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   1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
   2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation.
   3
   4 .. _LPM_Library:
   5
   6 LPM Library
   7 ===========
   8
   9 The DPDK LPM library component implements the Longest Prefix Match (LPM) table search method for 32-bit keys
  10 that is typically used to find the best route match in IP forwarding applications.
  11
  12 LPM API Overview
  13 ----------------
  14
  15 The main configuration parameter for LPM component instances is the maximum number of rules to support.
  16 An LPM prefix is represented by a pair of parameters (32- bit key, depth), with depth in the range of 1 to 32.
  17 An LPM rule is represented by an LPM prefix and some user data associated with the prefix.
  18 The prefix serves as the unique identifier of the LPM rule.
  19 In this implementation, the user data is 1-byte long and is called next hop,
  20 in correlation with its main use of storing the ID of the next hop in a routing table entry.
  21
  22 The main methods exported by the LPM component are:
  23
  24 *   Add LPM rule: The LPM rule is provided as input.
  25     If there is no rule with the same prefix present in the table, then the new rule is added to the LPM table.
  26     If a rule with the same prefix is already present in the table, the next hop of the rule is updated.
  27     An error is returned when there is no available rule space left.
  28
  29 *   Delete LPM rule: The prefix of the LPM rule is provided as input.
  30     If a rule with the specified prefix is present in the LPM table, then it is removed.
  31
  32 *   Lookup LPM key: The 32-bit key is provided as input.
  33     The algorithm selects the rule that represents the best match for the given key and returns the next hop of that rule.
  34     In the case that there are multiple rules present in the LPM table that have the same 32-bit key,
  35     the algorithm picks the rule with the highest depth as the best match rule,
  36     which means that the rule has the highest number of most significant bits matching between the input key and the rule key.
  37
  38 .. _lpm4_details:
  39
  40 Implementation Details
  41 ----------------------
  42
  43 The current implementation uses a variation of the DIR-24-8 algorithm that trades memory usage for improved LPM lookup speed.
  44 The algorithm allows the lookup operation to be performed with typically a single memory read access.
  45 In the statistically rare case when the best match rule is having a depth bigger than 24,
  46 the lookup operation requires two memory read accesses.
  47 Therefore, the performance of the LPM lookup operation is greatly influenced by
  48 whether the specific memory location is present in the processor cache or not.
  49
  50 The main data structure is built using the following elements:
  51
  52 *   A table with 2^24 entries.
  53
  54 *   A number of tables (RTE_LPM_TBL8_NUM_GROUPS) with 2^8 entries.
  55
  56 The first table, called tbl24, is indexed using the first 24 bits of the IP address to be looked up,
  57 while the second table(s), called tbl8, is indexed using the last 8 bits of the IP address.
  58 This means that depending on the outcome of trying to match the IP address of an incoming packet to the rule stored in the tbl24
  59 we might need to continue the lookup process in the second level.
  60
  61 Since every entry of the tbl24 can potentially point to a tbl8, ideally, we would have 2^24 tbl8s,
  62 which would be the same as having a single table with 2^32 entries.
  63 This is not feasible due to resource restrictions.
  64 Instead, this approach takes advantage of the fact that rules longer than 24 bits are very rare.
  65 By splitting the process in two different tables/levels and limiting the number of tbl8s,
  66 we can greatly reduce memory consumption while maintaining a very good lookup speed (one memory access, most of the times).
  67
  68
  69 .. figure:: img/tbl24_tbl8.*
  70
  71    Table split into different levels
  72
  73
  74 An entry in tbl24 contains the following fields:
  75
  76 *   next hop / index to the tbl8
  77
  78 *   valid flag
  79
  80 *   external entry flag
  81
  82 *   depth of the rule (length)
  83
  84 The first field can either contain a number indicating the tbl8 in which the lookup process should continue
  85 or the next hop itself if the longest prefix match has already been found.
  86 The two flags are used to determine whether the entry is valid or not and
  87 whether the search process have finished or not respectively.
  88 The depth or length of the rule is the number of bits of the rule that is stored in a specific entry.
  89
  90 An entry in a tbl8 contains the following fields:
  91
  92 *   next hop
  93
  94 *   valid
  95
  96 *   valid group
  97
  98 *   depth
  99
 100 Next hop and depth contain the same information as in the tbl24.
 101 The two flags show whether the entry and the table are valid respectively.
 102
 103 The other main data structure is a table containing the main information about the rules (IP and next hop).
 104 This is a higher level table, used for different things:
 105
 106 *   Check whether a rule already exists or not, prior to addition or deletion,
 107     without having to actually perform a lookup.
 108
 109 *   When deleting, to check whether there is a rule containing the one that is to be deleted.
 110     This is important, since the main data structure will have to be updated accordingly.
 111
 112 Addition
 113 ~~~~~~~~
 114
 115 When adding a rule, there are different possibilities.
 116 If the rule's depth is exactly 24 bits, then:
 117
 118 *   Use the rule (IP address) as an index to the tbl24.
 119
 120 *   If the entry is invalid (i.e. it doesn't already contain a rule) then set its next hop to its value,
 121     the valid flag to 1 (meaning this entry is in use),
 122     and the external entry flag to 0
 123     (meaning the lookup process ends at this point, since this is the longest prefix that matches).
 124
 125 If the rule's depth is exactly 32 bits, then:
 126
 127 *   Use the first 24 bits of the rule as an index to the tbl24.
