doc/guides/prog_guide/vhost_lib.rst

   1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
   2     Copyright(c) 2010-2016 Intel Corporation.
   3
   4 Vhost Library
   5 =============
   6
   7 The vhost library implements a user space virtio net server allowing the user
   8 to manipulate the virtio ring directly. In another words, it allows the user
   9 to fetch/put packets from/to the VM virtio net device. To achieve this, a
  10 vhost library should be able to:
  11
  12 * Access the guest memory:
  13
  14   For QEMU, this is done by using the ``-object memory-backend-file,share=on,...``
  15   option. Which means QEMU will create a file to serve as the guest RAM.
  16   The ``share=on`` option allows another process to map that file, which
  17   means it can access the guest RAM.
  18
  19 * Know all the necessary information about the vring:
  20
  21   Information such as where the available ring is stored. Vhost defines some
  22   messages (passed through a Unix domain socket file) to tell the backend all
  23   the information it needs to know how to manipulate the vring.
  24
  25
  26 Vhost API Overview
  27 ------------------
  28
  29 The following is an overview of some key Vhost API functions:
  30
  31 * ``rte_vhost_driver_register(path, flags)``
  32
  33   This function registers a vhost driver into the system. ``path`` specifies
  34   the Unix domain socket file path.
  35
  36   Currently supported flags are:
  37
  38   - ``RTE_VHOST_USER_CLIENT``
  39
  40     DPDK vhost-user will act as the client when this flag is given. See below
  41     for an explanation.
  42
  43   - ``RTE_VHOST_USER_NO_RECONNECT``
  44
  45     When DPDK vhost-user acts as the client it will keep trying to reconnect
  46     to the server (QEMU) until it succeeds. This is useful in two cases:
  47
  48     * When QEMU is not started yet.
  49     * When QEMU restarts (for example due to a guest OS reboot).
  50
  51     This reconnect option is enabled by default. However, it can be turned off
  52     by setting this flag.
  53
  54   - ``RTE_VHOST_USER_IOMMU_SUPPORT``
  55
  56     IOMMU support will be enabled when this flag is set. It is disabled by
  57     default.
  58
  59     Enabling this flag makes possible to use guest vIOMMU to protect vhost
  60     from accessing memory the virtio device isn't allowed to, when the feature
  61     is negotiated and an IOMMU device is declared.
  62
  63   - ``RTE_VHOST_USER_POSTCOPY_SUPPORT``
  64
  65     Postcopy live-migration support will be enabled when this flag is set.
  66     It is disabled by default.
  67
  68     Enabling this flag should only be done when the calling application does
  69     not pre-fault the guest shared memory, otherwise migration would fail.
  70
  71   - ``RTE_VHOST_USER_LINEARBUF_SUPPORT``
  72
  73     Enabling this flag forces vhost dequeue function to only provide linear
  74     pktmbuf (no multi-segmented pktmbuf).
  75
  76     The vhost library by default provides a single pktmbuf for given a
  77     packet, but if for some reason the data doesn't fit into a single
  78     pktmbuf (e.g., TSO is enabled), the library will allocate additional
  79     pktmbufs from the same mempool and chain them together to create a
  80     multi-segmented pktmbuf.
  81
  82     However, the vhost application needs to support multi-segmented format.
  83     If the vhost application does not support that format and requires large
  84     buffers to be dequeue, this flag should be enabled to force only linear
  85     buffers (see RTE_VHOST_USER_EXTBUF_SUPPORT) or drop the packet.
  86
  87     It is disabled by default.
  88
  89   - ``RTE_VHOST_USER_EXTBUF_SUPPORT``
  90
  91     Enabling this flag allows vhost dequeue function to allocate and attach
  92     an external buffer to a pktmbuf if the pkmbuf doesn't provide enough
  93     space to store all data.
  94
  95     This is useful when the vhost application wants to support large packets
  96     but doesn't want to increase the default mempool object size nor to
  97     support multi-segmented mbufs (non-linear). In this case, a fresh buffer
  98     is allocated using rte_malloc() which gets attached to a pktmbuf using
  99     rte_pktmbuf_attach_extbuf().
