lib/classifier: Hide more of the internal data structures.
[sliver-openvswitch.git] / lib / classifier.h
index 8e3bf61..048aaa1 100644 (file)
  * =====
  *
  * A flow classifier holds any number of "rules", each of which specifies
- * values to match for some fields or subfields and a priority.  The primary
- * design goal for the classifier is that, given a packet, it can as quickly as
- * possible find the highest-priority rule that matches the packet.
+ * values to match for some fields or subfields and a priority.  Each OpenFlow
+ * table is implemented as a flow classifier.
  *
- * Each OpenFlow table is implemented as a flow classifier.
+ * The classifier has two primary design goals.  The first is obvious: given a
+ * set of packet headers, as quickly as possible find the highest-priority rule
+ * that matches those headers.  The following section describes the second
+ * goal.
  *
  *
- * Basic Design
- * ============
+ * "Un-wildcarding"
+ * ================
+ *
+ * A primary goal of the flow classifier is to produce, as a side effect of a
+ * packet lookup, a wildcard mask that indicates which bits of the packet
+ * headers were essential to the classification result.  Ideally, a 1-bit in
+ * any position of this mask means that, if the corresponding bit in the packet
+ * header were flipped, then the classification result might change.  A 0-bit
+ * means that changing the packet header bit would have no effect.  Thus, the
+ * wildcarded bits are the ones that played no role in the classification
+ * decision.
+ *
+ * Such a wildcard mask is useful with datapaths that support installing flows
+ * that wildcard fields or subfields.  If an OpenFlow lookup for a TCP flow
+ * does not actually look at the TCP source or destination ports, for example,
+ * then the switch may install into the datapath a flow that wildcards the port
+ * numbers, which in turn allows the datapath to handle packets that arrive for
+ * other TCP source or destination ports without additional help from
+ * ovs-vswitchd.  This is useful for the Open vSwitch software and,
+ * potentially, for ASIC-based switches as well.
+ *
+ * Some properties of the wildcard mask:
+ *
+ *     - "False 1-bits" are acceptable, that is, setting a bit in the wildcard
+ *       mask to 1 will never cause a packet to be forwarded the wrong way.
+ *       As a corollary, a wildcard mask composed of all 1-bits will always
+ *       yield correct (but often needlessly inefficient) behavior.
+ *
+ *     - "False 0-bits" can cause problems, so they must be avoided.  In the
+ *       extreme case, a mask of all 0-bits is only correct if the classifier
+ *       contains only a single flow that matches all packets.
+ *
+ *     - 0-bits are desirable because they allow the datapath to act more
+ *       autonomously, relying less on ovs-vswitchd to process flow setups,
+ *       thereby improving performance.
+ *
+ *     - We don't know a good way to generate wildcard masks with the maximum
+ *       (correct) number of 0-bits.  We use various approximations, described
+ *       in later sections.
+ *
+ *     - Wildcard masks for lookups in a given classifier yield a
+ *       non-overlapping set of rules.  More specifically:
+ *
+ *       Consider an classifier C1 filled with an arbitrary collection of rules
+ *       and an empty classifier C2.  Now take a set of packet headers H and
+ *       look it up in C1, yielding a highest-priority matching rule R1 and
+ *       wildcard mask M.  Form a new classifier rule R2 out of packet headers
+ *       H and mask M, and add R2 to C2 with a fixed priority.  If one were to
+ *       do this for every possible set of packet headers H, then this
+ *       process would not attempt to add any overlapping rules to C2, that is,
+ *       any packet lookup using the rules generated by this process matches at
+ *       most one rule in C2.
+ *
+ * During the lookup process, the classifier starts out with a wildcard mask
+ * that is all 0-bits, that is, fully wildcarded.  As lookup proceeds, each
+ * step tends to add constraints to the wildcard mask, that is, change
+ * wildcarded 0-bits into exact-match 1-bits.  We call this "un-wildcarding".
+ * A lookup step that examines a particular field must un-wildcard that field.
+ * In general, un-wildcarding is necessary for correctness but undesirable for
+ * performance.
+ *
+ *
+ * Basic Classifier Design
+ * =======================
  *
  * Suppose that all the rules in a classifier had the same form.  For example,
  * suppose that they all matched on the source and destination Ethernet address
  *
  * This is how the classifier works.  In a "struct classifier", each form of
  * "struct cls_rule" present (based on its ->match.mask) goes into a separate
- * "struct cls_table".  A lookup does a hash lookup in every "struct cls_table"
- * in the classifier and tracks the highest-priority match that it finds.  The
- * tables are kept in a descending priority order according to the highest
- * priority rule in each table, which allows lookup to skip over tables that
- * can't possibly have a higher-priority match than already found.
+ * "struct cls_subtable".  A lookup does a hash lookup in every "struct
+ * cls_subtable" in the classifier and tracks the highest-priority match that
+ * it finds.  The subtables are kept in a descending priority order according
+ * to the highest priority rule in each subtable, which allows lookup to skip
+ * over subtables that can't possibly have a higher-priority match than already
+ * found.  Eliminating lookups through priority ordering aids both classifier
