doc: sample application user guide
[dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l2_forward_real_virtual.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 L2 Forwarding Sample Application (in Real and Virtualized Environments)
32 =======================================================================
33
34 The L2 Forwarding sample application is a simple example of packet processing using
35 the Intel® Data Plane Development Kit (Intel® DPDK) which
36 also takes advantage of Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) features in a virtualized environment.
37
38 .. note::
39
40     Please note that previously a separate L2 Forwarding in Virtualized Environments sample application was used,
41     however, in later Intel® DPDK versions these sample applications have been merged.
42
43 Overview
44 --------
45
46 The L2 Forwarding sample application, which can operate in real and virtualized environments,
47 performs L2 forwarding for each packet that is received on an RX_PORT.
48 The destination port is the adjacent port from the enabled portmask, that is,
49 if the first four ports are enabled (portmask 0xf),
50 ports 1 and 2 forward into each other, and ports 3 and 4 forward into each other.
51 Also, the MAC addresses are affected as follows:
52
53 *   The source MAC address is replaced by the TX_PORT MAC address
54
55 *   The destination MAC address is replaced by  02:00:00:00:00:TX_PORT_ID
56
57 This application can be used to benchmark performance using a traffic-generator, as shown in the Figure 3.
58
59 The application can also be used in a virtualized environment as shown in Figure 4.
60
61 The L2 Forwarding application can also be used as a starting point for developing a new application based on the Intel® DPDK.
62
63 .. _figure_3:
64
65 **Figure 3. Performance Benchmark Setup (Basic Environment)**
66
67 .. image4_png has been replaced
68
69 |l2_fwd_benchmark_setup|
70
71 .. _figure_4:
72
73 **Figure 4. Performance Benchmark Setup (Virtualized Environment)**
74
75 .. image5_png has been renamed
76
77 |l2_fwd_virtenv_benchmark_setup|
78
79 Virtual Function Setup Instructions
80 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
81
82 This application can use the virtual function available in the system and
83 therefore can be used in a virtual machine without passing through
84 the whole Network Device into a guest machine in a virtualized scenario.
85 The virtual functions can be enabled in the host machine or the hypervisor with the respective physical function driver.
86
87 For example, in a Linux* host machine, it is possible to enable a virtual function using the following command:
88
89 .. code-block:: console
90
91     modprobe ixgbe max_vfs=2,2
92
93 This command enables two Virtual Functions on each of Physical Function of the NIC,
94 with two physical ports in the PCI configuration space.
95 It is important to note that enabled Virtual Function 0 and 2 would belong to Physical Function 0
96 and Virtual Function 1 and 3 would belong to Physical Function 1,
97 in this case enabling a total of four Virtual Functions.
98
99 Compiling the Application
100 -------------------------
101
102 #.  Go to the example directory:
103
104     .. code-block:: console
105
106         export RTE_SDK=/path/to/rte_sdk cd ${RTE_SDK}/examples/l2fwd
107
108 #.  Set the target (a default target is used if not specified). For example:
109
110     .. code-block:: console
111
112         export RTE_TARGET=x86_64-native-linuxapp-gcc
113
114     *See the Intel® DPDK Getting Started Guide* for possible RTE_TARGET values.
115
116 #.  Build the application:
117
118     .. code-block:: console
119
120         make
121
122 Running the Application
123 -----------------------
124
125 The application requires a number of command line options:
126
127 .. code-block:: console
128
129     ./build/l2fwd [EAL options] -- -p PORTMASK [-q NQ]
130
131 where,
132
133 *   p PORTMASK: A hexadecimal bitmask of the ports to configure
134
135 *   q NQ: A number of queues (=ports) per lcore (default is 1)
136
137 To run the application in linuxapp environment with 4 lcores, 16 ports and 8 RX queues per lcore, issue the command:
138
139 .. code-block:: console
140
141     $ ./build/l2fwd -c f -n 4 -- -q 8 -p ffff
142
143 Refer to the *Intel® *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications
144 and the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
145
146 Explanation
147 -----------
148
149 The following sections provide some explanation of the code.
150
151 Command Line Arguments
152 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
153
154 The L2 Forwarding sample application takes specific parameters,
155 in addition to Environment Abstraction Layer (EAL) arguments (see Section 9.3).
156 The preferred way to parse parameters is to use the getopt() function,
157 since it is part of a well-defined and portable library.