 100
 101     See RTE_VHOST_USER_LINEARBUF_SUPPORT as well to disable multi-segmented
 102     mbufs for application that doesn't support chained mbufs.
 103
 104     It is disabled by default.
 105
 106   - ``RTE_VHOST_USER_ASYNC_COPY``
 107
 108     Asynchronous data path will be enabled when this flag is set. Async
 109     data path allows applications to enable DMA acceleration for vhost
 110     queues. Vhost leverages the registered DMA channels to free CPU from
 111     memory copy operations in data path. A set of async data path APIs are
 112     defined for DPDK applications to make use of the async capability. Only
 113     packets enqueued/dequeued by async APIs are processed through the async
 114     data path.
 115
 116     Currently this feature is only implemented on split ring enqueue data
 117     path.
 118
 119     It is disabled by default.
 120
 121   - ``RTE_VHOST_USER_NET_COMPLIANT_OL_FLAGS``
 122
 123     Since v16.04, the vhost library forwards checksum and gso requests for
 124     packets received from a virtio driver by filling Tx offload metadata in
 125     the mbuf. This behavior is inconsistent with other drivers but it is left
 126     untouched for existing applications that might rely on it.
 127
 128     This flag disables the legacy behavior and instead ask vhost to simply
 129     populate Rx offload metadata in the mbuf.
 130
 131     It is disabled by default.
 132
 133   - ``RTE_VHOST_USER_NET_STATS_ENABLE``
 134
 135   Per-virtqueue statistics collection will be enabled when this flag is set.
 136   When enabled, the application may use rte_vhost_stats_get_names() and
 137   rte_vhost_stats_get() to collect statistics, and rte_vhost_stats_reset() to
 138   reset them.
 139
 140   It is disabled by default
 141
 142 * ``rte_vhost_driver_set_features(path, features)``
 143
 144   This function sets the feature bits the vhost-user driver supports. The
 145   vhost-user driver could be vhost-user net, yet it could be something else,
 146   say, vhost-user SCSI.
 147
 148 * ``rte_vhost_driver_callback_register(path, vhost_device_ops)``
 149
 150   This function registers a set of callbacks, to let DPDK applications take
 151   the appropriate action when some events happen. The following events are
 152   currently supported:
 153
 154   * ``new_device(int vid)``
 155
 156     This callback is invoked when a virtio device becomes ready. ``vid``
 157     is the vhost device ID.
 158
 159   * ``destroy_device(int vid)``
 160
 161     This callback is invoked when a virtio device is paused or shut down.
 162
 163   * ``vring_state_changed(int vid, uint16_t queue_id, int enable)``
 164
 165     This callback is invoked when a specific queue's state is changed, for
 166     example to enabled or disabled.
 167
 168   * ``features_changed(int vid, uint64_t features)``
 169
 170     This callback is invoked when the features is changed. For example,
 171     ``VHOST_F_LOG_ALL`` will be set/cleared at the start/end of live
 172     migration, respectively.
 173
 174   * ``new_connection(int vid)``
 175
 176     This callback is invoked on new vhost-user socket connection. If DPDK
 177     acts as the server the device should not be deleted before
 178     ``destroy_connection`` callback is received.
 179
 180   * ``destroy_connection(int vid)``
 181
 182     This callback is invoked when vhost-user socket connection is closed.
 183     It indicates that device with id ``vid`` is no longer in use and can be
 184     safely deleted.
 185
 186 * ``rte_vhost_driver_disable/enable_features(path, features))``
 187
 188   This function disables/enables some features. For example, it can be used to
 189   disable mergeable buffers and TSO features, which both are enabled by
 190   default.
 191
 192 * ``rte_vhost_driver_start(path)``
 193
 194   This function triggers the vhost-user negotiation. It should be invoked at
 195   the end of initializing a vhost-user driver.
