net/ngbe: support YT PHY SGMII to RGMII mode
[dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l3_forward.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation.
3
4 L3 Forwarding Sample Application
5 ================================
6
7 The L3 Forwarding application is a simple example of packet processing using
8 DPDK to demonstrate usage of poll and event mode packet I/O mechanism.
9 The application performs L3 forwarding.
10
11 Overview
12 --------
13
14 The application demonstrates the use of the hash, LPM, FIB and ACL libraries in DPDK
15 to implement packet forwarding using poll or event mode PMDs for packet I/O.
16 The initialization and run-time paths are very similar to those of the
17 :doc:`l2_forward_real_virtual` and :doc:`l2_forward_event`.
18 The main difference from the L2 Forwarding sample application is that optionally
19 packet can be Rx/Tx from/to eventdev instead of port directly and forwarding
20 decision is made based on information read from the input packet.
21
22 Eventdev can optionally use S/W or H/W (if supported by platform) scheduler
23 implementation for packet I/O based on run time parameters.
24
25 The lookup method is hash-based, LPM-based, FIB-based or ACL-based
26 and is selected at run time.
27 When the selected lookup method is hash-based,
28 a hash object is used to emulate the flow classification stage.
29 The hash object is used in correlation with a flow table to map each input packet to its flow at runtime.
30
31 The hash lookup key is represented by a DiffServ 5-tuple composed of the following fields read from the input packet:
32 Source IP Address, Destination IP Address, Protocol, Source Port and Destination Port.
33 The ID of the output interface for the input packet is read from the identified flow table entry.
34 The set of flows used by the application is statically configured and loaded into the hash at initialization time.
35 When the selected lookup method is LPM or FIB based,
36 an LPM or FIB object is used to emulate the forwarding stage for IPv4 packets.
37 The LPM or FIB object is used as the routing table
38 to identify the next hop for each input packet at runtime.
39
40 The LPM and FIB lookup keys are represented by the destination IP address field
41 read from the input packet.
42 The ID of the output interface for the input packet is the next hop
43 returned by the LPM or FIB lookup.
44 The set of LPM and FIB rules used by the application is statically configured
45 and loaded into the LPM or FIB object at initialization time.
46
47 For ACL, the ACL library is used to perform both ACL and route entry lookup.
48 When packets are received from a port,
49 the application extracts the necessary information
50 from the TCP/IP header of the received packet
51 and performs a lookup in the rule database to figure out
52 whether the packets should be dropped (in the ACL range)
53 or forwarded to desired ports.
54 For ACL, the application implements packet classification
55 for the IPv4/IPv6 5-tuple syntax specifically.
56 The 5-tuple syntax consists of a source IP address, a destination IP address,
57 a source port, a destination port and a protocol identifier.
58
59 In the sample application, hash-based, FIB-based and ACL-based forwarding supports
60 both IPv4 and IPv6.
61 LPM-based forwarding supports IPv4 only.
62 During the initialization phase route rules for IPv4 and IPv6 are read from rule files.
63
64 Compiling the Application
65 -------------------------
66
67 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
68
69 The application is located in the ``l3fwd`` sub-directory.
70
71 Running the Application
72 -----------------------
73
74 The application has a number of command line options::
75
76     ./dpdk-l3fwd [EAL options] -- -p PORTMASK
77                              --rule_ipv4=FILE
78                              --rule_ipv6=FILE
79                              [-P]
80                              [--lookup LOOKUP_METHOD]
81                              --config(port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]
82                              [--eth-dest=X,MM:MM:MM:MM:MM:MM]
83                              [--max-pkt-len PKTLEN]
84                              [--no-numa]
85                              [--hash-entry-num]
86                              [--ipv6]
87                              [--parse-ptype]
88                              [--per-port-pool]
89                              [--mode]
90                              [--eventq-sched]
91                              [--event-eth-rxqs]
92                              [--event-vector [--event-vector-size SIZE] [--event-vector-tmo NS]]
93                              [-E]
94                              [-L]
95
96 Where,
97
98 * ``-p PORTMASK:`` Hexadecimal bitmask of ports to configure
99
100 * ``--rule_ipv4=FILE:`` specify the ipv4 rules entries file.
101   Each rule occupies one line.
102
103 * ``--rule_ipv6=FILE:`` specify the ipv6 rules entries file.