+ * primary design goals: skipping lookups saves time and avoids un-wildcarding
+ * fields that those lookups would have examined.
  *
  * One detail: a classifier can contain multiple rules that are identical other
  * than their priority.  When this happens, only the highest priority rule out
  * of a group of otherwise identical rules is stored directly in the "struct
- * cls_table", with the other almost-identical rules chained off a linked list
- * inside that highest-priority rule.
+ * cls_subtable", with the other almost-identical rules chained off a linked
+ * list inside that highest-priority rule.
+ *
+ *
+ * Staged Lookup (Wildcard Optimization)
+ * =====================================
+ *
+ * Subtable lookup is performed in ranges defined for struct flow, starting
+ * from metadata (registers, in_port, etc.), then L2 header, L3, and finally
+ * L4 ports.  Whenever it is found that there are no matches in the current
+ * subtable, the rest of the subtable can be skipped.
+ *
+ * Staged lookup does not reduce lookup time, and it may increase it, because
+ * it changes a single hash table lookup into multiple hash table lookups.
+ * It reduces un-wildcarding significantly in important use cases.
  *
  *
- * Partitioning
- * ============
+ * Prefix Tracking (Wildcard Optimization)
+ * =======================================
+ *
+ * Classifier uses prefix trees ("tries") for tracking the used
+ * address space, enabling skipping classifier tables containing
+ * longer masks than necessary for the given address.  This reduces
+ * un-wildcarding for datapath flows in parts of the address space
+ * without host routes, but consulting extra data structures (the
+ * tries) may slightly increase lookup time.
+ *
+ * Trie lookup is interwoven with staged lookup, so that a trie is
+ * searched only when the configured trie field becomes relevant for
+ * the lookup.  The trie lookup results are retained so that each trie
+ * is checked at most once for each classifier lookup.
+ *
+ * This implementation tracks the number of rules at each address
+ * prefix for the whole classifier.  More aggressive table skipping
+ * would be possible by maintaining lists of tables that have prefixes
+ * at the lengths encountered on tree traversal, or by maintaining
+ * separate tries for subsets of rules separated by metadata fields.
+ *
+ * Prefix tracking is configured via OVSDB "Flow_Table" table,
+ * "fieldspec" column.  "fieldspec" is a string map where a "prefix"
+ * key tells which fields should be used for prefix tracking.  The
+ * value of the "prefix" key is a comma separated list of field names.
+ *
+ * There is a maximum number of fields that can be enabled for any one
+ * flow table.  Currently this limit is 3.
+ *
+ *
+ * Partitioning (Lookup Time and Wildcard Optimization)
+ * ====================================================
  *
  * Suppose that a given classifier is being used to handle multiple stages in a
  * pipeline using "resubmit", with metadata (that is, the OpenFlow 1.1+ field
  * The classifier has a special optimization to speed up matching in this
  * scenario:
  *
- *     - Each cls_table that matches on metadata gets a tag derived from the
- *       table's mask, so that it is likely that each table has a unique tag.
- *       (Duplicate tags have a performance cost but do not affect
+ *     - Each cls_subtable that matches on metadata gets a tag derived from the
+ *       subtable's mask, so that it is likely that each subtable has a unique
+ *       tag.  (Duplicate tags have a performance cost but do not affect
  *       correctness.)
  *
  *     - For each metadata value matched by any cls_rule, the classifier
  *       constructs a "struct cls_partition" indexed by the metadata value.
  *       The cls_partition has a 'tags' member whose value is the bitwise-OR of
- *       the tags of each cls_table that contains any rule that matches on the
- *       cls_partition's metadata value.  In other words, struct cls_partition
- *       associates metadata values with tables that need to be checked with
- *       flows with that specific metadata value.
+ *       the tags of each cls_subtable that contains any rule that matches on
+ *       the cls_partition's metadata value.  In other words, struct
+ *       cls_partition associates metadata values with subtables that need to
+ *       be checked with flows with that specific metadata value.
  *
  * Thus, a flow lookup can start by looking up the partition associated with
- * the flow's metadata, and then skip over any cls_table whose 'tag' does not
- * intersect the partition's 'tags'.  (The flow must also be looked up in any
- * cls_table that doesn't match on metadata.  We handle that by giving any such
- * cls_table TAG_ALL as its 'tags' so that it matches any tag.)
+ * the flow's metadata, and then skip over any cls_subtable whose 'tag' does
+ * not intersect the partition's 'tags'.  (The flow must also be looked up in
+ * any cls_subtable that doesn't match on metadata.  We handle that by giving
+ * any such cls_subtable TAG_ALL as its 'tags' so that it matches any tag.)
+ *
+ * Partitioning saves lookup time by reducing the number of subtable lookups.
+ * Each eliminated subtable lookup also reduces the amount of un-wildcarding.
  *
  *
  * Thread-safety
  * =============
  *
- * When locked properly, the classifier is thread safe as long as the following
- * conditions are satisfied.
- * - Only the main thread calls functions requiring a write lock.
- * - Only the main thread is allowed to iterate over rules. */
+ * The classifier may safely be accessed by many reader threads concurrently or
+ * by a single writer. */
 
