DPDK skeleton basicfwd 源码阅读

学习这个例子用于理解单纯的 dpdk 转发过程,L2 和 L3 的转发是基于此:在rte_eth_rx_burst()收包后进行解包,提取 mac、ip 等信息然后在转发到输出网卡。

如果要写出自己的程序(例如发特定的包,做特定的流程),这个例子还是很有学习的必要。多看几遍,直到完全弄懂里面的流程和重要的API。

代码部分

main函数

/*
 * The main function, which does initialization and calls the per-lcore
 * functions.
 */
int
main(int argc, char *argv[])
{
    struct rte_mempool *mbuf_pool; // 指向内存池结构的指针
    unsigned nb_ports; // 网口个数
    uint16_t portid; // 网口号

    /* Initialize the Environment Abstraction Layer (EAL). */
    int ret = rte_eal_init(argc, argv); 
    if (ret < 0)
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Error with EAL initialization\n");
    
    // ret是init函数的返回值,是命令行中被解析成功的参数个数
    argc -= ret;
    argv += ret; // 这两个操作有点摸不着头脑。。

    /* Check that there is an even number of ports to send/receive on. */

    nb_ports = rte_eth_dev_count(); // 获取当前可用以太网设备的总数
    if (nb_ports < 2 || (nb_ports & 1)) // 检查端口个数是否小于两个或者是奇数,则出错。
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Error: number of ports must be even\n");

    // dpdk用mbuf保存packet,mempool用于操作mbuf
    /* rte_pktmbuf_pool_create() 创建并初始化mbuf池,是 rte_mempool_create 这个函数的封装。
        五个参数:
        1. mbuf的名字 "MBUF_POOL"
        2. mbuf中的元素个数。每个端口给了8191个
        3. 每个核心的缓存大小,如果该参数为0 则可以禁用缓存。本程序中是250
        4. 每个mbuf中的数据缓冲区大小
        5. 应分配内存的套接字标识符。
        返回值:分配成功时返回指向新分配的mempool的指针。

        mempool的指针会传给 port_init 函数,用于 setup rx queue
    */

    /* Creates a new mempool in memory to hold the mbufs. */
    mbuf_pool = rte_pktmbuf_pool_create("MBUF_POOL", NUM_MBUFS * nb_ports,
        MBUF_CACHE_SIZE, 0, RTE_MBUF_DEFAULT_BUF_SIZE, rte_socket_id()); //rte_socket_id()返回正在运行的lcore所对应的物理socket。socket的文档在 lcore中

    if (mbuf_pool == NULL) // 若mempool分配失败
        rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot create mbuf pool\n");

    /* Initialize all ports. 在每个网口上初始化 */
    RTE_ETH_FOREACH_DEV(portid) // 必须使用RTE_ETH_FOREACH_DEV()宏来访问这些设备以处理非连续范围的设备。

        if (port_init(portid, mbuf_pool) != 0) 
            rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot init port %"PRIu16 "\n",
                    portid);

    if (rte_lcore_count() > 1) // basicfwd只需要使用一个逻辑核
        printf("\nWARNING: Too many lcores enabled. Only 1 used.\n");

    /* Call lcore_main on the master core only. */
    // 仅仅一个主线程调用
    // 这个程序纯粹地把一个网口收到的包从另一个网口转发出去,就像是一个repeater,中间没有其他任何处理。
    lcore_main();

    return 0;
}

端口初始化port_init(portid, mbuf_pool)

/*
 * Initializes a given port using global settings and with the RX buffers
 * coming from the mbuf_pool passed as a parameter.
 */
static inline int
port_init(uint16_t port, struct rte_mempool *mbuf_pool)
{
    struct rte_eth_conf port_conf = port_conf_default; // 这个rte_eth_conf结构体在配置网卡时要用到
    const uint16_t rx_rings = 1, tx_rings = 1; // 每个网口有多少rx和tx队列,这里都为1
    uint16_t nb_rxd = RX_RING_SIZE; // 接收环大小
    uint16_t nb_txd = TX_RING_SIZE; // 发送环大小
    int retval;
    uint16_t q;
    struct rte_eth_dev_info dev_info; // 用于获取以太网设备的信息,setup queue 时用到
    struct rte_eth_txconf txconf; // setup tx queue 时用到

    if (!rte_eth_dev_is_valid_port(port)) // 检查设备的port_id是否已连接
        return -1;

    rte_eth_dev_info_get(port, &dev_info); /* 查询以太网设备的信息,参数port指示以太网设备的网口标识符,第二个参数指向要填充信息的类型rte_eth_dev_info的结构的指针。*/
                                           
    if (dev_info.tx_offload_capa & DEV_TX_OFFLOAD_MBUF_FAST_FREE)
        port_conf.txmode.offloads |=
            DEV_TX_OFFLOAD_MBUF_FAST_FREE;

