net/ixgbe: build on Windows
[dpdk.git] / doc / guides / nics / virtio.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2015 Intel Corporation.
3
4 Poll Mode Driver for Emulated Virtio NIC
5 ========================================
6
7 Virtio is a para-virtualization framework initiated by IBM, and supported by KVM hypervisor.
8 In the Data Plane Development Kit (DPDK),
9 we provide a virtio Poll Mode Driver (PMD) as a software solution, comparing to SRIOV hardware solution,
10 for fast guest VM to guest VM communication and guest VM to host communication.
11
12 Vhost is a kernel acceleration module for virtio qemu backend.
13 The DPDK extends kni to support vhost raw socket interface,
14 which enables vhost to directly read/ write packets from/to a physical port.
15 With this enhancement, virtio could achieve quite promising performance.
16
17 For basic qemu-KVM installation and other Intel EM poll mode driver in guest VM,
18 please refer to Chapter "Driver for VM Emulated Devices".
19
20 In this chapter, we will demonstrate usage of virtio PMD driver with two backends,
21 standard qemu vhost back end and vhost kni back end.
22
23 Virtio Implementation in DPDK
24 -----------------------------
25
26 For details about the virtio spec, refer to the latest
27 `VIRTIO (Virtual I/O) Device Specification
28 <https://www.oasis-open.org/committees/tc_home.php?wg_abbrev=virtio>`_.
29
30 As a PMD, virtio provides packet reception and transmission callbacks.
31
32 In Rx, packets described by the used descriptors in vring are available
33 for virtio to burst out.
34
35 In Tx, packets described by the used descriptors in vring are available
36 for virtio to clean. Virtio will enqueue to be transmitted packets into
37 vring, make them available to the device, and then notify the host back
38 end if necessary.
39
40 Features and Limitations of virtio PMD
41 --------------------------------------
42
43 In this release, the virtio PMD driver provides the basic functionality of packet reception and transmission.
44
45 *   It supports merge-able buffers per packet when receiving packets and scattered buffer per packet
46     when transmitting packets. The packet size supported is from 64 to 1518.
47
48 *   It supports multicast packets and promiscuous mode.
49
50 *   The descriptor number for the Rx/Tx queue is hard-coded to be 256 by qemu 2.7 and below.
51     If given a different descriptor number by the upper application,
52     the virtio PMD generates a warning and fall back to the hard-coded value.
53     Rx queue size can be configurable and up to 1024 since qemu 2.8 and above. Rx queue size is 256
54     by default. Tx queue size is still hard-coded to be 256.
55
56 *   Features of mac/vlan filter are supported, negotiation with vhost/backend are needed to support them.
57     When backend can't support vlan filter, virtio app on guest should not enable vlan filter in order
58     to make sure the virtio port is configured correctly. E.g. do not specify '--enable-hw-vlan' in testpmd
59     command line. Note that, mac/vlan filter is best effort: unwanted packets could still arrive.
60
61 *   "RTE_PKTMBUF_HEADROOM" should be defined
62     no less than "sizeof(struct virtio_net_hdr_mrg_rxbuf)", which is 12 bytes when mergeable or
63     "VIRTIO_F_VERSION_1" is set.
64     no less than "sizeof(struct virtio_net_hdr)", which is 10 bytes, when using non-mergeable.
65
66 *   Virtio does not support runtime configuration.
67
68 *   Virtio supports Link State interrupt.
69
70 *   Virtio supports Rx interrupt (so far, only support 1:1 mapping for queue/interrupt).
71
72 *   Virtio supports software vlan stripping and inserting.
73
74 *   Virtio supports using port IO to get PCI resource when UIO module is not available.
75
76 Prerequisites
77 -------------
78
79 The following prerequisites apply:
80
81 *   In the BIOS, turn VT-x and VT-d on
82
83 *   Linux kernel with KVM module; vhost module loaded and ioeventfd supported.
