classifier: Add support for conjunctive matches.
[cascardo/ovs.git] / lib / classifier.h
1 /*
2  * Copyright (c) 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015 Nicira, Inc.
3  *
4  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
5  * you may not use this file except in compliance with the License.
6  * You may obtain a copy of the License at:
7  *
8  *     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
9  *
10  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
11  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
12  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
13  * See the License for the specific language governing permissions and
14  * limitations under the License.
15  */
16
17 #ifndef CLASSIFIER_H
18 #define CLASSIFIER_H 1
19
20 /* Flow classifier.
21  *
22  *
23  * What?
24  * =====
25  *
26  * A flow classifier holds any number of "rules", each of which specifies
27  * values to match for some fields or subfields and a priority.  Each OpenFlow
28  * table is implemented as a flow classifier.
29  *
30  * The classifier has two primary design goals.  The first is obvious: given a
31  * set of packet headers, as quickly as possible find the highest-priority rule
32  * that matches those headers.  The following section describes the second
33  * goal.
34  *
35  *
36  * "Un-wildcarding"
37  * ================
38  *
39  * A primary goal of the flow classifier is to produce, as a side effect of a
40  * packet lookup, a wildcard mask that indicates which bits of the packet
41  * headers were essential to the classification result.  Ideally, a 1-bit in
42  * any position of this mask means that, if the corresponding bit in the packet
43  * header were flipped, then the classification result might change.  A 0-bit
44  * means that changing the packet header bit would have no effect.  Thus, the
45  * wildcarded bits are the ones that played no role in the classification
46  * decision.
47  *
48  * Such a wildcard mask is useful with datapaths that support installing flows
49  * that wildcard fields or subfields.  If an OpenFlow lookup for a TCP flow
50  * does not actually look at the TCP source or destination ports, for example,
51  * then the switch may install into the datapath a flow that wildcards the port
52  * numbers, which in turn allows the datapath to handle packets that arrive for
53  * other TCP source or destination ports without additional help from
54  * ovs-vswitchd.  This is useful for the Open vSwitch software and,
55  * potentially, for ASIC-based switches as well.
56  *
57  * Some properties of the wildcard mask:
58  *
59  *     - "False 1-bits" are acceptable, that is, setting a bit in the wildcard
60  *       mask to 1 will never cause a packet to be forwarded the wrong way.
61  *       As a corollary, a wildcard mask composed of all 1-bits will always
62  *       yield correct (but often needlessly inefficient) behavior.
63  *
64  *     - "False 0-bits" can cause problems, so they must be avoided.  In the
65  *       extreme case, a mask of all 0-bits is only correct if the classifier
66  *       contains only a single flow that matches all packets.
67  *
68  *     - 0-bits are desirable because they allow the datapath to act more
69  *       autonomously, relying less on ovs-vswitchd to process flow setups,
70  *       thereby improving performance.
71  *
72  *     - We don't know a good way to generate wildcard masks with the maximum
73  *       (correct) number of 0-bits.  We use various approximations, described
74  *       in later sections.
75  *
76  *     - Wildcard masks for lookups in a given classifier yield a
77  *       non-overlapping set of rules.  More specifically:
78  *
79  *       Consider an classifier C1 filled with an arbitrary collection of rules
80  *       and an empty classifier C2.  Now take a set of packet headers H and
81  *       look it up in C1, yielding a highest-priority matching rule R1 and
82  *       wildcard mask M.  Form a new classifier rule R2 out of packet headers
83  *       H and mask M, and add R2 to C2 with a fixed priority.  If one were to
84  *       do this for every possible set of packet headers H, then this
85  *       process would not attempt to add any overlapping rules to C2, that is,
86  *       any packet lookup using the rules generated by this process matches at
87  *       most one rule in C2.
88  *
89  * During the lookup process, the classifier starts out with a wildcard mask
90  * that is all 0-bits, that is, fully wildcarded.  As lookup proceeds, each
91  * step tends to add constraints to the wildcard mask, that is, change
92  * wildcarded 0-bits into exact-match 1-bits.  We call this "un-wildcarding".
93  * A lookup step that examines a particular field must un-wildcard that field.
94  * In general, un-wildcarding is necessary for correctness but undesirable for
95  * performance.