    // rte_eth_dev_configure() 配置网卡
    /* 四个参数
        1. port id
        2. 要给该网卡配置多少个收包队列 这里是一个
        3. 要给该网卡配置多少个发包队列 也是一个
        4. 结构体指针类型 rte_eth_conf * 
    */
    retval = rte_eth_dev_configure(port, rx_rings, tx_rings, &port_conf);
    if (retval != 0)  // 返回值0:成功,设备已配置。
        return retval; 

    // rte_eth_dev_adjust_nb_rx_tx_desc() 检查Rx和Tx描述符的数量是否满足以太网设备信息中的描述符限制,否则将它们调整为边界。
    retval = rte_eth_dev_adjust_nb_rx_tx_desc(port, &nb_rxd, &nb_txd);
    if (retval != 0) // 返回值0:如果成功。
        return retval;

    /*  rte_eth_rx_queue_setup() 顾名思义的函数名
    配置rx队列需要六个参数
        1. port id
        2. 接收队列的索引。要在[0, rx_queue - 1] 的范围内(先前rte_eth_dev_configure中配置的)
        3. 为接收环分配的接收描述符数。(环的大小)
        4. socket id。 如果是 NUMA 架构 就使用 rte_eth_dev_socket_id(port)获取port所对应的以太网设备所连接上的socket的id;若不是NUMA,该值可以是宏SOCKET_ID_ANY
        5. 指向rx queue的配置数据的指针。如果是NULL,则使用默认配置。
        6. 指向内存池mempool的指针,从中分配mbuf去操作队列。
    */ 

    /* Allocate and set up 1 RX queue per Ethernet port. */
    for (q = 0; q < rx_rings; q++) {
        retval = rte_eth_rx_queue_setup(port, q, nb_rxd,
                rte_eth_dev_socket_id(port), NULL, mbuf_pool);
        if (retval < 0)
            return retval;
    }

    txconf = dev_info.default_txconf;
    txconf.txq_flags = ETH_TXQ_FLAGS_IGNORE;
    txconf.offloads = port_conf.txmode.offloads; // 这是一些配置数据的,内容先略过不看了

    /* rte_eth_tx_queue_setup()
    配置tx队列需要五个参数(不需要mempool)
        1. port id
        2. 发送队列的索引。要在[0, tx_queue - 1] 的范围内(先前rte_eth_dev_configure中配置的)
        3. 为发送环分配的接收描述符数。(自定义环的大小)
        4. socket id
        5. 指向tx queue的配置数据的指针,结构体是rte_eth_txconf。
    */

    /* Allocate and set up 1 TX queue per Ethernet port. */
    for (q = 0; q < tx_rings; q++) {
        retval = rte_eth_tx_queue_setup(port, q, nb_txd,
                rte_eth_dev_socket_id(port), &txconf);
        if (retval < 0)
            return retval;
    }

    // 启动设备
    // 设备启动步骤是最后一步,包括设置已配置的offload功能以及启动设备的发送和接收单元。成功时,可以调用以太网API导出的所有基本功能(链接状态,接收/发送等)。

    /* Start the Ethernet port. */
    retval = rte_eth_dev_start(port);
    if (retval < 0)
        return retval;

    /* Display the port MAC address. */
    struct ether_addr addr;
    rte_eth_macaddr_get(port, &addr);
    // #define PRIx8 "hhx" 
    // 十六进制数形式输出整数 一个h表示short,即short int ,两个h表示short short,即 char。%hhx用于输出char
    printf("Port %u MAC: %02" PRIx8 " %02" PRIx8 " %02" PRIx8
               " %02" PRIx8 " %02" PRIx8 " %02" PRIx8 "\n",
            port,
            addr.addr_bytes[0], addr.addr_bytes[1],
            addr.addr_bytes[2], addr.addr_bytes[3],
            addr.addr_bytes[4], addr.addr_bytes[5]);

    /* Enable RX in promiscuous mode for the Ethernet device. */
    rte_eth_promiscuous_enable(port); //设置网卡为混杂模式
    // 指一台机器能够接收所有经过它的数据流,而不论其目的地址是否是他。

    return 0;
}

lcore_main

/*
 * The lcore main. This is the main thread that does the work, reading from
 * an input port and writing to an output port.
 */
static __attribute__((noreturn)) void
lcore_main(void)
{
    uint16_t port;

