net/hns3: support PF device with copper PHYs
[dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / kernel_nic_interface.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2015 Intel Corporation.
3
4 .. _kni:
5
6 Kernel NIC Interface
7 ====================
8
9 The DPDK Kernel NIC Interface (KNI) allows userspace applications access to the Linux* control plane.
10
11 The benefits of using the DPDK KNI are:
12
13 *   Faster than existing Linux TUN/TAP interfaces
14     (by eliminating system calls and copy_to_user()/copy_from_user() operations.
15
16 *   Allows management of DPDK ports using standard Linux net tools such as ethtool, ifconfig and tcpdump.
17
18 *   Allows an interface with the kernel network stack.
19
20 The components of an application using the DPDK Kernel NIC Interface are shown in :numref:`figure_kernel_nic_intf`.
21
22 .. _figure_kernel_nic_intf:
23
24 .. figure:: img/kernel_nic_intf.*
25
26    Components of a DPDK KNI Application
27
28
29 The DPDK KNI Kernel Module
30 --------------------------
31
32 The KNI kernel loadable module ``rte_kni`` provides the kernel interface
33 for DPDK applications.
34
35 When the ``rte_kni`` module is loaded, it will create a device ``/dev/kni``
36 that is used by the DPDK KNI API functions to control and communicate with
37 the kernel module.
38
39 The ``rte_kni`` kernel module contains several optional parameters which
40 can be specified when the module is loaded to control its behavior:
41
42 .. code-block:: console
43
44     # modinfo rte_kni.ko
45     <snip>
46     parm:           lo_mode: KNI loopback mode (default=lo_mode_none):
47                     lo_mode_none        Kernel loopback disabled
48                     lo_mode_fifo        Enable kernel loopback with fifo
49                     lo_mode_fifo_skb    Enable kernel loopback with fifo and skb buffer
50                      (charp)
51     parm:           kthread_mode: Kernel thread mode (default=single):
52                     single    Single kernel thread mode enabled.
53                     multiple  Multiple kernel thread mode enabled.
54                      (charp)
55     parm:           carrier: Default carrier state for KNI interface (default=off):
56                     off   Interfaces will be created with carrier state set to off.
57                     on    Interfaces will be created with carrier state set to on.
58                      (charp)
59
60 Loading the ``rte_kni`` kernel module without any optional parameters is
61 the typical way a DPDK application gets packets into and out of the kernel
62 network stack.  Without any parameters, only one kernel thread is created
63 for all KNI devices for packet receiving in kernel side, loopback mode is
64 disabled, and the default carrier state of KNI interfaces is set to *off*.
65
66 .. code-block:: console
67
68     # insmod <build_dir>/kernel/linux/kni/rte_kni.ko
69
70 .. _kni_loopback_mode:
71
72 Loopback Mode
73 ~~~~~~~~~~~~~
74
75 For testing, the ``rte_kni`` kernel module can be loaded in loopback mode
76 by specifying the ``lo_mode`` parameter:
77
78 .. code-block:: console
79
80     # insmod <build_dir>/kernel/linux/kni/rte_kni.ko lo_mode=lo_mode_fifo
81
82 The ``lo_mode_fifo`` loopback option will loop back ring enqueue/dequeue
83 operations in kernel space.
84
85 .. code-block:: console
86
87     # insmod <build_dir>/kernel/linux/kni/rte_kni.ko lo_mode=lo_mode_fifo_skb
88
89 The ``lo_mode_fifo_skb`` loopback option will loop back ring enqueue/dequeue
90 operations and sk buffer copies in kernel space.
91
92 If the ``lo_mode`` parameter is not specified, loopback mode is disabled.
93
94 .. _kni_kernel_thread_mode:
95
96 Kernel Thread Mode
97 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
98
99 To provide flexibility of performance, the ``rte_kni`` KNI kernel module
100 can be loaded with the ``kthread_mode`` parameter.  The ``rte_kni`` kernel
101 module supports two options: "single kernel thread" mode and "multiple
102 kernel thread" mode.
103
104 Single kernel thread mode is enabled as follows:
105
106 .. code-block:: console
107
108     # insmod <build_dir>/kernel/linux/kni/rte_kni.ko kthread_mode=single
109
110 This mode will create only one kernel thread for all KNI interfaces to
111 receive data on the kernel side.  By default, this kernel thread is not
112 bound to any particular core, but the user can set the core affinity for
113 this kernel thread by setting the ``core_id`` and ``force_bind`` parameters
114 in ``struct rte_kni_conf`` when the first KNI interface is created:
115
116 For optimum performance, the kernel thread should be bound to a core in
117 on the same socket as the DPDK lcores used in the application.