96  *
97  *
98  * Basic Classifier Design
99  * =======================
100  *
101  * Suppose that all the rules in a classifier had the same form.  For example,
102  * suppose that they all matched on the source and destination Ethernet address
103  * and wildcarded all the other fields.  Then the obvious way to implement a
104  * classifier would be a hash table on the source and destination Ethernet
105  * addresses.  If new classification rules came along with a different form,
106  * you could add a second hash table that hashed on the fields matched in those
107  * rules.  With two hash tables, you look up a given flow in each hash table.
108  * If there are no matches, the classifier didn't contain a match; if you find
109  * a match in one of them, that's the result; if you find a match in both of
110  * them, then the result is the rule with the higher priority.
111  *
112  * This is how the classifier works.  In a "struct classifier", each form of
113  * "struct cls_rule" present (based on its ->match.mask) goes into a separate
114  * "struct cls_subtable".  A lookup does a hash lookup in every "struct
115  * cls_subtable" in the classifier and tracks the highest-priority match that
116  * it finds.  The subtables are kept in a descending priority order according
117  * to the highest priority rule in each subtable, which allows lookup to skip
118  * over subtables that can't possibly have a higher-priority match than already
119  * found.  Eliminating lookups through priority ordering aids both classifier
120  * primary design goals: skipping lookups saves time and avoids un-wildcarding
121  * fields that those lookups would have examined.
122  *
123  * One detail: a classifier can contain multiple rules that are identical other
124  * than their priority.  When this happens, only the highest priority rule out
125  * of a group of otherwise identical rules is stored directly in the "struct
126  * cls_subtable", with the other almost-identical rules chained off a linked
127  * list inside that highest-priority rule.
128  *
129  *
130  * Staged Lookup (Wildcard Optimization)
131  * =====================================
132  *
133  * Subtable lookup is performed in ranges defined for struct flow, starting
134  * from metadata (registers, in_port, etc.), then L2 header, L3, and finally
135  * L4 ports.  Whenever it is found that there are no matches in the current
136  * subtable, the rest of the subtable can be skipped.
137  *
138  * Staged lookup does not reduce lookup time, and it may increase it, because
139  * it changes a single hash table lookup into multiple hash table lookups.
140  * It reduces un-wildcarding significantly in important use cases.
141  *
142  *
143  * Prefix Tracking (Wildcard Optimization)
144  * =======================================
145  *
146  * Classifier uses prefix trees ("tries") for tracking the used
147  * address space, enabling skipping classifier tables containing
148  * longer masks than necessary for the given address.  This reduces
149  * un-wildcarding for datapath flows in parts of the address space
150  * without host routes, but consulting extra data structures (the
151  * tries) may slightly increase lookup time.
152  *
153  * Trie lookup is interwoven with staged lookup, so that a trie is
154  * searched only when the configured trie field becomes relevant for
155  * the lookup.  The trie lookup results are retained so that each trie
156  * is checked at most once for each classifier lookup.
157  *
158  * This implementation tracks the number of rules at each address
159  * prefix for the whole classifier.  More aggressive table skipping
160  * would be possible by maintaining lists of tables that have prefixes
161  * at the lengths encountered on tree traversal, or by maintaining
162  * separate tries for subsets of rules separated by metadata fields.
163  *
164  * Prefix tracking is configured via OVSDB "Flow_Table" table,
165  * "fieldspec" column.  "fieldspec" is a string map where a "prefix"
166  * key tells which fields should be used for prefix tracking.  The
167  * value of the "prefix" key is a comma separated list of field names.
168  *
169  * There is a maximum number of fields that can be enabled for any one
170  * flow table.  Currently this limit is 3.
171  *
172  *
173  * Partitioning (Lookup Time and Wildcard Optimization)
174  * ====================================================
175  *
176  * Suppose that a given classifier is being used to handle multiple stages in a
177  * pipeline using "resubmit", with metadata (that is, the OpenFlow 1.1+ field
178  * named "metadata") distinguishing between the different stages.  For example,
179  * metadata value 1 might identify ingress rules, metadata value 2 might
180  * identify ACLs, and metadata value 3 might identify egress rules.  Such a
181  * classifier is essentially partitioned into multiple sub-classifiers on the
182  * basis of the metadata value.