    /*
     * Check that the port is on the same NUMA node as the polling thread
     * for best performance.
     */
    // 当有NUMA结构时,检查网口是否在同一个NUMA node节点上,只有在一个NUMA node上时线程轮询的效率最好
    RTE_ETH_FOREACH_DEV(port)
        if (rte_eth_dev_socket_id(port) > 0 &&
                rte_eth_dev_socket_id(port) !=
                        (int)rte_socket_id())
                        // 若以太网口所在的NUMA socket号与当前线程所在的 socket 号不同,报warming
            printf("WARNING, port %u is on remote NUMA node to "
                    "polling thread.\n\tPerformance will "
                    "not be optimal.\n", port);

    printf("\nCore %u forwarding packets. [Ctrl+C to quit]\n",
            rte_lcore_id());

    /* Run until the application is quit or killed. */
    for (;;) {
        /*
         * Receive packets on a port and forward them on the paired
         * port. The mapping is 0 -> 1, 1 -> 0, 2 -> 3, 3 -> 2, etc.
         */

        /*
            一个端口收到包,就立刻转发到另一个端口
            0 和 1 
            2 和 3
            ……
        */

        RTE_ETH_FOREACH_DEV(port) {

            /* Get burst of RX packets, from first port of pair. */
            struct rte_mbuf *bufs[BURST_SIZE];// mbuf的结构体 收到的包存在这里,也是要发出去的包

            /* 收包函数:rte_eth_rx_burst 从以太网设备的接收队列中检索一连串(burst收发包机制)输入数据包。检索到的数据包存储在rte_mbuf结构中。
            参数四个
                1. port id (收到哪个网口)
                2. 队列索引 (的哪一条队列),范围要在[0, rx_queue - 1] 的范围内(rte_eth_dev_configure中的)
                3. 指向 rte_mbuf 结构的 指针数组 的地址。要够容纳第四个参数所表示的数目的指针。(把收到的包存在哪里?)
                4. 要检索的最大数据包数
            
            rte_eth_rx_burst()是一个循环函数,从RX队列中收包达到设定的最大数量为止。

            收包操作:
            1. 根据NIC的RX描述符信息,初始化rte_mbuf数据结构。
            2. 将rte_mbuf(也就是数据包)存储到第三个参数所指示的数组的下一个条目。
            3. 从mempool分配新的的rte_mbuf
            */

            const uint16_t nb_rx = rte_eth_rx_burst(port, 0,
                    bufs, BURST_SIZE);

            if (unlikely(nb_rx == 0)) // 返回值是实际收到的数据包数
                continue;

            /* Send burst of TX packets, to second port of pair. */
        
            /* 发包函数:rte_eth_tx_burst 在由port id指示的以太网设备的传输队列(由索引指示)发送一连串输出数据包。
            参数四个:
                1. port id(从哪个网口)
                2. 队列索引(的哪条队列发出),范围要在[0, tx_queue - 1] 的范围内(rte_eth_dev_configure中的)
                3. 指向包含要发送的数据包的 rte_mbuf 结构的 指针数组 的地址。(要发送的包的内容在哪里)
                4. 要发送的数据包的最大数量。

            返回值是发送的包的数量。

            发包操作:
            1. 选择发包队列中下一个可用的描述符
            2. 使用该描述符发送包,之后释放对应的mempool空间
            3. 再根据 *rte_mbuf 初始化发送描述符
            */
            const uint16_t nb_tx = rte_eth_tx_burst(port ^ 1, 0, 
                    bufs, nb_rx); // port 异或 1 --> 0就和1是一对,2就和3是一对。
                    // 0 收到包就从 1 转发, 3 收到包 就从 2 口转发。

            /* Free any unsent packets. */
            // 用unlikely宏代表这种情况不太可能出现?
            if (unlikely(nb_tx < nb_rx)) {
                uint16_t buf;
                for (buf = nb_tx; buf < nb_rx; buf++)
                    rte_pktmbuf_free(bufs[buf]);
            }
        }
    }
}

头文件、宏、struct

/* SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
 * Copyright(c) 2010-2015 Intel Corporation
 */

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define RX_RING_SIZE 1024   // 接收环大小
#define TX_RING_SIZE 1024   // 发送环大小

#define NUM_MBUFS 8191      // mbuf中的元素个数,推荐数量是2的幂次-1
#define MBUF_CACHE_SIZE 250 //
#define BURST_SIZE 32       // Burst收发包模式的一次完成多个数据包的收发 深入浅出P122