84     Qemu standard backend without vhost support isn't tested, and probably isn't supported.
85
86 Virtio with kni vhost Back End
87 ------------------------------
88
89 This section demonstrates kni vhost back end example setup for Phy-VM Communication.
90
91 .. _figure_host_vm_comms:
92
93 .. figure:: img/host_vm_comms.*
94
95    Host2VM Communication Example Using kni vhost Back End
96
97
98 Host2VM communication example
99
100 #.  Load the kni kernel module:
101
102     .. code-block:: console
103
104         insmod rte_kni.ko
105
106     Other basic DPDK preparations like hugepage enabling,
107     UIO port binding are not listed here.
108     Please refer to the *DPDK Getting Started Guide* for detailed instructions.
109
110 #.  Launch the kni user application:
111
112     .. code-block:: console
113
114         <build_dir>/examples/dpdk-kni -l 0-3 -n 4 -- -p 0x1 -P --config="(0,1,3)"
115
116     This command generates one network device vEth0 for physical port.
117     If specify more physical ports, the generated network device will be vEth1, vEth2, and so on.
118
119     For each physical port, kni creates two user threads.
120     One thread loops to fetch packets from the physical NIC port into the kni receive queue.
121     The other user thread loops to send packets in the kni transmit queue.
122
123     For each physical port, kni also creates a kernel thread that retrieves packets from the kni receive queue,
124     place them onto kni's raw socket's queue and wake up the vhost kernel thread to exchange packets with the virtio virt queue.
125
126     For more details about kni, please refer to :ref:`kni`.
127
128 #.  Enable the kni raw socket functionality for the specified physical NIC port,
129     get the generated file descriptor and set it in the qemu command line parameter.
130     Always remember to set ioeventfd_on and vhost_on.
131
132     Example:
133
134     .. code-block:: console
135
136         echo 1 > /sys/class/net/vEth0/sock_en
137         fd=`cat /sys/class/net/vEth0/sock_fd`
138         exec qemu-system-x86_64 -enable-kvm -cpu host \
139         -m 2048 -smp 4 -name dpdk-test1-vm1 \
140         -drive file=/data/DPDKVMS/dpdk-vm.img \
141         -netdev tap, fd=$fd,id=mynet_kni, script=no,vhost=on \
142         -device virtio-net-pci,netdev=mynet_kni,bus=pci.0,addr=0x3,ioeventfd=on \
143         -vnc:1 -daemonize
144
145     In the above example, virtio port 0 in the guest VM will be associated with vEth0, which in turns corresponds to a physical port,
146     which means received packets come from vEth0, and transmitted packets is sent to vEth0.
147
148 #.  In the guest, bind the virtio device to the uio_pci_generic kernel module and start the forwarding application.
149     When the virtio port in guest bursts Rx, it is getting packets from the
150     raw socket's receive queue.
151     When the virtio port bursts Tx, it is sending packet to the tx_q.
152
153     .. code-block:: console
154
155         modprobe uio
156         dpdk-hugepages.py --setup 1G
157         modprobe uio_pci_generic
158         ./usertools/dpdk-devbind.py -b uio_pci_generic 00:03.0
159
160     We use testpmd as the forwarding application in this example.
161
162     .. figure:: img/console.*
163
164        Running testpmd
165
166 #.  Use IXIA packet generator to inject a packet stream into the KNI physical port.