183  *
184  * The classifier has a special optimization to speed up matching in this
185  * scenario:
186  *
187  *     - Each cls_subtable that matches on metadata gets a tag derived from the
188  *       subtable's mask, so that it is likely that each subtable has a unique
189  *       tag.  (Duplicate tags have a performance cost but do not affect
190  *       correctness.)
191  *
192  *     - For each metadata value matched by any cls_rule, the classifier
193  *       constructs a "struct cls_partition" indexed by the metadata value.
194  *       The cls_partition has a 'tags' member whose value is the bitwise-OR of
195  *       the tags of each cls_subtable that contains any rule that matches on
196  *       the cls_partition's metadata value.  In other words, struct
197  *       cls_partition associates metadata values with subtables that need to
198  *       be checked with flows with that specific metadata value.
199  *
200  * Thus, a flow lookup can start by looking up the partition associated with
201  * the flow's metadata, and then skip over any cls_subtable whose 'tag' does
202  * not intersect the partition's 'tags'.  (The flow must also be looked up in
203  * any cls_subtable that doesn't match on metadata.  We handle that by giving
204  * any such cls_subtable TAG_ALL as its 'tags' so that it matches any tag.)
205  *
206  * Partitioning saves lookup time by reducing the number of subtable lookups.
207  * Each eliminated subtable lookup also reduces the amount of un-wildcarding.
208  *
209  *
210  * Thread-safety
211  * =============
212  *
213  * The classifier may safely be accessed by many reader threads concurrently or
214  * by a single writer. */
215
216 #include "cmap.h"
217 #include "match.h"
218 #include "meta-flow.h"
219 #include "pvector.h"
220 #include "rculist.h"
221
222 #ifdef __cplusplus
223 extern "C" {
224 #endif
225
226 /* Classifier internal data structures. */
227 struct cls_subtable;
228 struct cls_match;
229
230 struct trie_node;
231 typedef OVSRCU_TYPE(struct trie_node *) rcu_trie_ptr;
232
233 /* Prefix trie for a 'field' */
234 struct cls_trie {
235     const struct mf_field *field; /* Trie field, or NULL. */
236     rcu_trie_ptr root;            /* NULL if none. */
237 };
238
239 enum {
240     CLS_MAX_INDICES = 3,   /* Maximum number of lookup indices per subtable. */
241     CLS_MAX_TRIES = 3      /* Maximum number of prefix trees per classifier. */
242 };
243
244 /* A flow classifier. */
245 struct classifier {
246     int n_rules;                    /* Total number of rules. */
247     uint8_t n_flow_segments;
248     uint8_t flow_segments[CLS_MAX_INDICES]; /* Flow segment boundaries to use
249                                              * for staged lookup. */
250     struct cmap subtables_map;      /* Contains "struct cls_subtable"s.  */
251     struct pvector subtables;
252     struct cmap partitions;         /* Contains "struct cls_partition"s. */
253     struct cls_trie tries[CLS_MAX_TRIES]; /* Prefix tries. */
254     unsigned int n_tries;
255     bool publish;                   /* Make changes visible to lookups? */
256 };
257
258 struct cls_conjunction {
259     uint32_t id;
260     uint8_t clause;
261     uint8_t n_clauses;
262 };
263
264 /* A rule to be inserted to the classifier. */
265 struct cls_rule {
266     struct rculist node;         /* In struct cls_subtable 'rules_list'. */
267     int priority;                /* Larger numbers are higher priorities. */
268     struct cls_match *cls_match; /* NULL if not in a classifier. */
269     struct minimatch match;      /* Matching rule. */
270 };
271
272 void cls_rule_init(struct cls_rule *, const struct match *, int priority);
273 void cls_rule_init_from_minimatch(struct cls_rule *, const struct minimatch *,
274                                   int priority);
275 void cls_rule_clone(struct cls_rule *, const struct cls_rule *);
276 void cls_rule_move(struct cls_rule *dst, struct cls_rule *src);
277 void cls_rule_destroy(struct cls_rule *);
278
279 void cls_rule_set_conjunctions(struct cls_rule *,
280                                const struct cls_conjunction *, size_t n);
281
282 bool cls_rule_equal(const struct cls_rule *, const struct cls_rule *);
283 uint32_t cls_rule_hash(const struct cls_rule *, uint32_t basis);
284 void cls_rule_format(const struct cls_rule *, struct ds *);
285 bool cls_rule_is_catchall(const struct cls_rule *);