// struct里的点:非顺序初始化 https://blog.csdn.net/comwise/article/details/9087279

static const struct rte_eth_conf port_conf_default = { // 配置端口时使用的默认配置
    .rxmode = {
        .max_rx_pkt_len = ETHER_MAX_LEN,
        .ignore_offload_bitfield = 1,
    },
};

/* basicfwd.c: Basic DPDK skeleton forwarding example. */

总结

basicfw 由三个部分组成,它们之间的关系如下:

  1. main函数中先进行eal初始化以及分配mempool,然后转到端口初始化。
  2. port_init 中配置网卡,设置队列参数,开启设备。
  3. 回到main函数中,主线程开始转发。

main 函数

main函数的内容:

  1. 初始化 eal
  2. 以太网端口数需要为偶数(在这个程序中一个口接收,往另一个口转发)
  3. 分配mbuf rte_pktmbuf_pool_create()
  4. 初始化所有端口 转入 port_init(portid, mbuf_pool)
  5. 调用主线程开始basicfwd。

端口初始化

配置端口的工作:

  1. 检查设备的port_id是否已连接 rte_eth_dev_is_valid_port(port))
  2. 得到以太网设备的信息 rte_eth_dev_info_get(port, &dev_info);
  3. 配置网卡rte_eth_dev_configure() 主要要配置的内容是要给每个网卡配置多少个收发(Rx、Tx)队列。检查是否符合要求。
  4. 配置完网卡后,要setup队列
    rte_eth_rx_queue_setup 为以太网设备分配和设置接收队列。要为Rx队列设置指向 mempool的指针。
    rte_eth_tx_queue_setup 为以太网设备分配和设置传输队列。可以设置传输队列的长度,传输的模式等。
  5. 启动设备rte_eth_dev_start(port) 是最后一步
  6. rte_eth_promiscuous_enable(port) 设置网卡为混杂模式

主线程

主线程是一个死循环,只能强行中断来结束。
两个端口为一组,一个端口收到包,就立刻转发到另一个端口。例如 0 口收到包立刻从1 口转发出去,3 口收到包立刻从 2 口转发出去,等等。

  1. 在主线程里需要声明MBUF的结构体 struct rte_mbuf *bufs[BURST_SIZE];
  2. 收包函数:rte_eth_rx_burst 从指定的以太网设备的接收队列利用burst收发包机制接受一批数据包。检索到的数据包存储在rte_mbuf结构中。mbuf就是dpdk中用于存储网络数据包的缓冲区,mbuf是使用mempool来分配和回收内存的。mempool已经在端口初始化的函数中设置给了接收队列。
  3. 发包函数:rte_eth_tx_burst 从指定的以太网设备的发送队列发送一连串输出数据包。在代码中,发包函数参数中的mbuf数组就是收包函数收来的mbuf数组,也就是实现了原封不动的转发。
  4. 释放没有发的包

执行情况

需要绑定网卡,且只需要指定一个线程即可。

root@ubuntu:/home/chang/dpdk/examples/skeleton/build# ./basicfwd -l 1 -n 4
EAL: Detected 8 lcore(s)
EAL: No free hugepages reported in hugepages-1048576kB
EAL: Multi-process socket /var/run/.rte_unix
EAL: Probing VFIO support...
EAL: PCI device 0000:02:01.0 on NUMA socket -1
EAL:   Invalid NUMA socket, default to 0
EAL:   probe driver: 8086:100f net_e1000_em
EAL: PCI device 0000:02:02.0 on NUMA socket -1
EAL:   Invalid NUMA socket, default to 0
EAL:   probe driver: 8086:100f net_e1000_em
EAL: PCI device 0000:02:03.0 on NUMA socket -1
EAL:   Invalid NUMA socket, default to 0
EAL:   probe driver: 8086:100f net_e1000_em
EAL: PCI device 0000:02:04.0 on NUMA socket -1
EAL:   Invalid NUMA socket, default to 0
EAL:   probe driver: 8086:100f net_e1000_em
Port 0 MAC: 00 0c 29 f7 4d 25
Port 1 MAC: 00 0c 29 f7 4d 2f

Core 1 forwarding packets. [Ctrl+C to quit]
^C

参考 API 文档条目:

(进入http://doc.dpdk.org/api/index.html 后搜索下列链接)

mbuf、ethdev、lcore

sample guide

http://doc.dpdk.org/guides/sample_app_ug/skeleton.html

参考链接

https://blog.csdn.net/pangyemeng/article/details/78226434

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