+#include "fat-rwlock.h"
 #include "flow.h"
+#include "hindex.h"
 #include "hmap.h"
 #include "list.h"
 #include "match.h"
+#include "meta-flow.h"
 #include "tag.h"
 #include "openflow/nicira-ext.h"
 #include "openflow/openflow.h"
@@ -119,52 +233,31 @@ extern "C" {
 /* Needed only for the lock annotation in struct classifier. */
 extern struct ovs_mutex ofproto_mutex;
 
+/* Classifier internal data structures. */
+struct cls_classifier;
+struct cls_subtable;
+struct cls_partition;
+
 /* A flow classifier. */
 struct classifier {
-    int n_rules;                /* Total number of rules. */
-    struct hmap tables;         /* Contains "struct cls_table"s.  */
-    struct list tables_priority; /* Tables in descending priority order */
-    struct hmap partitions;     /* Contains "struct cls_partition"s. */
-    struct ovs_rwlock rwlock OVS_ACQ_AFTER(ofproto_mutex);
+    struct fat_rwlock rwlock OVS_ACQ_AFTER(ofproto_mutex);
+    struct cls_classifier *cls;
 };
 
-/* A set of rules that all have the same fields wildcarded. */
-struct cls_table {
-    struct hmap_node hmap_node; /* Within struct classifier 'tables' hmap. */
-    struct list list_node;      /* Within classifier 'tables_priority_list' */
-    struct hmap rules;          /* Contains "struct cls_rule"s. */
-    struct minimask mask;       /* Wildcards for fields. */
-    int n_table_rules;          /* Number of rules, including duplicates. */
-    unsigned int max_priority;  /* Max priority of any rule in the table. */
-    unsigned int max_count;     /* Count of max_priority rules. */
-    tag_type tag;               /* Tag generated from mask for partitioning. */
+enum {
+    CLS_MAX_INDICES = 3, /* Maximum number of lookup indices per subtable. */
+    CLS_MAX_TRIES = 3    /* Maximum number of prefix trees per classifier. */
 };
 