286 bool cls_rule_is_loose_match(const struct cls_rule *rule,
287                              const struct minimatch *criteria);
288
289 /* Constructor/destructor.  Must run single-threaded. */
290 void classifier_init(struct classifier *, const uint8_t *flow_segments);
291 void classifier_destroy(struct classifier *);
292
293 /* Modifiers.  Caller MUST exclude concurrent calls from other threads. */
294 bool classifier_set_prefix_fields(struct classifier *,
295                                   const enum mf_field_id *trie_fields,
296                                   unsigned int n_trie_fields);
297 void classifier_insert(struct classifier *, const struct cls_rule *,
298                        const struct cls_conjunction *, size_t n_conjunctions);
299 const struct cls_rule *classifier_replace(struct classifier *,
300                                           const struct cls_rule *,
301                                           const struct cls_conjunction *,
302                                           size_t n_conjunctions);
303 const struct cls_rule *classifier_remove(struct classifier *,
304                                          const struct cls_rule *);
305 static inline void classifier_defer(struct classifier *);
306 static inline void classifier_publish(struct classifier *);
307
308 /* Lookups.  These are RCU protected and may run concurrently with modifiers
309  * and each other. */
310 const struct cls_rule *classifier_lookup(const struct classifier *,
311                                          struct flow *,
312                                          struct flow_wildcards *);
313 bool classifier_rule_overlaps(const struct classifier *,
314                               const struct cls_rule *);
315 const struct cls_rule *classifier_find_rule_exactly(const struct classifier *,
316                                                     const struct cls_rule *);
317 const struct cls_rule *classifier_find_match_exactly(const struct classifier *,
318                                                      const struct match *,
319                                                      int priority);
320 bool classifier_is_empty(const struct classifier *);
321 int classifier_count(const struct classifier *);
322 \f
323 /* Iteration.
324  *
325  * Iteration is lockless and RCU-protected.  Concurrent threads may perform all
326  * kinds of concurrent modifications without ruining the iteration.  Obviously,
327  * any modifications may or may not be visible to the concurrent iterator, but
328  * all the rules not deleted are visited by the iteration.  The iterating
329  * thread may also modify the classifier rules itself.
330  *
331  * 'TARGET' iteration only iterates rules matching the 'TARGET' criteria.
332  * Rather than looping through all the rules and skipping ones that can't
333  * match, 'TARGET' iteration skips whole subtables, if the 'TARGET' happens to
334  * be more specific than the subtable. */
335 struct cls_cursor {
336     const struct classifier *cls;
337     const struct cls_subtable *subtable;
338     const struct cls_rule *target;
339     struct pvector_cursor subtables;
340     const struct cls_rule *rule;
341 };
342
343 struct cls_cursor cls_cursor_start(const struct classifier *cls,
344                                    const struct cls_rule *target);
345 void cls_cursor_advance(struct cls_cursor *);
346
347 #define CLS_FOR_EACH(RULE, MEMBER, CLS)             \
348     CLS_FOR_EACH_TARGET(RULE, MEMBER, CLS, NULL)
349 #define CLS_FOR_EACH_TARGET(RULE, MEMBER, CLS, TARGET)                  \
350     for (struct cls_cursor cursor__ = cls_cursor_start(CLS, TARGET);    \
351          (cursor__.rule                                                 \
352           ? (INIT_CONTAINER(RULE, cursor__.rule, MEMBER),               \
353              cls_cursor_advance(&cursor__),                             \
354              true)                                                      \
355           : false);                                                     \
356         )
357
358 #ifdef __cplusplus
359 }
360 #endif
361
362 \f
363 static inline void
364 classifier_defer(struct classifier *cls)
365 {
366     cls->publish = false;
367 }
368
369 static inline void
370 classifier_publish(struct classifier *cls)
371 {
372     cls->publish = true;
373     pvector_publish(&cls->subtables);
374 }
375 #endif /* classifier.h */