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[dpdk.git] / doc / guides / sample_app_ug / l3_forward_power_man.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation.
3
4 L3 Forwarding with Power Management Sample Application
5 ======================================================
6
7 Introduction
8 ------------
9
10 The L3 Forwarding with Power Management application is an example of power-aware packet processing using the DPDK.
11 The application is based on existing L3 Forwarding sample application,
12 with the power management algorithms to control the P-states and
13 C-states of the Intel processor via a power management library.
14
15 Overview
16 --------
17
18 The application demonstrates the use of the Power libraries in the DPDK to implement packet forwarding.
19 The initialization and run-time paths are very similar to those of the :doc:`l3_forward`.
20 The main difference from the L3 Forwarding sample application is that this application introduces power-aware optimization algorithms
21 by leveraging the Power library to control P-state and C-state of processor based on packet load.
22
23 The DPDK includes poll-mode drivers to configure Intel NIC devices and their receive (Rx) and transmit (Tx) queues.
24 The design principle of this PMD is to access the Rx and Tx descriptors directly without any interrupts to quickly receive,
25 process and deliver packets in the user space.
26
27 In general, the DPDK executes an endless packet processing loop on dedicated IA cores that include the following steps:
28
29 *   Retrieve input packets through the PMD to poll Rx queue
30
31 *   Process each received packet or provide received packets to other processing cores through software queues
32
33 *   Send pending output packets to Tx queue through the PMD
34
35 In this way, the PMD achieves better performance than a traditional interrupt-mode driver,
36 at the cost of keeping cores active and running at the highest frequency,
37 hence consuming the maximum power all the time.
38 However, during the period of processing light network traffic,
39 which happens regularly in communication infrastructure systems due to well-known "tidal effect",
40 the PMD is still busy waiting for network packets, which wastes a lot of power.
41
42 Processor performance states (P-states) are the capability of an Intel processor
43 to switch between different supported operating frequencies and voltages.
44 If configured correctly, according to system workload, this feature provides power savings.
45 CPUFreq is the infrastructure provided by the Linux* kernel to control the processor performance state capability.
46 CPUFreq supports a user space governor that enables setting frequency via manipulating the virtual file device from a user space application.
47 The Power library in the DPDK provides a set of APIs for manipulating a virtual file device to allow user space application
48 to set the CPUFreq governor and set the frequency of specific cores.
49
50 This application includes a P-state power management algorithm to generate a frequency hint to be sent to CPUFreq.
51 The algorithm uses the number of received and available Rx packets on recent polls to make a heuristic decision to scale frequency up/down.
52 Specifically, some thresholds are checked to see whether a specific core running a DPDK polling thread needs to increase frequency
53 a step up based on the near to full trend of polled Rx queues.
54 Also, it decreases frequency a step if packet processed per loop is far less than the expected threshold
55 or the thread's sleeping time exceeds a threshold.
56
57 C-States are also known as sleep states.
58 They allow software to put an Intel core into a low power idle state from which it is possible to exit via an event, such as an interrupt.
59 However, there is a tradeoff between the power consumed in the idle state and the time required to wake up from the idle state (exit latency).
60 Therefore, as you go into deeper C-states, the power consumed is lower but the exit latency is increased. Each C-state has a target residency.
61 It is essential that when entering into a C-state, the core remains in this C-state for at least as long as the target residency in order
62 to fully realize the benefits of entering the C-state.
63 CPUIdle is the infrastructure provide by the Linux kernel to control the processor C-state capability.
64 Unlike CPUFreq, CPUIdle does not provide a mechanism that allows the application to change C-state.
65 It actually has its own heuristic algorithms in kernel space to select target C-state to enter by executing privileged instructions like HLT and MWAIT,
66 based on the speculative sleep duration of the core.
67 In this application, we introduce a heuristic algorithm that allows packet processing cores to sleep for a short period
68 if there is no Rx packet received on recent polls.
69 In this way, CPUIdle automatically forces the corresponding cores to enter deeper C-states
70 instead of always running to the C0 state waiting for packets.
71
72 .. note::
73
74     To fully demonstrate the power saving capability of using C-states,
75     it is recommended to enable deeper C3 and C6 states in the BIOS during system boot up.