158
159 The parsing of arguments is done in the l2fwd_parse_args() function.
160 The method of argument parsing is not described here.
161 Refer to the *glibc getopt(3)* man page for details.
162
163 EAL arguments are parsed first, then application-specific arguments.
164 This is done at the beginning of the main() function:
165
166 .. code-block:: c
167
168     /* init EAL */
169
170     ret = rte_eal_init(argc, argv);
171     if (ret < 0)
172         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid EAL arguments\n");
173
174     argc -= ret;
175     argv += ret;
176
177     /* parse application arguments (after the EAL ones) */
178
179     ret = l2fwd_parse_args(argc, argv);
180     if (ret < 0)
181         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Invalid L2FWD arguments\n");
182
183 Mbuf Pool Initialization
184 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
185
186 Once the arguments are parsed, the mbuf pool is created.
187 The mbuf pool contains a set of mbuf objects that will be used by the driver
188 and the application to store network packet data:
189
190 .. code-block:: c
191
192     /* create the mbuf pool */
193
194     l2fwd_pktmbuf_pool = rte_mempool_create("mbuf_pool", NB_MBUF, MBUF_SIZE, 32, sizeof(struct rte_pktmbuf_pool_private),
195         rte_pktmbuf_pool_init, NULL, rte_pktmbuf_init, NULL, SOCKET0, 0);
196
197     if (l2fwd_pktmbuf_pool == NULL)
198         rte_panic("Cannot init mbuf pool\n");
199
200 The rte_mempool is a generic structure used to handle pools of objects.
201 In this case, it is necessary to create a pool that will be used by the driver,
202 which expects to have some reserved space in the mempool structure,
203 sizeof(struct rte_pktmbuf_pool_private) bytes.
204 The number of allocated pkt mbufs is NB_MBUF, with a size of MBUF_SIZE each.
205 A per-lcore cache of 32 mbufs is kept.
206 The memory is allocated in NUMA socket 0,
207 but it is possible to extend this code to allocate one mbuf pool per socket.
208
209 Two callback pointers are also given to the rte_mempool_create() function:
210
211 *   The first callback pointer is to rte_pktmbuf_pool_init() and is used
212     to initialize the private data of the mempool, which is needed by the driver.
213     This function is provided by the mbuf API, but can be copied and extended by the developer.
214
215 *   The second callback pointer given to rte_mempool_create() is the mbuf initializer.
216     The default is used, that is, rte_pktmbuf_init(), which is provided in the rte_mbuf library.
217     If a more complex application wants to extend the rte_pktmbuf structure for its own needs,
218     a new function derived from rte_pktmbuf_init( ) can be created.
219
220 Driver Initialization
221 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
222
223 The main part of the code in the main() function relates to the initialization of the driver.
224 To fully understand this code, it is recommended to study the chapters that related to the Poll Mode Driver
225 in the *Intel® DPDK Programmer's Guide* - Rel 1.4 EAR and the *Intel® DPDK API Reference*.
226
227 .. code-block:: c
228
229     if (rte_eal_pci_probe() < 0)
230         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot probe PCI\n");
231
232     nb_ports = rte_eth_dev_count();
233
234     if (nb_ports == 0)
235         rte_exit(EXIT_FAILURE, "No Ethernet ports - bye\n");
236
237     if (nb_ports > RTE_MAX_ETHPORTS)
238         nb_ports = RTE_MAX_ETHPORTS;
239
240     /* reset l2fwd_dst_ports */
241
242     for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++)
243         l2fwd_dst_ports[portid] = 0;
244
245     last_port = 0;
246
247     /*
248      * Each logical core is assigned a dedicated TX queue on each port.
249      */
250
251     for (portid = 0; portid < nb_ports; portid++) {
252         /* skip ports that are not enabled */
253
254         if ((l2fwd_enabled_port_mask & (1 << portid)) == 0)
255            continue;
256
257         if (nb_ports_in_mask % 2) {
258             l2fwd_dst_ports[portid] = last_port;
259             l2fwd_dst_ports[last_port] = portid;
260         }
261         else
262            last_port = portid;
263
264         nb_ports_in_mask++;
265
266         rte_eth_dev_info_get((uint8_t) portid, &dev_info);
267     }
268
269 Observe that:
270
271 *   rte_igb_pmd_init_all() simultaneously registers the driver as a PCI driver and as an Ethernet* Poll Mode Driver.
272
273 *   rte_eal_pci_probe() parses the devices on the PCI bus and initializes recognized devices.