 196
 197 * ``rte_vhost_enqueue_burst(vid, queue_id, pkts, count)``
 198
 199   Transmits (enqueues) ``count`` packets from host to guest.
 200
 201 * ``rte_vhost_dequeue_burst(vid, queue_id, mbuf_pool, pkts, count)``
 202
 203   Receives (dequeues) ``count`` packets from guest, and stored them at ``pkts``.
 204
 205 * ``rte_vhost_crypto_create(vid, cryptodev_id, sess_mempool, socket_id)``
 206
 207   As an extension of new_device(), this function adds virtio-crypto workload
 208   acceleration capability to the device. All crypto workload is processed by
 209   DPDK cryptodev with the device ID of ``cryptodev_id``.
 210
 211 * ``rte_vhost_crypto_free(vid)``
 212
 213   Frees the memory and vhost-user message handlers created in
 214   rte_vhost_crypto_create().
 215
 216 * ``rte_vhost_crypto_fetch_requests(vid, queue_id, ops, nb_ops)``
 217
 218   Receives (dequeues) ``nb_ops`` virtio-crypto requests from guest, parses
 219   them to DPDK Crypto Operations, and fills the ``ops`` with parsing results.
 220
 221 * ``rte_vhost_crypto_finalize_requests(queue_id, ops, nb_ops)``
 222
 223   After the ``ops`` are dequeued from Cryptodev, finalizes the jobs and
 224   notifies the guest(s).
 225
 226 * ``rte_vhost_crypto_set_zero_copy(vid, option)``
 227
 228   Enable or disable zero copy feature of the vhost crypto backend.
 229
 230 * ``rte_vhost_async_dma_configure(dma_id, vchan_id)``
 231
 232   Tell vhost which DMA vChannel is going to use. This function needs to
 233   be called before register async data-path for vring.
 234
 235 * ``rte_vhost_async_channel_register(vid, queue_id)``
 236
 237   Register async DMA acceleration for a vhost queue after vring is enabled.
 238
 239 * ``rte_vhost_async_channel_register_thread_unsafe(vid, queue_id)``
 240
 241   Register async DMA acceleration for a vhost queue without performing
 242   any locking.
 243
 244   This function is only safe to call in vhost callback functions
 245   (i.e., struct rte_vhost_device_ops).
 246
 247 * ``rte_vhost_async_channel_unregister(vid, queue_id)``
 248
 249   Unregister the async DMA acceleration from a vhost queue.
 250   Unregistration will fail, if the vhost queue has in-flight
 251   packets that are not completed.
 252
 253   Unregister async DMA acceleration in vring_state_changed() may
 254   fail, as this API tries to acquire the spinlock of vhost
 255   queue. The recommended way is to unregister async copy
 256   devices for all vhost queues in destroy_device(), when a
 257   virtio device is paused or shut down.
 258
 259 * ``rte_vhost_async_channel_unregister_thread_unsafe(vid, queue_id)``
 260
 261   Unregister async DMA acceleration for a vhost queue without performing
 262   any locking.
 263
 264   This function is only safe to call in vhost callback functions
 265   (i.e., struct rte_vhost_device_ops).
 266
 267 * ``rte_vhost_submit_enqueue_burst(vid, queue_id, pkts, count, dma_id, vchan_id)``
 268
 269   Submit an enqueue request to transmit ``count`` packets from host to guest
 270   by async data path. Applications must not free the packets submitted for
 271   enqueue until the packets are completed.
 272
 273 * ``rte_vhost_poll_enqueue_completed(vid, queue_id, pkts, count, dma_id, vchan_id)``
 274
 275   Poll enqueue completion status from async data path. Completed packets
 276   are returned to applications through ``pkts``.
 277
 278 * ``rte_vhost_async_get_inflight(vid, queue_id)``
 279
 280   This function returns the amount of in-flight packets for the vhost
 281   queue using async acceleration.
 282
 283  * ``rte_vhost_async_get_inflight_thread_unsafe(vid, queue_id)``
 284
 285   Get the number of inflight packets for a vhost queue without performing
 286   any locking. It should only be used within the vhost ops, which already
 287   holds the lock.
 288
 289 * ``rte_vhost_clear_queue_thread_unsafe(vid, queue_id, **pkts, count, dma_id, vchan_id)``
 290
 291   Clear in-flight packets which are submitted to async channel in vhost
 292   async data path without performing locking on virtqueue. Completed
 293   packets are returned to applications through ``pkts``.