-/* Returns true if 'table' is a "catch-all" table that will match every
- * packet (if there is no higher-priority match). */
-static inline bool
-cls_table_is_catchall(const struct cls_table *table)
-{
-    return minimask_is_catchall(&table->mask);
-}
-
-/* A rule in a "struct cls_table". */
+/* A rule in a "struct cls_subtable". */
 struct cls_rule {
-    struct hmap_node hmap_node; /* Within struct cls_table 'rules'. */
+    struct hmap_node hmap_node; /* Within struct cls_subtable 'rules'. */
     struct list list;           /* List of identical, lower-priority rules. */
     struct minimatch match;     /* Matching rule. */
     unsigned int priority;      /* Larger numbers are higher priorities. */
     struct cls_partition *partition;
-};
-
-/* Associates a metadata value (that is, a value of the OpenFlow 1.1+ metadata
- * field) with tags for the "cls_table"s that contain rules that match that
- * metadata value.  */
-struct cls_partition {
-    struct hmap_node hmap_node; /* In struct classifier's 'partitions' hmap. */
-    ovs_be64 metadata;          /* metadata value for this partition. */
-    tag_type tags;              /* OR of each included flow's cls_table tag. */
-    struct tag_tracker tracker; /* Tracks the bits in 'tags'. */
+    struct hindex_node index_nodes[CLS_MAX_INDICES]; /* Within subtable's
+                                                      * 'indices'. */
 };
 
 void cls_rule_init(struct cls_rule *, const struct match *,
@@ -185,8 +278,13 @@ bool cls_rule_is_catchall(const struct cls_rule *);
 bool cls_rule_is_loose_match(const struct cls_rule *rule,
                              const struct minimatch *criteria);
 
-void classifier_init(struct classifier *cls);
+void classifier_init(struct classifier *cls, const uint8_t *flow_segments);
 void classifier_destroy(struct classifier *);
+void classifier_set_prefix_fields(struct classifier *cls,
+                                  const enum mf_field_id *trie_fields,
+                                  unsigned int n_trie_fields)
+    OVS_REQ_WRLOCK(cls->rwlock);
+
 bool classifier_is_empty(const struct classifier *cls)
     OVS_REQ_RDLOCK(cls->rwlock);
 int classifier_count(const struct classifier *cls)
@@ -201,6 +299,9 @@ struct cls_rule *classifier_lookup(const struct classifier *cls,
                                    const struct flow *,
                                    struct flow_wildcards *)
     OVS_REQ_RDLOCK(cls->rwlock);
+struct cls_rule *classifier_lookup_miniflow_first(const struct classifier *cls,
+                                                  const struct miniflow *)
+    OVS_REQ_RDLOCK(cls->rwlock);
 bool classifier_rule_overlaps(const struct classifier *cls,
                               const struct cls_rule *)
     OVS_REQ_RDLOCK(cls->rwlock);
@@ -218,15 +319,15 @@ struct cls_rule *classifier_find_match_exactly(const struct classifier *cls,
 /* Iteration. */
 
 struct cls_cursor {
-    const struct classifier *cls;
-    const struct cls_table *table;
+    const struct cls_classifier *cls;
+    const struct cls_subtable *subtable;
     const struct cls_rule *target;
 };
 
 void cls_cursor_init(struct cls_cursor *cursor, const struct classifier *cls,
                      const struct cls_rule *match) OVS_REQ_RDLOCK(cls->rwlock);
 struct cls_rule *cls_cursor_first(struct cls_cursor *cursor);
-struct cls_rule *cls_cursor_next(struct cls_cursor *cursor, const struct cls_rule *);
+struct cls_rule *cls_cursor_next(struct cls_cursor *, const struct cls_rule *);
 
 #define CLS_CURSOR_FOR_EACH(RULE, MEMBER, CURSOR)                       \
     for (ASSIGN_CONTAINER(RULE, cls_cursor_first(CURSOR), MEMBER);      \