76
77 Compiling the Application
78 -------------------------
79
80 To compile the sample application see :doc:`compiling`.
81
82 The application is located in the ``l3fwd-power`` sub-directory.
83
84 Running the Application
85 -----------------------
86
87 The application has a number of command line options:
88
89 .. code-block:: console
90
91     ./<build_dir>/examples/dpdk-l3fwd_power [EAL options] -- -p PORTMASK [-P]  --config(port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)] [--max-pkt-len PKTLEN] [--no-numa]
92
93 where,
94
95 *   -p PORTMASK: Hexadecimal bitmask of ports to configure
96
97 *   -P: Sets all ports to promiscuous mode so that packets are accepted regardless of the packet's Ethernet MAC destination address.
98     Without this option, only packets with the Ethernet MAC destination address set to the Ethernet address of the port are accepted.
99
100 *   --config (port,queue,lcore)[,(port,queue,lcore)]: determines which queues from which ports are mapped to which cores.
101
102 *   --max-pkt-len: optional, maximum packet length in decimal (64-9600)
103
104 *   --no-numa: optional, disables numa awareness
105
106 *   --empty-poll: Traffic Aware power management. See below for details
107
108 *   --telemetry:  Telemetry mode.
109
110 *   --pmd-mgmt: PMD power management mode.
111
112 *   --max-empty-polls : Number of empty polls to wait before entering sleep state. Applies to --pmd-mgmt mode only.
113
114 *   --pause-duration: Set the duration of the pause callback (microseconds). Applies to --pmd-mgmt mode only.
115
116 *   --scale-freq-min: Set minimum frequency for scaling. Applies to --pmd-mgmt mode only.
117
118 *   --scale-freq-max: Set maximum frequency for scaling. Applies to --pmd-mgmt mode only.
119
120 See :doc:`l3_forward` for details.
121 The L3fwd-power example reuses the L3fwd command line options.
122
123 Explanation
124 -----------
125
126 The following sections provide some explanation of the sample application code.
127 As mentioned in the overview section,
128 the initialization and run-time paths are identical to those of the L3 forwarding application.
129 The following sections describe aspects that are specific to the L3 Forwarding with Power Management sample application.
130
131 Power Library Initialization
132 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
133
134 The Power library is initialized in the main routine.
135 It changes the P-state governor to userspace for specific cores that are under control.
136 The Timer library is also initialized and several timers are created later on,
137 responsible for checking if it needs to scale down frequency at run time by checking CPU utilization statistics.
138
139 .. note::
140
141     Only the power management related initialization is shown.
142
143 .. literalinclude:: ../../../examples/l3fwd-power/main.c
144     :language: c
145     :start-after: Power library initialized in the main routine. 8<
146     :end-before: >8 End of power library initialization.
147
148 Monitoring Loads of Rx Queues
149 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
150
151 In general, the polling nature of the DPDK prevents the OS power management subsystem from knowing
152 if the network load is actually heavy or light.
153 In this sample, sampling network load work is done by monitoring received and
154 available descriptors on NIC Rx queues in recent polls.
155 Based on the number of returned and available Rx descriptors,
156 this example implements algorithms to generate frequency scaling hints and speculative sleep duration,
157 and use them to control P-state and C-state of processors via the power management library.
158 Frequency (P-state) control and sleep state (C-state) control work individually for each logical core,
159 and the combination of them contributes to a power efficient packet processing solution when serving light network loads.
160
161 The rte_eth_rx_burst() function and the newly-added rte_eth_rx_queue_count() function are used in the endless packet processing loop
162 to return the number of received and available Rx descriptors.
163 And those numbers of specific queue are passed to P-state and C-state heuristic algorithms
164 to generate hints based on recent network load trends.
165
166 .. note::
167
168     Only power control related code is shown.
169
170 .. literalinclude:: ../../../examples/l3fwd-power/main.c
171     :language: c
172     :start-after: Main processing loop. 8<
173     :end-before: >8 End of main processing loop.
174
175 P-State Heuristic Algorithm
176 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
177
178 The power_freq_scaleup_heuristic() function is responsible for generating a frequency hint for the specified logical core
179 according to available descriptor number returned from rte_eth_rx_queue_count().
180 On every poll for new packets, the length of available descriptor on an Rx queue is evaluated,
181 and the algorithm used for frequency hinting is as follows:
182
183 *   If the size of available descriptors exceeds 96, the maximum frequency is hinted.