118
119 The KNI kernel module can also be configured to start a separate kernel
120 thread for each KNI interface created by the DPDK application.  Multiple
121 kernel thread mode is enabled as follows:
122
123 .. code-block:: console
124
125     # insmod <build_dir>/kernel/linux/kni/rte_kni.ko kthread_mode=multiple
126
127 This mode will create a separate kernel thread for each KNI interface to
128 receive data on the kernel side.  The core affinity of each ``kni_thread``
129 kernel thread can be specified by setting the ``core_id`` and ``force_bind``
130 parameters in ``struct rte_kni_conf`` when each KNI interface is created.
131
132 Multiple kernel thread mode can provide scalable higher performance if
133 sufficient unused cores are available on the host system.
134
135 If the ``kthread_mode`` parameter is not specified, the "single kernel
136 thread" mode is used.
137
138 .. _kni_default_carrier_state:
139
140 Default Carrier State
141 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
142
143 The default carrier state of KNI interfaces created by the ``rte_kni``
144 kernel module is controlled via the ``carrier`` option when the module
145 is loaded.
146
147 If ``carrier=off`` is specified, the kernel module will leave the carrier
148 state of the interface *down* when the interface is management enabled.
149 The DPDK application can set the carrier state of the KNI interface using the
150 ``rte_kni_update_link()`` function.  This is useful for DPDK applications
151 which require that the carrier state of the KNI interface reflect the
152 actual link state of the corresponding physical NIC port.
153
154 If ``carrier=on`` is specified, the kernel module will automatically set
155 the carrier state of the interface to *up* when the interface is management
156 enabled.  This is useful for DPDK applications which use the KNI interface as
157 a purely virtual interface that does not correspond to any physical hardware
158 and do not wish to explicitly set the carrier state of the interface with
159 ``rte_kni_update_link()``.  It is also useful for testing in loopback mode
160 where the NIC port may not be physically connected to anything.
161
162 To set the default carrier state to *on*:
163
164 .. code-block:: console
165
166     # insmod <build_dir>/kernel/linux/kni/rte_kni.ko carrier=on
167
168 To set the default carrier state to *off*:
169
170 .. code-block:: console
171
172     # insmod <build_dir>/kernel/linux/kni/rte_kni.ko carrier=off
173
174 If the ``carrier`` parameter is not specified, the default carrier state
175 of KNI interfaces will be set to *off*.
176
177 KNI Creation and Deletion
178 -------------------------
179
180 Before any KNI interfaces can be created, the ``rte_kni`` kernel module must
181 be loaded into the kernel and configured with the ``rte_kni_init()`` function.
182
183 The KNI interfaces are created by a DPDK application dynamically via the
184 ``rte_kni_alloc()`` function.
185
186 The ``struct rte_kni_conf`` structure contains fields which allow the
187 user to specify the interface name, set the MTU size, set an explicit or
188 random MAC address and control the affinity of the kernel Rx thread(s)
189 (both single and multi-threaded modes).
190 By default the KNI sample example gets the MTU from the matching device,
191 and in case of KNI PMD it is derived from mbuf buffer length.
192
193 The ``struct rte_kni_ops`` structure contains pointers to functions to
194 handle requests from the ``rte_kni`` kernel module.  These functions
195 allow DPDK applications to perform actions when the KNI interfaces are
196 manipulated by control commands or functions external to the application.
197
198 For example, the DPDK application may wish to enabled/disable a physical
199 NIC port when a user enabled/disables a KNI interface with ``ip link set
200 [up|down] dev <ifaceX>``.  The DPDK application can register a callback for
201 ``config_network_if`` which will be called when the interface management
202 state changes.
203
204 There are currently four callbacks for which the user can register
205 application functions:
206
207 ``config_network_if``:
208
209     Called when the management state of the KNI interface changes.
210     For example, when the user runs ``ip link set [up|down] dev <ifaceX>``.
211
212 ``change_mtu``:
213
214     Called when the user changes the MTU size of the KNI
215     interface.  For example, when the user runs ``ip link set mtu <size>
216     dev <ifaceX>``.
217
218 ``config_mac_address``:
219
220     Called when the user changes the MAC address of the KNI interface.
221     For example, when the user runs ``ip link set address <MAC>
222     dev <ifaceX>``.  If the user sets this callback function to NULL,
223     but sets the ``port_id`` field to a value other than -1, a default
224     callback handler in the rte_kni library ``kni_config_mac_address()``
225     will be called which calls ``rte_eth_dev_default_mac_addr_set()``
226     on the specified ``port_id``.