104
105 * ``-P:`` Optional, sets all ports to promiscuous mode so that packets are accepted regardless of the packet's Ethernet MAC destination address.
106   Without this option, only packets with the Ethernet MAC destination address set to the Ethernet address of the port are accepted.
107
108 * ``--lookup:`` Optional, select the lookup method.
109   Accepted options:
110   ``em`` (Exact Match),
111   ``lpm`` (Longest Prefix Match),
112   ``fib`` (Forwarding Information Base),
113   ``acl`` (Access Control List).
114   Default is ``lpm``.
115
116 * ``--config (port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]:`` Determines which queues from which ports are mapped to which cores.
117
118 * ``--eth-dest=X,MM:MM:MM:MM:MM:MM:`` Optional, ethernet destination for port X.
119
120 * ``--max-pkt-len:`` Optional, maximum packet length in decimal (64-9600).
121
122 * ``--no-numa:`` Optional, disables numa awareness.
123
124 * ``--hash-entry-num:`` Optional, specifies the hash entry number in hexadecimal to be setup.
125
126 * ``--ipv6:`` Optional, set if running ipv6 packets.
127
128 * ``--parse-ptype:`` Optional, set to use software to analyze packet type. Without this option, hardware will check the packet type.
129
130 * ``--per-port-pool:`` Optional, set to use independent buffer pools per port. Without this option, single buffer pool is used for all ports.
131
132 * ``--mode:`` Optional, Packet transfer mode for I/O, poll or eventdev.
133
134 * ``--eventq-sched:`` Optional, Event queue synchronization method, Ordered, Atomic or Parallel. Only valid if --mode=eventdev.
135
136 * ``--event-eth-rxqs:`` Optional, Number of ethernet RX queues per device. Only valid if --mode=eventdev.
137
138 * ``--event-vector:`` Optional, Enable event vectorization. Only valid if --mode=eventdev.
139
140 * ``--event-vector-size:`` Optional, Max vector size if event vectorization is enabled.
141
142 * ``--event-vector-tmo:`` Optional, Max timeout to form vector in nanoseconds if event vectorization is enabled.
143
144 * ``--alg=<val>:`` optional, ACL classify method to use, one of:
145   ``scalar|sse|avx2|neon|altivec|avx512x16|avx512x32``
146
147 * ``-E:`` Optional, enable exact match,
148   legacy flag, please use ``--lookup=em`` instead.
149
150 * ``-L:`` Optional, enable longest prefix match,
151   legacy flag, please use ``--lookup=lpm`` instead.
152
153
154 For example, consider a dual processor socket platform with 8 physical cores, where cores 0-7 and 16-23 appear on socket 0,
155 while cores 8-15 and 24-31 appear on socket 1.
156
157 To enable L3 forwarding between two ports, assuming that both ports are in the same socket, using two cores, cores 1 and 2,
158 (which are in the same socket too), use the following command:
159
160 .. code-block:: console
161
162     ./<build_dir>/examples/dpdk-l3fwd -l 1,2 -n 4 -- -p 0x3 --config="(0,0,1),(1,0,2)" --rule_ipv4="rule_ipv4.cfg" --rule_ipv6="rule_ipv6.cfg"
163
164 In this command:
165
166 *   The -l option enables cores 1, 2
167
168 *   The -p option enables ports 0 and 1
169
170 *   The --config option enables one queue on each port and maps each (port,queue) pair to a specific core.
171     The following table shows the mapping in this example:
172
173 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
174 | **Port** | **Queue** | **lcore** | **Description**                     |
175 |          |           |           |                                     |
176 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
177 | 0        | 0         | 1         | Map queue 0 from port 0 to lcore 1. |
178 |          |           |           |                                     |
179 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
180 | 1        | 0         | 2         | Map queue 0 from port 1 to lcore 2. |
181 |          |           |           |                                     |
182 +----------+-----------+-----------+-------------------------------------+
183
184 *   The -rule_ipv4 option specifies the reading of IPv4 rules sets from the rule_ipv4.cfg file
185
186 *   The -rule_ipv6 option specifies the reading of IPv6 rules sets from the rule_ipv6.cfg file.
