialization process, a static array of destination ports (l2fwd_dst_ports[]) is filled such that for each source port,
341 a destination port is assigned that is either the next or previous enabled port from the portmask.
342 Naturally, the number of ports in the portmask must be even, otherwise, the application exits.
343
344 .. code-block:: c
345
346     static void
347     l2fwd_simple_forward(struct rte_mbuf *m, unsigned portid)
348     {
349         struct rte_ether_hdr *eth;
350         void *tmp;
351         unsigned dst_port;
352
353         dst_port = l2fwd_dst_ports[portid];
354
355         eth = rte_pktmbuf_mtod(m, struct rte_ether_hdr *);
356
357         /* 02:00:00:00:00:xx */
358
359         tmp = &eth->d_addr.addr_bytes[0];
360
361         *((uint64_t *)tmp) = 0x000000000002 + ((uint64_t) dst_port << 40);
362
363         /* src addr */
364
365         rte_ether_addr_copy(&l2fwd_ports_eth_addr[dst_port], &eth->s_addr);
366
367         l2fwd_send_packet(m, (uint8_t) dst_port);
368     }
369
370 Then, the packet is sent using the l2fwd_send_packet (m, dst_port) function.
371 For this test application, the processing is exactly the same for all packets arriving on the same RX port.
372 Therefore, it would have been possible to call the l2fwd_send_burst() function directly from the main loop
373 to send all the received packets on the same TX port,
374 using the burst-oriented send function, which is more efficient.
375
376 However, in real-life applications (such as, L3 routing),
377 packet N is not necessarily forwarded on the same port as packet N-1.
378 The application is implemented to illustrate that, so the same approach can be reused in a more complex application.
379
380 The l2fwd_send_packet() function stores the packet in a per-lcore and per-txport table.
381 If the table is full, the whole packets table is transmitted using the l2fwd_send_burst() function:
382
383 .. code-block:: c
384
385     /* Send the packet on an output interface */
386
387     static int
388     l2fwd_send_packet(struct rte_mbuf *m, uint16_t port)
389     {
390         unsigned lcore_id, len;
391         struct lcore_queue_conf *qconf;
392
393         lcore_id = rte_lcore_id();
394         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
395         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
396         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
397         len++;
398
399         /* enough pkts to be sent */
400
401         if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) {
402             l2fwd_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
403             len = 0;
404         }
405
406         qconf->tx_mbufs[port].len = len; return 0;
407     }
408
409 To ensure that no packets remain in the tables, each lcore does a draining of TX queue in its main loop.
410 This technique introduces some latency when there are not many packets to send,
411 however it improves performance:
412
413 .. code-block:: c
414
415     cur_tsc = rte_rdtsc();
416
417     /*
418      *   TX burst queue drain
419      */
420
421     diff_tsc = cur_tsc - prev_tsc;
422
423     if (unlikely(diff_tsc > drain_tsc)) {
424         for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++) {
425             if (qconf->tx_mbufs[portid].len == 0)
426                 continue;
427
428             l2fwd_send_burst(&lcore_queue_conf[lcore_id], qconf->tx_mbufs[portid].len, (uint8_t) portid);
429
430             qconf->tx_mbufs[portid].len = 0;
431         }
432
433         /* if timer is enabled */
434
435         if (timer_period > 0) {
436             /* advance the timer */
437
438             timer_tsc += diff_tsc;
439
440             /* if timer has reached its timeout */
441
442             if (unlikely(timer_tsc >= (uint64_t) timer_period)) {
443                 /* do this only on master core */
444
445                 if (lcore_id == rte_get_master_lcore()) {
446                     print_stats();
447
448                     /* reset the timer */
449                     timer_tsc = 0;
450                 }
451             }
452         }
453
454         prev_tsc = cur_tsc;
455     }