 294
 295 * ``rte_vhost_clear_queue(vid, queue_id, **pkts, count, dma_id, vchan_id)``
 296
 297   Clear in-flight packets which are submitted to async channel in vhost async data
 298   path. Completed packets are returned to applications through ``pkts``.
 299
 300 * ``rte_vhost_vring_stats_get_names(int vid, uint16_t queue_id, struct rte_vhost_stat_name *names, unsigned int size)``
 301
 302   This function returns the names of the queue statistics. It requires
 303   statistics collection to be enabled at registration time.
 304
 305 * ``rte_vhost_vring_stats_get(int vid, uint16_t queue_id, struct rte_vhost_stat *stats, unsigned int n)``
 306
 307   This function returns the queue statistics. It requires statistics
 308   collection to be enabled at registration time.
 309
 310 * ``rte_vhost_vring_stats_reset(int vid, uint16_t queue_id)``
 311
 312   This function resets the queue statistics. It requires statistics
 313   collection to be enabled at registration time.
 314
 315 * ``rte_vhost_async_try_dequeue_burst(vid, queue_id, mbuf_pool, pkts, count,
 316   nr_inflight, dma_id, vchan_id)``
 317
 318   Receive ``count`` packets from guest to host in async data path,
 319   and store them at ``pkts``.
 320
 321 * ``rte_vhost_driver_get_vdpa_dev_type(path, type)``
 322
 323   Get device type of vDPA device, such as VDPA_DEVICE_TYPE_NET,
 324   VDPA_DEVICE_TYPE_BLK.
 325
 326 Vhost-user Implementations
 327 --------------------------
 328
 329 Vhost-user uses Unix domain sockets for passing messages. This means the DPDK
 330 vhost-user implementation has two options:
 331
 332 * DPDK vhost-user acts as the server.
 333
 334   DPDK will create a Unix domain socket server file and listen for
 335   connections from the frontend.
 336
 337   Note, this is the default mode, and the only mode before DPDK v16.07.
 338
 339
 340 * DPDK vhost-user acts as the client.
 341
 342   Unlike the server mode, this mode doesn't create the socket file;
 343   it just tries to connect to the server (which responses to create the
 344   file instead).
 345
 346   When the DPDK vhost-user application restarts, DPDK vhost-user will try to
 347   connect to the server again. This is how the "reconnect" feature works.
 348
 349   .. Note::
 350      * The "reconnect" feature requires **QEMU v2.7** (or above).
 351
 352      * The vhost supported features must be exactly the same before and
 353        after the restart. For example, if TSO is disabled and then enabled,
 354        nothing will work and issues undefined might happen.
 355
 356 No matter which mode is used, once a connection is established, DPDK
 357 vhost-user will start receiving and processing vhost messages from QEMU.
 358
 359 For messages with a file descriptor, the file descriptor can be used directly
 360 in the vhost process as it is already installed by the Unix domain socket.
 361
 362 The supported vhost messages are:
 363
 364 * ``VHOST_SET_MEM_TABLE``
 365 * ``VHOST_SET_VRING_KICK``
 366 * ``VHOST_SET_VRING_CALL``
 367 * ``VHOST_SET_LOG_FD``
 368 * ``VHOST_SET_VRING_ERR``
 369
 370 For ``VHOST_SET_MEM_TABLE`` message, QEMU will send information for each
 371 memory region and its file descriptor in the ancillary data of the message.
 372 The file descriptor is used to map that region.
 373
 374 ``VHOST_SET_VRING_KICK`` is used as the signal to put the vhost device into
 375 the data plane, and ``VHOST_GET_VRING_BASE`` is used as the signal to remove
 376 the vhost device from the data plane.
 377
 378 When the socket connection is closed, vhost will destroy the device.
 379
 380 Guest memory requirement
 381 ------------------------
 382
 383 * Memory pre-allocation
 384
 385   For non-async data path, guest memory pre-allocation is not a
 386   must. This can help save of memory. If users really want the guest memory
 387   to be pre-allocated (e.g., for performance reason), we can add option
 388   ``-mem-prealloc`` when starting QEMU. Or, we can lock all memory at vhost
 389   side which will force memory to be allocated when mmap at vhost side;
 390   option --mlockall in ovs-dpdk is an example in hand.