187
188 To use eventdev mode with sync method **ordered** on above mentioned environment,
189 Following is the sample command:
190
191 .. code-block:: console
192
193     ./<build_dir>/examples/dpdk-l3fwd -l 0-3 -n 4 -a <event device> -- -p 0x3 --eventq-sched=ordered --rule_ipv4="rule_ipv4.cfg" --rule_ipv6="rule_ipv6.cfg"
194
195 or
196
197 .. code-block:: console
198
199     ./<build_dir>/examples/dpdk-l3fwd -l 0-3 -n 4 -a <event device> \
200                 -- -p 0x03 --mode=eventdev --eventq-sched=ordered --rule_ipv4="rule_ipv4.cfg" --rule_ipv6="rule_ipv6.cfg"
201
202 In this command:
203
204 *   -a option allows the event device supported by platform.
205     The syntax used to indicate this device may vary based on platform.
206
207 *   The --mode option defines PMD to be used for packet I/O.
208
209 *   The --eventq-sched option enables synchronization menthod of event queue so that packets will be scheduled accordingly.
210
211 If application uses S/W scheduler, it uses following DPDK services:
212
213 *   Software scheduler
214 *   Rx adapter service function
215 *   Tx adapter service function
216
217 Application needs service cores to run above mentioned services. Service cores
218 must be provided as EAL parameters along with the --vdev=event_sw0 to enable S/W
219 scheduler. Following is the sample command:
220
221 .. code-block:: console
222
223     ./<build_dir>/examples/dpdk-l3fwd -l 0-7 -s 0xf0000 -n 4 --vdev event_sw0 -- -p 0x3 --mode=eventdev --eventq-sched=ordered --rule_ipv4="rule_ipv4.cfg" --rule_ipv6="rule_ipv6.cfg"
224
225 In case of eventdev mode, *--config* option is not used for ethernet port
226 configuration. Instead each ethernet port will be configured with mentioned
227 setup:
228
229 *   Single Rx/Tx queue
230
231 *   Each Rx queue will be connected to event queue via Rx adapter.
232
233 *   Each Tx queue will be connected via Tx adapter.
234
235 Refer to the *DPDK Getting Started Guide* for general information on running applications and
236 the Environment Abstraction Layer (EAL) options.
237
238 .. _l3_fwd_explanation:
239
240 Explanation
241 -----------
242
243 The following sections provide some explanation of the sample application code. As mentioned in the overview section,
244 the initialization and run-time paths are very similar to those of the :doc:`l2_forward_real_virtual` and :doc:`l2_forward_event`.
245 The following sections describe aspects that are specific to the L3 Forwarding sample application.
246
247 Parse Rules from File
248 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
249
250 The application parses the rules from the file and adds them to the appropriate route table by calling the appropriate function.
251 It ignores empty and comment lines, and parses and validates the rules it reads.
252 If errors are detected, the application exits with messages to identify the errors encountered.
253
254 The format of the route rules differs based on which lookup method is being used.
255 Therefore, the code only decreases the priority number with each rule it parses.
256 Route rules are mandatory.
257 To read data from the specified file successfully, the application assumes the following:
258
259 *   Each rule occupies a single line.
260
261 *   Only the following four rule line types are valid in this application:
262
263 *   Route rule line, which starts with a leading character 'R'
264
265 *   Comment line, which starts with a leading character '#'
266
267 *   ACL rule line, which starts with a leading character ‘@’
268
269 *   Empty line, which consists of a space, form-feed ('\f'), newline ('\n'),
270     carriage return ('\r'), horizontal tab ('\t'), or vertical tab ('\v').
271
272 Other lines types are considered invalid.
273
274 *   Rules are organized in descending order of priority,
275     which means rules at the head of the file always have a higher priority than those further down in the file.
276
277 *   A typical IPv4 LPM/FIB rule line should have a format as shown below:
278
279 R<destination_ip>/<ip_mask_length><output_port_number>
280
281 *   A typical IPv4 EM rule line should have a format as shown below:
282
283 R<destination_ip><source_ip><destination_port><source_port><protocol><output_port_number>
284
285 *   A typical IPv4 ACL rule line should have a format as shown below:
286
287 .. _figure_ipv4_acl_rule:
288
289 .. figure:: img/ipv4_acl_rule.*
290
291    A typical IPv4 ACL rule
292
293 IPv4 addresses are specified in CIDR format as specified in RFC 4632.
294 For LPM/FIB/ACL they consist of the dot notation for the address
295 and a prefix length separated by '/'.
