6e73fc5a834b7bf5255052f5274753470d92632c
[dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / mbuf_lib.rst
1 ..  BSD LICENSE
2     Copyright(c) 2010-2014 Intel Corporation. All rights reserved.
3     All rights reserved.
4
5     Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6     modification, are permitted provided that the following conditions
7     are met:
8
9     * Redistributions of source code must retain the above copyright
10     notice, this list of conditions and the following disclaimer.
11     * Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
12     notice, this list of conditions and the following disclaimer in
13     the documentation and/or other materials provided with the
14     distribution.
15     * Neither the name of Intel Corporation nor the names of its
16     contributors may be used to endorse or promote products derived
17     from this software without specific prior written permission.
18
19     THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
20     "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
21     LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR
22     A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT
23     OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL,
24     SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT
25     LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES; LOSS OF USE,
26     DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER CAUSED AND ON ANY
27     THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY, OR TORT
28     (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
29     OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
30
31 .. _Mbuf_Library:
32
33 Mbuf Library
34 ============
35
36 The mbuf library provides the ability to allocate and free buffers (mbufs)
37 that may be used by the DPDK application to store message buffers.
38 The message buffers are stored in a mempool, using the :ref:`Mempool Library <Mempool_Library>`.
39
40 A rte_mbuf struct can carry network packet buffers
41 or generic control buffers (indicated by the CTRL_MBUF_FLAG).
42 This can be extended to other types.
43 The rte_mbuf header structure is kept as small as possible and currently uses
44 just two cache lines, with the most frequently used fields being on the first
45 of the two cache lines.
46
47 Design of Packet Buffers
48 ------------------------
49
50 For the storage of the packet data (including protocol headers), two approaches were considered:
51
52 #.  Embed metadata within a single memory buffer the structure followed by a fixed size area for the packet data.
53
54 #.  Use separate memory buffers for the metadata structure and for the packet data.
55
56 The advantage of the first method is that it only needs one operation to allocate/free the whole memory representation of a packet.
57 On the other hand, the second method is more flexible and allows
58 the complete separation of the allocation of metadata structures from the allocation of packet data buffers.
59
60 The first method was chosen for the DPDK.
61 The metadata contains control information such as message type, length,
62 offset to the start of the data and a pointer for additional mbuf structures allowing buffer chaining.
63
64 Message buffers that are used to carry network packets can handle buffer chaining
65 where multiple buffers are required to hold the complete packet.
66 This is the case for jumbo frames that are composed of many mbufs linked together through their next field.
67
68 For a newly allocated mbuf, the area at which the data begins in the message buffer is
69 RTE_PKTMBUF_HEADROOM bytes after the beginning of the buffer, which is cache aligned.
70 Message buffers may be used to carry control information, packets, events,
71 and so on between different entities in the system.
72 Message buffers may also use their buffer pointers to point to other message buffer data sections or other structures.
73
74 :numref:`figure_mbuf1` and :numref:`figure_mbuf2` show some of these scenarios.
75
76 .. _figure_mbuf1:
77
78 .. figure:: img/mbuf1.*
79
80    An mbuf with One Segment
81
82
83 .. _figure_mbuf2:
84
85 .. figure:: img/mbuf2.*
86
87    An mbuf with Three Segments
88
89
90 The Buffer Manager implements a fairly standard set of buffer access functions to manipulate network packets.
91
92 Buffers Stored in Memory Pools
93 ------------------------------
94
95 The Buffer Manager uses the :ref:`Mempool Library <Mempool_Library>` to allocate buffers.
96 Therefore, it ensures that the packet header is interleaved optimally across the channels and ranks for L3 processing.
97 An mbuf contains a field indicating the pool that it originated from.
98 When calling rte_ctrlmbuf_free(m) or rte_pktmbuf_free(m), the mbuf returns to its original pool.
99
100 Constructors
101 ------------
102
103 Packet and control mbuf constructors are provided by the API.
104 The rte_pktmbuf_init() and rte_ctrlmbuf_init() functions initialize some fields in the mbuf structure that
105 are not modified by the user once created (mbuf type, origin pool, buffer start address, and so on).