 391
 392   For async data path, we force the VM memory to be pre-allocated at vhost
 393   lib when mapping the guest memory; and also we need to lock the memory to
 394   prevent pages being swapped out to disk.
 395
 396 * Memory sharing
 397
 398   Make sure ``share=on`` QEMU option is given. vhost-user will not work with
 399   a QEMU version without shared memory mapping.
 400
 401 Vhost supported vSwitch reference
 402 ---------------------------------
 403
 404 For more vhost details and how to support vhost in vSwitch, please refer to
 405 the vhost example in the DPDK Sample Applications Guide.
 406
 407 Vhost data path acceleration (vDPA)
 408 -----------------------------------
 409
 410 vDPA supports selective datapath in vhost-user lib by enabling virtio ring
 411 compatible devices to serve virtio driver directly for datapath acceleration.
 412
 413 ``rte_vhost_driver_attach_vdpa_device`` is used to configure the vhost device
 414 with accelerated backend.
 415
 416 Also vhost device capabilities are made configurable to adopt various devices.
 417 Such capabilities include supported features, protocol features, queue number.
 418
 419 Finally, a set of device ops is defined for device specific operations:
 420
 421 * ``get_queue_num``
 422
 423   Called to get supported queue number of the device.
 424
 425 * ``get_features``
 426
 427   Called to get supported features of the device.
 428
 429 * ``get_protocol_features``
 430
 431   Called to get supported protocol features of the device.
 432
 433 * ``dev_conf``
 434
 435   Called to configure the actual device when the virtio device becomes ready.
 436
 437 * ``dev_close``
 438
 439   Called to close the actual device when the virtio device is stopped.
 440
 441 * ``set_vring_state``
 442
 443   Called to change the state of the vring in the actual device when vring state
 444   changes.
 445
 446 * ``set_features``
 447
 448   Called to set the negotiated features to device.
 449
 450 * ``migration_done``
 451
 452   Called to allow the device to response to RARP sending.
 453
 454 * ``get_vfio_group_fd``
 455
 456    Called to get the VFIO group fd of the device.
 457
 458 * ``get_vfio_device_fd``
 459
 460   Called to get the VFIO device fd of the device.
 461
 462 * ``get_notify_area``
 463
 464   Called to get the notify area info of the queue.
 465
 466 Vhost asynchronous data path
 467 ----------------------------
 468
 469 Vhost asynchronous data path leverages DMA devices to offload memory
 470 copies from the CPU and it is implemented in an asynchronous way. It
 471 enables applications, like OVS, to save CPU cycles and hide memory copy
 472 overhead, thus achieving higher throughput.
 473
 474 Vhost doesn't manage DMA devices and applications, like OVS, need to
 475 manage and configure DMA devices. Applications need to tell vhost what
 476 DMA devices to use in every data path function call. This design enables
 477 the flexibility for applications to dynamically use DMA channels in
 478 different function modules, not limited in vhost.
 479
 480 In addition, vhost supports M:N mapping between vrings and DMA virtual
 481 channels. Specifically, one vring can use multiple different DMA channels
 482 and one DMA channel can be shared by multiple vrings at the same time.
 483 The reason of enabling one vring to use multiple DMA channels is that
 484 it's possible that more than one dataplane threads enqueue packets to
 485 the same vring with their own DMA virtual channels. Besides, the number
 486 of DMA devices is limited. For the purpose of scaling, it's necessary to
 487 support sharing DMA channels among vrings.
 488
 489 * Async enqueue API usage
 490
 491   In async enqueue path, rte_vhost_poll_enqueue_completed() needs to be
 492   called in time to notify the guest of DMA copy completed packets.
 493   Moreover, calling rte_vhost_submit_enqueue_burst() all the time but
 494   not poll completed will cause the DMA ring to be full, which will
 495   result in packet loss eventually.
 496
 497 * Recommended IOVA mode in async datapath
 498
 499   When DMA devices are bound to VFIO driver, VA mode is recommended.
 500   For PA mode, page by page mapping may exceed IOMMU's max capability,
 501   better to use 1G guest hugepage.
 502
 503   For UIO driver or kernel driver, any VFIO related error messages
 504   can be ignored.