167
168     The packet reception and transmission flow path is:
169
170     IXIA packet generator->82599 PF->KNI Rx queue->KNI raw socket queue->Guest
171     VM virtio port 0 Rx burst->Guest VM virtio port 0 Tx burst-> KNI Tx queue
172     ->82599 PF-> IXIA packet generator
173
174 Virtio with qemu virtio Back End
175 --------------------------------
176
177 .. _figure_host_vm_comms_qemu:
178
179 .. figure:: img/host_vm_comms_qemu.*
180
181    Host2VM Communication Example Using qemu vhost Back End
182
183
184 .. code-block:: console
185
186     qemu-system-x86_64 -enable-kvm -cpu host -m 2048 -smp 2 -mem-path /dev/
187     hugepages -mem-prealloc
188     -drive file=/data/DPDKVMS/dpdk-vm1
189     -netdev tap,id=vm1_p1,ifname=tap0,script=no,vhost=on
190     -device virtio-net-pci,netdev=vm1_p1,bus=pci.0,addr=0x3,ioeventfd=on
191     -device pci-assign,host=04:10.1 \
192
193 In this example, the packet reception flow path is:
194
195     IXIA packet generator->82599 PF->Linux Bridge->TAP0's socket queue-> Guest
196     VM virtio port 0 Rx burst-> Guest VM 82599 VF port1 Tx burst-> IXIA packet
197     generator
198
199 The packet transmission flow is:
200
201     IXIA packet generator-> Guest VM 82599 VF port1 Rx burst-> Guest VM virtio
202     port 0 Tx burst-> tap -> Linux Bridge->82599 PF-> IXIA packet generator
203
204
205 Virtio PMD Rx/Tx Callbacks
206 --------------------------
207
208 Virtio driver has 6 Rx callbacks and 3 Tx callbacks.
209
210 Rx callbacks:
211
212 #. ``virtio_recv_pkts``:
213    Regular version without mergeable Rx buffer support for split virtqueue.
214
215 #. ``virtio_recv_mergeable_pkts``:
216    Regular version with mergeable Rx buffer support for split virtqueue.
217
218 #. ``virtio_recv_pkts_vec``:
219    Vector version without mergeable Rx buffer support, also fixes the available
220    ring indexes and uses vector instructions to optimize performance for split
221    virtqueue.
222
223 #. ``virtio_recv_pkts_inorder``:
224    In-order version with mergeable and non-mergeable Rx buffer support
225    for split virtqueue.
226
227 #. ``virtio_recv_pkts_packed``:
228    Regular and in-order version without mergeable Rx buffer support for
229    packed virtqueue.
230
231 #. ``virtio_recv_mergeable_pkts_packed``:
232    Regular and in-order version with mergeable Rx buffer support for packed
233    virtqueue.
234
235 Tx callbacks:
236
237 #. ``virtio_xmit_pkts``:
238    Regular version for split virtqueue.
239
240 #. ``virtio_xmit_pkts_inorder``:
241    In-order version for split virtqueue.
242
243 #. ``virtio_xmit_pkts_packed``:
244    Regular and in-order version for packed virtqueue.
245
246 By default, the non-vector callbacks are used:
247
248 *   For Rx: If mergeable Rx buffers is disabled then ``virtio_recv_pkts``
249     or ``virtio_recv_pkts_packed`` will be used, otherwise
250     ``virtio_recv_mergeable_pkts`` or ``virtio_recv_mergeable_pkts_packed``
251     will be used.
252
253 *   For Tx: ``virtio_xmit_pkts`` or ``virtio_xmit_pkts_packed`` will be used.
254
255
256 Vector callbacks will be used when:
257
258 *   Mergeable Rx buffers is disabled.
259
260 The corresponding callbacks are:
261
262 *   For Rx: ``virtio_recv_pkts_vec``.
263
264 There is no vector callbacks for packed virtqueue for now.
265
266
267 Example of using the vector version of the virtio poll mode driver in
268 ``testpmd``::
269
270    dpdk-testpmd -l 0-2 -n 4 -- -i --rxq=1 --txq=1 --nb-cores=1
271
272 In-order callbacks only work on simulated virtio user vdev.
273
274 For split virtqueue:
275
276 *   For Rx: If in-order is enabled then ``virtio_recv_pkts_inorder`` is used.
277
278 *   For Tx: If in-order is enabled then ``virtio_xmit_pkts_inorder`` is used.
279
280 For packed virtqueue, the default callbacks already support the
281 in-order feature.
282
283 Interrupt mode
284 --------------
285
286 .. _virtio_interrupt_mode:
287
288 There are three kinds of interrupts from a virtio device over PCI bus: config
289 interrupt, Rx interrupts, and Tx interrupts. Config interrupt is used for
290 notification of device configuration changes, especially link status (lsc).