296 For example, 192.168.0.34/32, where the address is 192.168.0.34 and the prefix length is 32.
297 For EM they consist of just the dot notation for the address and no prefix length.
298 For example, 192.168.0.34, where the Address is 192.168.0.34.
299 EM also includes ports which are specified as a single number which represents a single port.
300
301 The application parses the rules from the file,
302 it ignores empty and comment lines,
303 and parses and validates the rules it reads.
304 If errors are detected, the application exits
305 with messages to identify the errors encountered.
306 The ACL rules save the index to the specific rules in the userdata field,
307 while route rules save the forwarding port number.
308
309 Hash Initialization
310 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
311
312 The hash object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array,
313 and then generate the expected 5-tuple as key to keep consistence with those of real flow
314 for the convenience to execute hash performance test on 4M/8M/16M flows.
315
316 .. note::
317
318     The Hash initialization will setup both ipv4 and ipv6 hash table,
319     and populate the either table depending on the value of variable ipv6.
320
321 .. note::
322
323     Value of global variable ipv6 can be specified with --ipv6 in the command line.
324     Value of global variable hash_entry_number,
325     which is used to specify the total hash entry number for all used ports in hash performance test,
326     can be specified with --hash-entry-num VALUE in command line, being its default value 4.
327
328 .. code-block:: c
329
330     #if (APP_LOOKUP_METHOD == APP_LOOKUP_EXACT_MATCH)
331
332         static void
333         setup_hash(int socketid)
334         {
335             // ...
336
337             if (ipv6 == 0) {
338                 /* populate the ipv4 hash */
339                 populate_ipv4_flow_into_table(
340                     ipv4_l3fwd_em_lookup_struct[socketid]);
341             } else {
342                 /* populate the ipv6 hash */
343                 populate_ipv6_flow_into_table(
344                     ipv6_l3fwd_em_lookup_struct[socketid]);
345             }
346         }
347     #endif
348
349 LPM Initialization
350 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
351
352 The LPM object is created and loaded with the pre-configured entries read from a global array.
353
354 .. literalinclude:: ../../../examples/l3fwd/l3fwd_em.c
355     :language: c
356     :start-after: Initialize exact match (hash) parameters. 8<
357     :end-before: >8 End of initialization of hash parameters.
358
359 FIB Initialization
360 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
361
362 The FIB object is created and loaded with the pre-configured entries
363 read from a global array.
364 The abridged code snippet below shows the FIB initialization for IPv4,
365 the full setup function including the IPv6 setup can be seen in the app code.
366
367 .. literalinclude:: ../../../examples/l3fwd/l3fwd_fib.c
368    :language: c
369    :start-after: Function to setup fib. 8<
370    :end-before: >8 End of setup fib.
371
372 ACL Initialization
373 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
374
375 For each supported ACL rule format (IPv4 5-tuple, IPv6 6-tuple),
376 the application creates a separate context handler
377 from the ACL library for each CPU socket on the board
378 and adds parsed rules into that context.
379
380 Note, that for each supported rule type,
381 the application needs to calculate the expected offset of the fields
382 from the start of the packet.
383 That's why only packets with fixed IPv4/ IPv6 header are supported.
384 That allows to perform ACL classify straight over incoming packet buffer -
385 no extra protocol field retrieval need to be performed.
386
387 Subsequently, the application checks whether NUMA is enabled.
388 If it is, the application records the socket IDs of the CPU cores involved in the task.
389
390 Finally, the application creates contexts handler from the ACL library,
391 adds rules parsed from the file into the database and build an ACL trie.
392 It is important to note that the application creates an independent copy
393 of each database for each socket CPU involved in the task
394 to reduce the time for remote memory access.
395
396 .. literalinclude:: ../../../examples/l3fwd/l3fwd_acl.c
397    :language: c
398    :start-after: Setup ACL context. 8<
399    :end-before: >8 End of ACL context setup.
400
401 Packet Forwarding for Hash-based Lookups
402 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
403
404 For each input packet, the packet forwarding operation is done by the l3fwd_simple_forward()
405 or simple_ipv4_fwd_4pkts() function for IPv4 packets or the simple_ipv6_fwd_4pkts() function for IPv6 packets.