106 This function is given as a callback function to the rte_mempool_create() function at pool creation time.
107
108 Allocating and Freeing mbufs
109 ----------------------------
110
111 Allocating a new mbuf requires the user to specify the mempool from which the mbuf should be taken.
112 For any newly-allocated mbuf, it contains one segment, with a length of 0.
113 The offset to data is initialized to have some bytes of headroom in the buffer (RTE_PKTMBUF_HEADROOM).
114
115 Freeing a mbuf means returning it into its original mempool.
116 The content of an mbuf is not modified when it is stored in a pool (as a free mbuf).
117 Fields initialized by the constructor do not need to be re-initialized at mbuf allocation.
118
119 When freeing a packet mbuf that contains several segments, all of them are freed and returned to their original mempool.
120
121 Manipulating mbufs
122 ------------------
123
124 This library provides some functions for manipulating the data in a packet mbuf. For instance:
125
126     *  Get data length
127
128     *  Get a pointer to the start of data
129
130     *  Prepend data before data
131
132     *   Append data after data
133
134     *   Remove data at the beginning of the buffer (rte_pktmbuf_adj())
135
136     *   Remove data at the end of the buffer (rte_pktmbuf_trim()) Refer to the *DPDK API Reference* for details.
137
138 Meta Information
139 ----------------
140
141 Some information is retrieved by the network driver and stored in an mbuf to make processing easier.
142 For instance, the VLAN, the RSS hash result (see :ref:`Poll Mode Driver <Poll_Mode_Driver>`)
143 and a flag indicating that the checksum was computed by hardware.
144
145 An mbuf also contains the input port (where it comes from), and the number of segment mbufs in the chain.
146
147 For chained buffers, only the first mbuf of the chain stores this meta information.
148
149 For instance, this is the case on RX side for the IEEE1588 packet
150 timestamp mechanism, the VLAN tagging and the IP checksum computation.
151
152 On TX side, it is also possible for an application to delegate some
153 processing to the hardware if it supports it. For instance, the
154 PKT_TX_IP_CKSUM flag allows to offload the computation of the IPv4
155 checksum.
156
157 The following examples explain how to configure different TX offloads on
158 a vxlan-encapsulated tcp packet:
159 ``out_eth/out_ip/out_udp/vxlan/in_eth/in_ip/in_tcp/payload``
160
161 - calculate checksum of out_ip::
162
163     mb->l2_len = len(out_eth)
164     mb->l3_len = len(out_ip)
165     mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CSUM
166     set out_ip checksum to 0 in the packet
167
168   This is supported on hardware advertising DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM.
169
170 - calculate checksum of out_ip and out_udp::
171
172     mb->l2_len = len(out_eth)
173     mb->l3_len = len(out_ip)
174     mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CSUM | PKT_TX_UDP_CKSUM
175     set out_ip checksum to 0 in the packet
176     set out_udp checksum to pseudo header using rte_ipv4_phdr_cksum()
177
178   This is supported on hardware advertising DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM
179   and DEV_TX_OFFLOAD_UDP_CKSUM.
180
181 - calculate checksum of in_ip::
182
183     mb->l2_len = len(out_eth + out_ip + out_udp + vxlan + in_eth)
184     mb->l3_len = len(in_ip)
185     mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CSUM
186     set in_ip checksum to 0 in the packet
187
188   This is similar to case 1), but l2_len is different. It is supported
189   on hardware advertising DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM.
190   Note that it can only work if outer L4 checksum is 0.
191
192 - calculate checksum of in_ip and in_tcp::
193
194     mb->l2_len = len(out_eth + out_ip + out_udp + vxlan + in_eth)
195     mb->l3_len = len(in_ip)
196     mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CSUM | PKT_TX_TCP_CKSUM
197     set in_ip checksum to 0 in the packet
198     set in_tcp checksum to pseudo header using rte_ipv4_phdr_cksum()
199
200   This is similar to case 2), but l2_len is different. It is supported
201   on hardware advertising DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM and