184
185 *   If the size of available descriptors exceeds 64, a trend counter is incremented by 100.
186
187 *   If the length of the ring exceeds 32, the trend counter is incremented by 1.
188
189 *   When the trend counter reached 10000 the frequency hint is changed to the next higher frequency.
190
191 .. note::
192
193     The assumption is that the Rx queue size is 128 and the thresholds specified above
194     must be adjusted accordingly based on actual hardware Rx queue size,
195     which are configured via the rte_eth_rx_queue_setup() function.
196
197 In general, a thread needs to poll packets from multiple Rx queues.
198 Most likely, different queue have different load, so they would return different frequency hints.
199 The algorithm evaluates all the hints and then scales up frequency in an aggressive manner
200 by scaling up to highest frequency as long as one Rx queue requires.
201 In this way, we can minimize any negative performance impact.
202
203 On the other hand, frequency scaling down is controlled in the timer callback function.
204 Specifically, if the sleep times of a logical core indicate that it is sleeping more than 25% of the sampling period,
205 or if the average packet per iteration is less than expectation, the frequency is decreased by one step.
206
207 C-State Heuristic Algorithm
208 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
209
210 Whenever recent rte_eth_rx_burst() polls return 5 consecutive zero packets,
211 an idle counter begins incrementing for each successive zero poll.
212 At the same time, the function power_idle_heuristic() is called to generate speculative sleep duration
213 in order to force logical to enter deeper sleeping C-state.
214 There is no way to control C- state directly, and the CPUIdle subsystem in OS is intelligent enough
215 to select C-state to enter based on actual sleep period time of giving logical core.
216 The algorithm has the following sleeping behavior depending on the idle counter:
217
218 *   If idle count less than 100, the counter value is used as a microsecond sleep value through rte_delay_us()
219     which execute pause instructions to avoid costly context switch but saving power at the same time.
220
221 *   If idle count is between 100 and 999, a fixed sleep interval of 100 μs is used.
222     A 100 μs sleep interval allows the core to enter the C1 state while keeping a fast response time in case new traffic arrives.
223
224 *   If idle count is greater than 1000, a fixed sleep value of 1 ms is used until the next timer expiration is used.
225     This allows the core to enter the C3/C6 states.
226
227 .. note::
228
229     The thresholds specified above need to be adjusted for different Intel processors and traffic profiles.
230
231 If a thread polls multiple Rx queues and different queue returns different sleep duration values,
232 the algorithm controls the sleep time in a conservative manner by sleeping for the least possible time
233 in order to avoid a potential performance impact.
234
235 Empty Poll Mode
236 -------------------------
237 Additionally, there is a traffic aware mode of operation called "Empty
238 Poll" where the number of empty polls can be monitored to keep track
239 of how busy the application is. Empty poll mode can be enabled by the
240 command line option --empty-poll.
241
242 See :doc:`Power Management<../prog_guide/power_man>` chapter in the DPDK Programmer's Guide for empty poll mode details.
243
244 .. code-block:: console
245
246     ./<build_dir>/examples/dpdk-l3fwd-power -l xxx -n 4 -a 0000:xx:00.0 -a 0000:xx:00.1 \
247         -- -p 0x3 -P --config="(0,0,xx),(1,0,xx)" --empty-poll="0,0,0" -l 14 -m 9 -h 1
248
249 Where,
250
251 --empty-poll: Enable the empty poll mode instead of original algorithm
252
253 --empty-poll="training_flag, med_threshold, high_threshold"
254
255 * ``training_flag`` : optional, enable/disable training mode. Default value is 0. If the training_flag is set as 1(true), then the application will start in training mode and print out the trained threshold values. If the training_flag is set as 0(false), the application will start in normal mode, and will use either the default thresholds or those supplied on the command line. The trained threshold values are specific to the user’s system, may give a better power profile when compared to the default threshold values.
256
257 * ``med_threshold`` : optional, sets the empty poll threshold of a modestly busy system state. If this is not supplied, the application will apply the default value of 350000.
258
259 * ``high_threshold`` : optional, sets the empty poll threshold of a busy system state. If this is not supplied, the application will apply the default value of 580000.