274
275 The next step is to configure the RX and TX queues.
276 For each port, there is only one RX queue (only one lcore is able to poll a given port).
277 The number of TX queues depends on the number of available lcores.
278 The rte_eth_dev_configure() function is used to configure the number of queues for a port:
279
280 .. code-block:: c
281
282     ret = rte_eth_dev_configure((uint8_t)portid, 1, 1, &port_conf);
283     if (ret < 0)
284         rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot configure device: "
285             "err=%d, port=%u\n",
286             ret, portid);
287
288 The global configuration is stored in a static structure:
289
290 .. code-block:: c
291
292     static const struct rte_eth_conf port_conf = {
293         .rxmode = {
294             .split_hdr_size = 0,
295             .header_split = 0,   /**< Header Split disabled */
296             .hw_ip_checksum = 0, /**< IP checksum offload disabled */
297             .hw_vlan_filter = 0, /**< VLAN filtering disabled */
298             .jumbo_frame = 0,    /**< Jumbo Frame Support disabled */
299             .hw_strip_crc= 0,    /**< CRC stripped by hardware */
300         },
301
302         .txmode = {
303             .mq_mode = ETH_DCB_NONE
304         },
305     };
306
307 RX Queue Initialization
308 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
309
310 The application uses one lcore to poll one or several ports, depending on the -q option,
311 which specifies the number of queues per lcore.
312
313 For example, if the user specifies -q 4, the application is able to poll four ports with one lcore.
314 If there are 16 ports on the target (and if the portmask argument is -p ffff ),
315 the application will need four lcores to poll all the ports.
316
317 .. code-block:: c
318
319     ret = rte_eth_rx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_rxd, SOCKET0, &rx_conf, l2fwd_pktmbuf_pool);
320     if (ret < 0)
321
322         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_rx_queue_setup: "
323             "err=%d, port=%u\n",
324             ret, portid);
325
326 The list of queues that must be polled for a given lcore is stored in a private structure called struct lcore_queue_conf.
327
328 .. code-block:: c
329
330     struct lcore_queue_conf {
331         unsigned n_rx_port;
332         unsigned rx_port_list[MAX_RX_QUEUE_PER_LCORE];
333         struct mbuf_table tx_mbufs[L2FWD_MAX_PORTS];
334     } rte_cache_aligned;
335
336     struct lcore_queue_conf lcore_queue_conf[RTE_MAX_LCORE];
337
338 The values n_rx_port and rx_port_list[] are used in the main packet processing loop
339 (see Section 9.4.6 "Receive, Process and Transmit Packets" later in this chapter).
340
341 The global configuration for the RX queues is stored in a static structure:
342
343 .. code-block:: c
344
345     static const struct rte_eth_rxconf rx_conf = {
346         .rx_thresh = {
347             .pthresh = RX_PTHRESH,
348             .hthresh = RX_HTHRESH,
349             .wthresh = RX_WTHRESH,
350         },
351     };
352
353 TX Queue Initialization
354 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
355
356 Each lcore should be able to transmit on any port. For every port, a single TX queue is initialized.
357
358 .. code-block:: c
359
360     /* init one TX queue on each port */
361
362     fflush(stdout);
363
364     ret = rte_eth_tx_queue_setup((uint8_t) portid, 0, nb_txd, rte_eth_dev_socket_id(portid), &tx_conf);
365     if (ret < 0)
366         rte_exit(EXIT_FAILURE, "rte_eth_tx_queue_setup:err=%d, port=%u\n", ret, (unsigned) portid);
367
368 The global configuration for TX queues is stored in a static structure:
369
370 .. code-block:: c
371
372     static const struct rte_eth_txconf tx_conf = {
373         .tx_thresh = {
374             .pthresh = TX_PTHRESH,
375             .hthresh = TX_HTHRESH,
376             .wthresh = TX_WTHRESH,
377         },
378         .tx_free_thresh = RTE_TEST_TX_DESC_DEFAULT + 1, /* disable feature */
379     };
380
381 Receive, Process and Transmit Packets
382 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
383
384 In the l2fwd_main_loop() function, the main task is to read ingress packets from the RX queues.
385 This is done using the following code:
386
387 .. code-block:: c
388
389     /*
390      * Read packet from RX queues
391      */
392
393     for (i = 0; i < qconf->n_rx_port; i++) {
394         portid = qconf->rx_port_list[i];
395         nb_rx = rte_eth_rx_burst((uint8_t) portid, 0,  pkts_burst, MAX_PKT_BURST);
396
397         for (j = 0; j < nb_rx; j++) {
398             m = pkts_burst[j];
399             rte_prefetch0[rte_pktmbuf_mtod(m, void *)); l2fwd_simple_forward(m, portid);
400         }
401     }
402
403 Packets are read in a burst of size MAX_PKT_BURST.
404 The rte_eth_rx_burst() function writes the mbuf pointers in a local table and returns the number of available mbufs in the table.