 128
 129 *   If the entry is invalid (i.e. it doesn't already contain a rule) then look for a free tbl8,
 130     set the index to the tbl8 to this value,
 131     the valid flag to 1 (meaning this entry is in use), and the external entry flag to 1
 132     (meaning the lookup process must continue since the rule hasn't been explored completely).
 133
 134 If the rule's depth is any other value, prefix expansion must be performed.
 135 This means the rule is copied to all the entries (as long as they are not in use) which would also cause a match.
 136
 137 As a simple example, let's assume the depth is 20 bits.
 138 This means that there are 2^(24 - 20) = 16 different combinations of the first 24 bits of an IP address that
 139 would cause a match.
 140 Hence, in this case, we copy the exact same entry to every position indexed by one of these combinations.
 141
 142 By doing this we ensure that during the lookup process, if a rule matching the IP address exists,
 143 it is found in either one or two memory accesses,
 144 depending on whether we need to move to the next table or not.
 145 Prefix expansion is one of the keys of this algorithm,
 146 since it improves the speed dramatically by adding redundancy.
 147
 148 Deletion
 149 ~~~~~~~~
 150
 151 When deleting a rule, a replacement rule is searched for. Replacement rule is an existing rule that has
 152 the longest prefix match with the rule to be deleted, but has shorter prefix.
 153
 154 If a replacement rule is found, target tbl24 and tbl8 entries are updated to have the same depth and next hop
 155 value with the replacement rule.
 156
 157 If no replacement rule can be found, target tbl24 and tbl8 entries will be cleared.
 158
 159 Prefix expansion is performed if the rule's depth is not exactly 24 bits or 32 bits.
 160
 161 After deleting a rule, a group of tbl8s that belongs to the same tbl24 entry are freed in following cases:
 162
 163 *   All tbl8s in the group are empty .
 164
 165 *   All tbl8s in the group have the same values and with depth no greater than 24.
 166
 167 Free of tbl8s have different behaviors:
 168
 169 *   If RCU is not used, tbl8s are cleared and reclaimed immediately.
 170
 171 *   If RCU is used, tbl8s are reclaimed when readers are in quiescent state.
 172
 173 When the LPM is not using RCU, tbl8 group can be freed immediately even though the readers might be using
 174 the tbl8 group entries. This might result in incorrect lookup results.
 175
 176 RCU QSBR process is integrated for safe tbl8 group reclamation. Application has certain responsibilities
 177 while using this feature. Please refer to resource reclamation framework of :ref:`RCU library <RCU_Library>`
 178 for more details.
 179
 180 Lookup
 181 ~~~~~~
 182
 183 The lookup process is much simpler and quicker. In this case:
 184
 185 *   Use the first 24 bits of the IP address as an index to the tbl24.
 186     If the entry is not in use, then it means we don't have a rule matching this IP.
 187     If it is valid and the external entry flag is set to 0, then the next hop is returned.
 188
 189 *   If it is valid and the external entry flag is set to 1,
 190     then we use the tbl8 index to find out the tbl8 to be checked,
 191     and the last 8 bits of the IP address as an index to this table.
 192     Similarly, if the entry is not in use, then we don't have a rule matching this IP address.
 193     If it is valid then the next hop is returned.
 194
 195 Limitations in the Number of Rules
 196 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 197
 198 There are different things that limit the number of rules that can be added.
 199 The first one is the maximum number of rules, which is a parameter passed through the API.
 200 Once this number is reached,
 201 it is not possible to add any more rules to the routing table unless one or more are removed.
 202
 203 The second reason is an intrinsic limitation of the algorithm.
 204 As explained before, to avoid high memory consumption, the number of tbl8s is limited in compilation time
 205 (this value is by default 256).
 206 If we exhaust tbl8s, we won't be able to add any more rules.
 207 How many of them are necessary for a specific routing table is hard to determine in advance.
 208
 209 A tbl8 is consumed whenever we have a new rule with depth bigger than 24,
 210 and the first 24 bits of this rule are not the same as the first 24 bits of a rule previously added.
 211 If they are, then the new rule will share the same tbl8 than the previous one,
 212 since the only difference between the two rules is within the last byte.
 213
 214 With the default value of 256, we can have up to 256 rules longer than 24 bits that differ on their first three bytes.
 215 Since routes longer than 24 bits are unlikely, this shouldn't be a problem in most setups.
 216 Even if it is, however, the number of tbl8s can be modified.
 217
 218 Use Case: IPv4 Forwarding
 219 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 220
 221 The LPM algorithm is used to implement Classless Inter-Domain Routing (CIDR) strategy used by routers implementing IPv4 forwarding.
 222
 223 References
 224 ~~~~~~~~~~
 225
 226 *   RFC1519 Classless Inter-Domain Routing (CIDR): an Address Assignment and Aggregation Strategy,
 227     `http://www.ietf.org/rfc/rfc1519 <http://www.ietf.org/rfc/rfc1519>`_
 228
 229 *   Pankaj Gupta, Algorithms for Routing Lookups and Packet Classification, PhD Thesis, Stanford University,
 230     2000  (`http://klamath.stanford.edu/~pankaj/thesis/thesis_1sided.pdf <http://klamath.stanford.edu/~pankaj/thesis/thesis_1sided.pdf>`_ )