291 Interrupt mode is translated into Rx interrupts in the context of DPDK.
292
293 .. Note::
294
295    Virtio PMD already has support for receiving lsc from qemu when the link
296    status changes, especially when vhost user disconnects. However, it fails
297    to do that if the VM is created by qemu 2.6.2 or below, since the
298    capability to detect vhost user disconnection is introduced in qemu 2.7.0.
299
300 Prerequisites for Rx interrupts
301 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
302
303 To support Rx interrupts,
304 #. Check if guest kernel supports VFIO-NOIOMMU:
305
306     Linux started to support VFIO-NOIOMMU since 4.8.0. Make sure the guest
307     kernel is compiled with:
308
309     .. code-block:: console
310
311         CONFIG_VFIO_NOIOMMU=y
312
313 #. Properly set msix vectors when starting VM:
314
315     Enable multi-queue when starting VM, and specify msix vectors in qemu
316     cmdline. (N+1) is the minimum, and (2N+2) is mostly recommended.
317
318     .. code-block:: console
319
320         $(QEMU) ... -device virtio-net-pci,mq=on,vectors=2N+2 ...
321
322 #. In VM, insert vfio module in NOIOMMU mode:
323
324     .. code-block:: console
325
326         modprobe vfio enable_unsafe_noiommu_mode=1
327         modprobe vfio-pci
328
329 #. In VM, bind the virtio device with vfio-pci:
330
331     .. code-block:: console
332
333         ./usertools/dpdk-devbind.py -b vfio-pci 00:03.0
334
335 Example
336 ~~~~~~~
337
338 Here we use l3fwd-power as an example to show how to get started.
339
340     Example:
341
342     .. code-block:: console
343
344         $ dpdk-l3fwd-power -l 0-1 -- -p 1 -P --config="(0,0,1)" \
345                                                --no-numa --parse-ptype
346
347
348 Virtio PMD arguments
349 --------------------
350
351 Below devargs are supported by the PCI virtio driver:
352
353 #.  ``vdpa``:
354
355     A virtio device could also be driven by vDPA (vhost data path acceleration)
356     driver, and works as a HW vhost backend. This argument is used to specify
357     a virtio device needs to work in vDPA mode.
358     (Default: 0 (disabled))
359
360 #.  ``speed``:
361
362     It is used to specify link speed of virtio device. Link speed is a part of
363     link status structure. It could be requested by application using
364     rte_eth_link_get_nowait function.
365     (Default: 0xffffffff (Unknown))
366
367 #.  ``vectorized``:
368
369     It is used to specify whether virtio device prefers to use vectorized path.
370     Afterwards, dependencies of vectorized path will be checked in path
371     election.
372     (Default: 0 (disabled))
373
374 Below devargs are supported by the virtio-user vdev:
375
376 #.  ``path``:
377
378     It is used to specify a path to connect to vhost backend.
379
380 #.  ``mac``:
381
382     It is used to specify the MAC address.
383
384 #.  ``cq``:
385
386     It is used to enable the control queue. (Default: 0 (disabled))
387
388 #.  ``queue_size``:
389
390     It is used to specify the queue size. (Default: 256)
391
392 #.  ``queues``:
393
394     It is used to specify the queue number. (Default: 1)
395
396 #.  ``iface``:
397
398     It is used to specify the host interface name for vhost-kernel
399     backend.
400
401 #.  ``server``:
402
403     It is used to enable the server mode when using vhost-user backend.
404     (Default: 0 (disabled))
405
406 #.  ``mrg_rxbuf``:
407
408     It is used to enable virtio device mergeable Rx buffer feature.
409     (Default: 1 (enabled))
410
411 #.  ``in_order``:
412
413     It is used to enable virtio device in-order feature.
414     (Default: 1 (enabled))
415
416 #.  ``packed_vq``:
417
418     It is used to enable virtio device packed virtqueue feature.
419     (Default: 0 (disabled))
420
421 #.  ``speed``:
422
423     It is used to specify link speed of virtio device. Link speed is a part of
424     link status structure. It could be requested by application using
425     rte_eth_link_get_nowait function.