405
406 Then, each mbuf in the table is processed by the l2fwd_simple_forward() function.
407 The processing is very simple: process the TX port from the RX port, then replace the source and destination MAC addresses.
408
409 .. note::
410
411     In the following code, one line for getting the output port requires some explanation.
412
413 During the initialization process, a static array of destination ports (l2fwd_dst_ports[]) is filled such that for each source port,
414 a destination port is assigned that is either the next or previous enabled port from the portmask.
415 Naturally, the number of ports in the portmask must be even, otherwise, the application exits.
416
417 .. code-block:: c
418
419     static void
420     l2fwd_simple_forward(struct rte_mbuf *m, unsigned portid)
421     {
422         struct ether_hdr *eth;
423         void *tmp;
424         unsigned dst_port;
425
426         dst_port = l2fwd_dst_ports[portid];
427
428         eth = rte_pktmbuf_mtod(m, struct ether_hdr *);
429
430         /* 02:00:00:00:00:xx */
431
432         tmp = &eth->d_addr.addr_bytes[0];
433
434         *((uint64_t *)tmp) = 0x000000000002 + ((uint64_t) dst_port << 40);
435
436         /* src addr */
437
438         ether_addr_copy(&l2fwd_ports_eth_addr[dst_port], &eth->s_addr);
439
440         l2fwd_send_packet(m, (uint8_t) dst_port);
441     }
442
443 Then, the packet is sent using the l2fwd_send_packet (m, dst_port) function.
444 For this test application, the processing is exactly the same for all packets arriving on the same RX port.
445 Therefore, it would have been possible to call the l2fwd_send_burst() function directly from the main loop
446 to send all the received packets on the same TX port,
447 using the burst-oriented send function, which is more efficient.
448
449 However, in real-life applications (such as, L3 routing),
450 packet N is not necessarily forwarded on the same port as packet N-1.
451 The application is implemented to illustrate that, so the same approach can be reused in a more complex application.
452
453 The l2fwd_send_packet() function stores the packet in a per-lcore and per-txport table.
454 If the table is full, the whole packets table is transmitted using the l2fwd_send_burst() function:
455
456 .. code-block:: c
457
458     /* Send the packet on an output interface */
459
460     static int
461     l2fwd_send_packet(struct rte_mbuf *m, uint8_t port)
462     {
463         unsigned lcore_id, len;
464         struct lcore_queue_conf \*qconf;
465
466         lcore_id = rte_lcore_id();
467         qconf = &lcore_queue_conf[lcore_id];
468         len = qconf->tx_mbufs[port].len;
469         qconf->tx_mbufs[port].m_table[len] = m;
470         len++;
471
472         /* enough pkts to be sent */
473
474         if (unlikely(len == MAX_PKT_BURST)) {
475             l2fwd_send_burst(qconf, MAX_PKT_BURST, port);
476             len = 0;
477         }
478
479         qconf->tx_mbufs[port].len = len; return 0;
480     }
481
482 To ensure that no packets remain in the tables, each lcore does a draining of TX queue in its main loop.
483 This technique introduces some latency when there are not many packets to send,
484 however it improves performance:
485
486 .. code-block:: c
487
488     cur_tsc = rte_rdtsc();
489
490     /*
491      *   TX burst queue drain
492      */
493
494     diff_tsc = cur_tsc - prev_tsc;
495
496     if (unlikely(diff_tsc > drain_tsc)) {
497         for (portid = 0; portid < RTE_MAX_ETHPORTS; portid++) {
498             if (qconf->tx_mbufs[portid].len == 0)
499                 continue;
500
501             l2fwd_send_burst(&lcore_queue_conf[lcore_id], qconf->tx_mbufs[portid].len, (uint8_t) portid);
502
503             qconf->tx_mbufs[portid].len = 0;
504         }
505
506         /* if timer is enabled */
507
508         if (timer_period > 0) {
509             /* advance the timer */
510
511             timer_tsc += diff_tsc;
512
513             /* if timer has reached its timeout */
514
515             if (unlikely(timer_tsc >= (uint64_t) timer_period)) {
516                 /* do this only on master core */
517
518                 if (lcore_id == rte_get_master_lcore()) {
519                     print_stats();
520
521                     /* reset the timer */
522                     timer_tsc = 0;
523                 }
524             }
525         }
526
527         prev_tsc = cur_tsc;
528     }
529
530 .. |l2_fwd_benchmark_setup| image:: img/l2_fwd_benchmark_setup.svg
531
532 .. |l2_fwd_virtenv_benchmark_setup| image:: img/l2_fwd_virtenv_benchmark_setup.png