202   DEV_TX_OFFLOAD_TCP_CKSUM.
203   Note that it can only work if outer L4 checksum is 0.
204
205 - segment inner TCP::
206
207     mb->l2_len = len(out_eth + out_ip + out_udp + vxlan + in_eth)
208     mb->l3_len = len(in_ip)
209     mb->l4_len = len(in_tcp)
210     mb->ol_flags |= PKT_TX_IPV4 | PKT_TX_IP_CKSUM | PKT_TX_TCP_CKSUM |
211       PKT_TX_TCP_SEG;
212     set in_ip checksum to 0 in the packet
213     set in_tcp checksum to pseudo header without including the IP
214       payload length using rte_ipv4_phdr_cksum()
215
216   This is supported on hardware advertising DEV_TX_OFFLOAD_TCP_TSO.
217   Note that it can only work if outer L4 checksum is 0.
218
219 - calculate checksum of out_ip, in_ip, in_tcp::
220
221     mb->outer_l2_len = len(out_eth)
222     mb->outer_l3_len = len(out_ip)
223     mb->l2_len = len(out_udp + vxlan + in_eth)
224     mb->l3_len = len(in_ip)
225     mb->ol_flags |= PKT_TX_OUTER_IPV4 | PKT_TX_OUTER_IP_CKSUM  | \
226       PKT_TX_IP_CKSUM |  PKT_TX_TCP_CKSUM;
227     set out_ip checksum to 0 in the packet
228     set in_ip checksum to 0 in the packet
229     set in_tcp checksum to pseudo header using rte_ipv4_phdr_cksum()
230
231   This is supported on hardware advertising DEV_TX_OFFLOAD_IPV4_CKSUM,
232   DEV_TX_OFFLOAD_UDP_CKSUM and DEV_TX_OFFLOAD_OUTER_IPV4_CKSUM.
233
234 The list of flags and their precise meaning is described in the mbuf API
235 documentation (rte_mbuf.h). Also refer to the testpmd source code
236 (specifically the csumonly.c file) for details.
237
238 .. _direct_indirect_buffer:
239
240 Direct and Indirect Buffers
241 ---------------------------
242
243 A direct buffer is a buffer that is completely separate and self-contained.
244 An indirect buffer behaves like a direct buffer but for the fact that the buffer pointer and
245 data offset in it refer to data in another direct buffer.
246 This is useful in situations where packets need to be duplicated or fragmented,
247 since indirect buffers provide the means to reuse the same packet data across multiple buffers.
248
249 A buffer becomes indirect when it is "attached" to a direct buffer using the rte_pktmbuf_attach() function.
250 Each buffer has a reference counter field and whenever an indirect buffer is attached to the direct buffer,
251 the reference counter on the direct buffer is incremented.
252 Similarly, whenever the indirect buffer is detached, the reference counter on the direct buffer is decremented.
253 If the resulting reference counter is equal to 0, the direct buffer is freed since it is no longer in use.
254
255 There are a few things to remember when dealing with indirect buffers.
256 First of all, an indirect buffer is never attached to another indirect buffer.
257 Attempting to attach buffer A to indirect buffer B that is attached to C, makes rte_pktmbuf_attach() automatically attach A to C, effectively cloning B.
258 Secondly, for a buffer to become indirect, its reference counter must be equal to 1,
259 that is, it must not be already referenced by another indirect buffer.
260 Finally, it is not possible to reattach an indirect buffer to the direct buffer (unless it is detached first).
261
262 While the attach/detach operations can be invoked directly using the recommended rte_pktmbuf_attach() and rte_pktmbuf_detach() functions,
263 it is suggested to use the higher-level rte_pktmbuf_clone() function,
264 which takes care of the correct initialization of an indirect buffer and can clone buffers with multiple segments.
265
266 Since indirect buffers are not supposed to actually hold any data,
267 the memory pool for indirect buffers should be configured to indicate the reduced memory consumption.
268 Examples of the initialization of a memory pool for indirect buffers (as well as use case examples for indirect buffers)
269 can be found in several of the sample applications, for example, the IPv4 Multicast sample application.
270
271 Debug
272 -----
273
274 In debug mode (CONFIG_RTE_MBUF_DEBUG is enabled),
275 the functions of the mbuf library perform sanity checks before any operation (such as, buffer corruption, bad type, and so on).
276
277 Use Cases
278 ---------
279
280 All networking application should use mbufs to transport network packets.