426     (Default: 0xffffffff (Unknown))
427
428 #.  ``vectorized``:
429
430     It is used to specify whether virtio device prefers to use vectorized path.
431     Afterwards, dependencies of vectorized path will be checked in path
432     election.
433     (Default: 0 (disabled))
434
435 Virtio paths Selection and Usage
436 --------------------------------
437
438 Logically virtio-PMD has 9 paths based on the combination of virtio features
439 (Rx mergeable, In-order, Packed virtqueue), below is an introduction of these
440 features:
441
442 *   `Rx mergeable <https://docs.oasis-open.org/virtio/virtio/v1.1/cs01/
443     virtio-v1.1-cs01.html#x1-2140004>`_: With this feature negotiated, device
444     can receive large packets by combining individual descriptors.
445 *   `In-order <https://docs.oasis-open.org/virtio/virtio/v1.1/cs01/
446     virtio-v1.1-cs01.html#x1-690008>`_: Some devices always use descriptors
447     in the same order in which they have been made available, these
448     devices can offer the VIRTIO_F_IN_ORDER feature. With this feature negotiated,
449     driver will use descriptors in order.
450 *   `Packed virtqueue <https://docs.oasis-open.org/virtio/virtio/v1.1/cs01/
451     virtio-v1.1-cs01.html#x1-610007>`_: The structure of packed virtqueue is
452     different from split virtqueue, split virtqueue is composed of available ring,
453     used ring and descriptor table, while packed virtqueue is composed of descriptor
454     ring, driver event suppression and device event suppression. The idea behind
455     this is to improve performance by avoiding cache misses and make it easier
456     for hardware to implement.
457
458 Virtio paths Selection
459 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
460
461 If packed virtqueue is not negotiated, below split virtqueue paths will be selected
462 according to below configuration:
463
464 #. Split virtqueue mergeable path: If Rx mergeable is negotiated, in-order feature is
465    not negotiated, this path will be selected.
466 #. Split virtqueue non-mergeable path: If Rx mergeable and in-order feature are not
467    negotiated, also Rx offload(s) are requested, this path will be selected.
468 #. Split virtqueue in-order mergeable path: If Rx mergeable and in-order feature are
469    both negotiated, this path will be selected.
470 #. Split virtqueue in-order non-mergeable path: If in-order feature is negotiated and
471    Rx mergeable is not negotiated, this path will be selected.
472 #. Split virtqueue vectorized Rx path: If Rx mergeable is disabled and no Rx offload
473    requested, this path will be selected.
474
475 If packed virtqueue is negotiated, below packed virtqueue paths will be selected
476 according to below configuration:
477
478 #. Packed virtqueue mergeable path: If Rx mergeable is negotiated, in-order feature
479    is not negotiated, this path will be selected.
480 #. Packed virtqueue non-mergeable path: If Rx mergeable and in-order feature are not
481    negotiated, this path will be selected.
482 #. Packed virtqueue in-order mergeable path: If in-order and Rx mergeable feature are
483    both negotiated, this path will be selected.
484 #. Packed virtqueue in-order non-mergeable path: If in-order feature is negotiated and
485    Rx mergeable is not negotiated, this path will be selected.
486 #. Packed virtqueue vectorized Rx path: If building and running environment support
487    (AVX512 || NEON) && in-order feature is negotiated && Rx mergeable
488    is not negotiated && TCP_LRO Rx offloading is disabled && vectorized option enabled,
489    this path will be selected.
490 #. Packed virtqueue vectorized Tx path: If building and running environment support
491    (AVX512 || NEON)  && in-order feature is negotiated && vectorized option enabled,
492    this path will be selected.