260
261 * -l : optional, set up the LOW power state frequency index
262
263 * -m : optional, set up the MED power state frequency index
264
265 * -h : optional, set up the HIGH power state frequency index
266
267 Empty Poll Mode Example Usage
268 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
269 To initially obtain the ideal thresholds for the system, the training
270 mode should be run first. This is achieved by running the l3fwd-power
271 app with the training flag set to “1”, and the other parameters set to
272 0.
273
274 .. code-block:: console
275
276         ./<build_dir>/examples/dpdk-l3fwd-power -l 1-3 -- -p 0x0f --config="(0,0,2),(0,1,3)" --empty-poll "1,0,0" –P
277
278 This will run the training algorithm for x seconds on each core (cores 2
279 and 3), and then print out the recommended threshold values for those
280 cores. The thresholds should be very similar for each core.
281
282 .. code-block:: console
283
284         POWER: Bring up the Timer
285         POWER: set the power freq to MED
286         POWER: Low threshold is 230277
287         POWER: MED threshold is 335071
288         POWER: HIGH threshold is 523769
289         POWER: Training is Complete for 2
290         POWER: set the power freq to MED
291         POWER: Low threshold is 236814
292         POWER: MED threshold is 344567
293         POWER: HIGH threshold is 538580
294         POWER: Training is Complete for 3
295
296 Once the values have been measured for a particular system, the app can
297 then be started without the training mode so traffic can start immediately.
298
299 .. code-block:: console
300
301         ./<build_dir>/examples/dpdk-l3fwd-power -l 1-3 -- -p 0x0f --config="(0,0,2),(0,1,3)" --empty-poll "0,340000,540000" –P
302
303 Telemetry Mode
304 --------------
305
306 The telemetry mode support for ``l3fwd-power`` is a standalone mode, in this mode
307 ``l3fwd-power`` does simple l3fwding along with calculating empty polls, full polls,
308 and busy percentage for each forwarding core. The aggregation of these
309 values of all cores is reported as application level telemetry to metric
310 library for every 500ms from the main core.
311
312 The busy percentage is calculated by recording the poll_count
313 and when the count reaches a defined value the total
314 cycles it took is measured and compared with minimum and maximum
315 reference cycles and accordingly busy rate is set  to either 0% or
316 50% or 100%.
317
318 .. code-block:: console
319
320         ./<build_dir>/examples/dpdk-l3fwd-power --telemetry -l 1-3 -- -p 0x0f --config="(0,0,2),(0,1,3)" --telemetry
321
322 The new stats ``empty_poll`` , ``full_poll`` and ``busy_percent`` can be viewed by running the script
323 ``/usertools/dpdk-telemetry-client.py`` and selecting the menu option ``Send for global Metrics``.
324
325 PMD power management Mode
326 -------------------------
327
328 The PMD power management  mode support for ``l3fwd-power`` is a standalone mode.
329 In this mode, ``l3fwd-power`` does simple l3fwding
330 along with enabling the power saving scheme on specific port/queue/lcore.
331 Main purpose for this mode is to demonstrate
332 how to use the PMD power management API.
333
334 .. code-block:: console
335
336         ./build/examples/dpdk-l3fwd-power -l 1-3 --  --pmd-mgmt -p 0x0f --config="(0,0,2),(0,1,3)"
337
338 PMD Power Management Mode
339 -------------------------
340
341 There is also a traffic-aware operating mode that,
342 instead of using explicit power management,
343 will use automatic PMD power management.
344 This mode is limited to one queue per core,
345 and has three available power management schemes:
346
347 ``monitor``
348   This will use ``rte_power_monitor()`` function to enter
349   a power-optimized state (subject to platform support).
350
351 ``pause``
352   This will use ``rte_power_pause()`` or ``rte_pause()``
353   to avoid busy looping when there is no traffic.
354
355 ``scale``
356   This will use frequency scaling routines
357   available in the ``librte_power`` library.
358   The reaction time of the scale mode is longer
359   than the pause and monitor mode.
360
361 See :doc:`Power Management<../prog_guide/power_man>` chapter
362 in the DPDK Programmer's Guide for more details on PMD power management.
363
364 .. code-block:: console
365
366         ./<build_dir>/examples/dpdk-l3fwd-power -l 1-3 -- -p 0x0f --config="(0,0,2),(0,1,3)" --pmd-mgmt=scale