227
228 ``config_promiscusity``:
229
230     Called when the user changes the promiscuity state of the KNI
231     interface.  For example, when the user runs ``ip link set promisc
232     [on|off] dev <ifaceX>``. If the user sets this callback function to
233     NULL, but sets the ``port_id`` field to a value other than -1, a default
234     callback handler in the rte_kni library ``kni_config_promiscusity()``
235     will be called which calls ``rte_eth_promiscuous_<enable|disable>()``
236     on the specified ``port_id``.
237
238 ``config_allmulticast``:
239
240     Called when the user changes the allmulticast state of the KNI interface.
241     For example, when the user runs ``ifconfig <ifaceX> [-]allmulti``. If the
242     user sets this callback function to NULL, but sets the ``port_id`` field to
243     a value other than -1, a default callback handler in the rte_kni library
244     ``kni_config_allmulticast()`` will be called which calls
245     ``rte_eth_allmulticast_<enable|disable>()`` on the specified ``port_id``.
246
247 In order to run these callbacks, the application must periodically call
248 the ``rte_kni_handle_request()`` function.  Any user callback function
249 registered will be called directly from ``rte_kni_handle_request()`` so
250 care must be taken to prevent deadlock and to not block any DPDK fastpath
251 tasks.  Typically DPDK applications which use these callbacks will need
252 to create a separate thread or secondary process to periodically call
253 ``rte_kni_handle_request()``.
254
255 The KNI interfaces can be deleted by a DPDK application with
256 ``rte_kni_release()``.  All KNI interfaces not explicitly deleted will be
257 deleted when the ``/dev/kni`` device is closed, either explicitly with
258 ``rte_kni_close()`` or when the DPDK application is closed.
259
260 DPDK mbuf Flow
261 --------------
262
263 To minimize the amount of DPDK code running in kernel space, the mbuf mempool is managed in userspace only.
264 The kernel module will be aware of mbufs,
265 but all mbuf allocation and free operations will be handled by the DPDK application only.
266
267 :numref:`figure_pkt_flow_kni` shows a typical scenario with packets sent in both directions.
268
269 .. _figure_pkt_flow_kni:
270
271 .. figure:: img/pkt_flow_kni.*
272
273    Packet Flow via mbufs in the DPDK KNI
274
275
276 Use Case: Ingress
277 -----------------
278
279 On the DPDK RX side, the mbuf is allocated by the PMD in the RX thread context.
280 This thread will enqueue the mbuf in the rx_q FIFO,
281 and the next pointers in mbuf-chain will convert to physical address.
282 The KNI thread will poll all KNI active devices for the rx_q.
283 If an mbuf is dequeued, it will be converted to a sk_buff and sent to the net stack via netif_rx().
284 The dequeued mbuf must be freed, so the same pointer is sent back in the free_q FIFO,
285 and next pointers must convert back to virtual address if exists before put in the free_q FIFO.
286
287 The RX thread, in the same main loop, polls this FIFO and frees the mbuf after dequeuing it.
288 The address conversion of the next pointer is to prevent the chained mbuf
289 in different hugepage segments from causing kernel crash.
290
291 Use Case: Egress
292 ----------------
293
294 For packet egress the DPDK application must first enqueue several mbufs to create an mbuf cache on the kernel side.
295
296 The packet is received from the Linux net stack, by calling the kni_net_tx() callback.
297 The mbuf is dequeued (without waiting due the cache) and filled with data from sk_buff.
298 The sk_buff is then freed and the mbuf sent in the tx_q FIFO.
299
300 The DPDK TX thread dequeues the mbuf and sends it to the PMD via ``rte_eth_tx_burst()``.
301 It then puts the mbuf back in the cache.
302
303 IOVA = VA: Support
304 ------------------
305
306 KNI operates in IOVA_VA scheme when
307
308 - LINUX_VERSION_CODE >= KERNEL_VERSION(4, 10, 0) and
309 - EAL option `iova-mode=va` is passed or bus IOVA scheme in the DPDK is selected
310   as RTE_IOVA_VA.
311
312 Due to IOVA to KVA address translations, based on the KNI use case there
313 can be a performance impact. For mitigation, forcing IOVA to PA via EAL
314 "--iova-mode=pa" option can be used, IOVA_DC bus iommu scheme can also
315 result in IOVA as PA.
316
317 Ethtool
318 -------
319
320 Ethtool is a Linux-specific tool with corresponding support in the kernel.
321 The current version of kni provides minimal ethtool functionality
322 including querying version and link state. It does not support link
323 control, statistics, or dumping device registers.