406 The l3fwd_simple_forward() function provides the basic functionality for both IPv4 and IPv6 packet forwarding
407 for any number of burst packets received,
408 and the packet forwarding decision (that is, the identification of the output interface for the packet)
409 for hash-based lookups is done by the  get_ipv4_dst_port() or get_ipv6_dst_port() function.
410 The get_ipv4_dst_port() function is shown below:
411
412 .. literalinclude:: ../../../examples/l3fwd/l3fwd_em.c
413    :language: c
414    :start-after: Performing hash-based lookups. 8<
415    :end-before: >8 End of performing hash-based lookups.
416
417 The get_ipv6_dst_port() function is similar to the get_ipv4_dst_port() function.
418
419 The simple_ipv4_fwd_4pkts() and simple_ipv6_fwd_4pkts() function are optimized for continuous 4 valid ipv4 and ipv6 packets,
420 they leverage the multiple buffer optimization to boost the performance of forwarding packets with the exact match on hash table.
421 The key code snippet of simple_ipv4_fwd_4pkts() is shown below:
422
423 .. code-block:: c
424
425     static inline void
426     simple_ipv4_fwd_4pkts(struct rte_mbuf* m[4], uint16_t portid, struct lcore_conf *qconf)
427     {
428         // ...
429
430         data[0] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[0], unsigned char *) + sizeof(struct rte_ether_hdr) + offsetof(struct rte_ipv4_hdr, time_to_live)));
431         data[1] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[1], unsigned char *) + sizeof(struct rte_ether_hdr) + offsetof(struct rte_ipv4_hdr, time_to_live)));
432         data[2] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[2], unsigned char *) + sizeof(struct rte_ether_hdr) + offsetof(struct rte_ipv4_hdr, time_to_live)));
433         data[3] = _mm_loadu_si128(( m128i*)(rte_pktmbuf_mtod(m[3], unsigned char *) + sizeof(struct rte_ether_hdr) + offsetof(struct rte_ipv4_hdr, time_to_live)));
434
435         key[0].xmm = _mm_and_si128(data[0], mask0);
436         key[1].xmm = _mm_and_si128(data[1], mask0);
437         key[2].xmm = _mm_and_si128(data[2], mask0);
438         key[3].xmm = _mm_and_si128(data[3], mask0);
439
440         const void *key_array[4] = {&key[0], &key[1], &key[2],&key[3]};
441
442         rte_hash_lookup_bulk(qconf->ipv4_lookup_struct, &key_array[0], 4, ret);
443
444         dst_port[0] = (ret[0] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[0]];
445         dst_port[1] = (ret[1] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[1]];
446         dst_port[2] = (ret[2] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[2]];
447         dst_port[3] = (ret[3] < 0)? portid:ipv4_l3fwd_out_if[ret[3]];
448
449         // ...
450     }
451
452 The simple_ipv6_fwd_4pkts() function is similar to the simple_ipv4_fwd_4pkts() function.
453
454 Known issue: IP packets with extensions or IP packets which are not TCP/UDP cannot work well at this mode.
455
456 Packet Forwarding for LPM-based Lookups
457 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
458
459 For each input packet, the packet forwarding operation is done by the l3fwd_simple_forward() function,
460 but the packet forwarding decision (that is, the identification of the output interface for the packet)
461 for LPM-based lookups is done by the get_ipv4_dst_port() function below:
462
463 .. literalinclude:: ../../../examples/l3fwd/l3fwd_lpm.c
464    :language: c
465    :start-after: Performing LPM-based lookups. 8<
466    :end-before: >8 End of performing LPM-based lookups.
467
468 Packet Forwarding for FIB-based Lookups
469 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
470
471 The FIB library was designed to process multiple packets at once,
472 it does not have separate functions for single and bulk lookups.
473 ``rte_fib_lookup_bulk`` is used for IPv4 lookups
474 and ``rte_fib6_lookup_bulk`` for IPv6.
475 Various examples of these functions being used
476 can be found in the sample app code.
477
478 Eventdev Driver Initialization
479 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
480 Eventdev driver initialization is same as L2 forwarding eventdev application.
481 Refer :doc:`l2_forward_event` for more details.