docs/devel/ebpf_rss.rst

   1 ===========================
   2 eBPF RSS virtio-net support
   3 ===========================
   4
   5 RSS(Receive Side Scaling) is used to distribute network packets to guest virtqueues
   6 by calculating packet hash. Usually every queue is processed then by a specific guest CPU core.
   7
   8 For now there are 2 RSS implementations in qemu:
   9 - 'in-qemu' RSS (functions if qemu receives network packets, i.e. vhost=off)
  10 - eBPF RSS (can function with also with vhost=on)
  11
  12 eBPF support (CONFIG_EBPF) is enabled by 'configure' script.
  13 To enable eBPF RSS support use './configure --enable-bpf'.
  14
  15 If steering BPF is not set for kernel's TUN module, the TUN uses automatic selection
  16 of rx virtqueue based on lookup table built according to calculated symmetric hash
  17 of transmitted packets.
  18 If steering BPF is set for TUN the BPF code calculates the hash of packet header and
  19 returns the virtqueue number to place the packet to.
  20
  21 Simplified decision formula:
  22
  23 .. code:: C
  24
  25     queue_index = indirection_table[hash(<packet data>)%<indirection_table size>]
  26
  27
  28 Not for all packets, the hash can/should be calculated.
  29
  30 Note: currently, eBPF RSS does not support hash reporting.
  31
  32 eBPF RSS turned on by different combinations of vhost-net, vitrio-net and tap configurations:
  33
  34 - eBPF is used:
  35
  36         tap,vhost=off & virtio-net-pci,rss=on,hash=off
  37
  38 - eBPF is used:
  39
  40         tap,vhost=on & virtio-net-pci,rss=on,hash=off
  41
  42 - 'in-qemu' RSS is used:
  43
  44         tap,vhost=off & virtio-net-pci,rss=on,hash=on
  45
  46 - eBPF is used, hash population feature is not reported to the guest:
  47
  48         tap,vhost=on & virtio-net-pci,rss=on,hash=on
  49
  50 If CONFIG_EBPF is not set then only 'in-qemu' RSS is supported.
  51 Also 'in-qemu' RSS, as a fallback, is used if the eBPF program failed to load or set to TUN.
  52
  53 RSS eBPF program
  54 ----------------
  55
  56 RSS program located in ebpf/rss.bpf.skeleton.h generated by bpftool.
  57 So the program is part of the qemu binary.
  58 Initially, the eBPF program was compiled by clang and source code located at tools/ebpf/rss.bpf.c.
  59 Prerequisites to recompile the eBPF program (regenerate ebpf/rss.bpf.skeleton.h):
  60
  61         llvm, clang, kernel source tree, bpftool
  62         Adjust Makefile.ebpf to reflect the location of the kernel source tree
  63
  64         $ cd tools/ebpf
  65         $ make -f Makefile.ebpf
  66
  67 Current eBPF RSS implementation uses 'bounded loops' with 'backward jump instructions' which present in the last kernels.
  68 Overall eBPF RSS works on kernels 5.8+.
  69
  70 eBPF RSS implementation
  71 -----------------------
  72
  73 eBPF RSS loading functionality located in ebpf/ebpf_rss.c and ebpf/ebpf_rss.h.
  74
  75 The ``struct EBPFRSSContext`` structure that holds 4 file descriptors:
  76
  77 - ctx - pointer of the libbpf context.
  78 - program_fd - file descriptor of the eBPF RSS program.
  79 - map_configuration - file descriptor of the 'configuration' map. This map contains one element of 'struct EBPFRSSConfig'. This configuration determines eBPF program behavior.
  80 - map_toeplitz_key - file descriptor of the 'Toeplitz key' map. One element of the 40byte key prepared for the hashing algorithm.
  81 - map_indirections_table - 128 elements of queue indexes.
  82
  83 ``struct EBPFRSSConfig`` fields:
  84
  85 - redirect - "boolean" value, should the hash be calculated, on false  - ``default_queue`` would be used as the final decision.
  86 - populate_hash - for now, not used. eBPF RSS doesn't support hash reporting.
  87 - hash_types - binary mask of different hash types. See ``VIRTIO_NET_RSS_HASH_TYPE_*`` defines. If for packet hash should not be calculated - ``default_queue`` would be used.
  88 - indirections_len - length of the indirections table, maximum 128.
  89 - default_queue - the queue index that used for packet that shouldn't be hashed. For some packets, the hash can't be calculated(g.e ARP).
  90
  91 Functions:
  92
  93 - ``ebpf_rss_init()`` - sets ctx to NULL, which indicates that EBPFRSSContext is not loaded.
  94 - ``ebpf_rss_load()`` - creates 3 maps and loads eBPF program from the rss.bpf.skeleton.h. Returns 'true' on success. After that, program_fd can be used to set steering for TAP.
  95 - ``ebpf_rss_set_all()`` - sets values for eBPF maps. ``indirections_table`` length is in EBPFRSSConfig. ``toeplitz_key`` is VIRTIO_NET_RSS_MAX_KEY_SIZE aka 40 bytes array.
  96 - ``ebpf_rss_unload()`` - close all file descriptors and set ctx to NULL.
  97
  98 Simplified eBPF RSS workflow:
  99
 100 .. code:: C
 101
 102     struct EBPFRSSConfig config;
 103     config.redirect = 1;
 104     config.hash_types = VIRTIO_NET_RSS_HASH_TYPE_UDPv4 | VIRTIO_NET_RSS_HASH_TYPE_TCPv4;
 105     config.indirections_len = VIRTIO_NET_RSS_MAX_TABLE_LEN;
 106     config.default_queue = 0;
 107
 108     uint16_t table[VIRTIO_NET_RSS_MAX_TABLE_LEN] = {...};
 109     uint8_t key[VIRTIO_NET_RSS_MAX_KEY_SIZE] = {...};
 110
 111     struct EBPFRSSContext ctx;
 112     ebpf_rss_init(&ctx);
 113     ebpf_rss_load(&ctx);
 114     ebpf_rss_set_all(&ctx, &config, table, key);
 115     if (net_client->info->set_steering_ebpf != NULL) {
 116         net_client->info->set_steering_ebpf(net_client, ctx->program_fd);
 117     }
 118     ...
 119     ebpf_unload(&ctx);
 120
 121
 122 NetClientState SetSteeringEBPF()
 123 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 124
 125 For now, ``set_steering_ebpf()`` method supported by Linux TAP NetClientState. The method requires an eBPF program file descriptor as an argument.