493
494 Rx/Tx callbacks of each Virtio path
495 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
496
497 Refer to above description, virtio path and corresponding Rx/Tx callbacks will
498 be selected automatically. Rx callbacks and Tx callbacks for each virtio path
499 are shown in below table:
500
501 .. table:: Virtio Paths and Callbacks
502
503    ============================================ ================================= ========================
504                  Virtio paths                            Rx callbacks                   Tx callbacks
505    ============================================ ================================= ========================
506    Split virtqueue mergeable path               virtio_recv_mergeable_pkts        virtio_xmit_pkts
507    Split virtqueue non-mergeable path           virtio_recv_pkts                  virtio_xmit_pkts
508    Split virtqueue in-order mergeable path      virtio_recv_pkts_inorder          virtio_xmit_pkts_inorder
509    Split virtqueue in-order non-mergeable path  virtio_recv_pkts_inorder          virtio_xmit_pkts_inorder
510    Split virtqueue vectorized Rx path           virtio_recv_pkts_vec              virtio_xmit_pkts
511    Packed virtqueue mergeable path              virtio_recv_mergeable_pkts_packed virtio_xmit_pkts_packed
512    Packed virtqueue non-mergeable path          virtio_recv_pkts_packed           virtio_xmit_pkts_packed
513    Packed virtqueue in-order mergeable path     virtio_recv_mergeable_pkts_packed virtio_xmit_pkts_packed
514    Packed virtqueue in-order non-mergeable path virtio_recv_pkts_packed           virtio_xmit_pkts_packed
515    Packed virtqueue vectorized Rx path          virtio_recv_pkts_packed_vec       virtio_xmit_pkts_packed
516    Packed virtqueue vectorized Tx path          virtio_recv_pkts_packed           virtio_xmit_pkts_packed_vec
517    ============================================ ================================= ========================
518
519 Virtio paths Support Status from Release to Release
520 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
521
522 Virtio feature implementation:
523
524 *   In-order feature is supported since DPDK 18.08 by adding new Rx/Tx callbacks
525     ``virtio_recv_pkts_inorder`` and ``virtio_xmit_pkts_inorder``.
526 *   Packed virtqueue is supported since DPDK 19.02 by adding new Rx/Tx callbacks
527     ``virtio_recv_pkts_packed`` , ``virtio_recv_mergeable_pkts_packed`` and
528     ``virtio_xmit_pkts_packed``.
529
530 All virtio paths support status are shown in below table:
531
532 .. table:: Virtio Paths and Releases
533
534    ============================================ ============= ============= ============= =======
535                   Virtio paths                  16.11 ~ 18.05 18.08 ~ 18.11 19.02 ~ 19.11 20.05 ~
536    ============================================ ============= ============= ============= =======
537    Split virtqueue mergeable path                     Y             Y             Y          Y
538    Split virtqueue non-mergeable path                 Y             Y             Y          Y
539    Split virtqueue vectorized Rx path                 Y             Y             Y          Y
540    Split virtqueue simple Tx path                     Y             N             N          N
541    Split virtqueue in-order mergeable path                          Y             Y          Y
542    Split virtqueue in-order non-mergeable path                      Y             Y          Y
543    Packed virtqueue mergeable path                                                Y          Y
544    Packed virtqueue non-mergeable path                                            Y          Y
545    Packed virtqueue in-order mergeable path                                       Y          Y
546    Packed virtqueue in-order non-mergeable path                                   Y          Y
547    Packed virtqueue vectorized Rx path                                                       Y
548    Packed virtqueue vectorized Tx path                                                       Y
549    ============================================ ============= ============= ============= =======
550
551 QEMU Support Status
552 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
553
554 *   Qemu now supports three paths of split virtqueue: Split virtqueue mergeable path,
555     Split virtqueue non-mergeable path, Split virtqueue vectorized Rx path.
556 *   Since qemu 4.2.0, Packed virtqueue mergeable path and Packed virtqueue non-mergeable
557     path can be supported.
558
559 How to Debug
560 ~~~~~~~~~~~~
561
562 If you meet performance drop or some other issues after upgrading the driver
563 or configuration, below steps can help you identify which path you selected and
564 root cause faster.
565
566 #. Run vhost/virtio test case;
567 #. Run "perf top" and check virtio Rx/Tx callback names;
568 #. Identify which virtio path is selected refer to above table.