引言


  • SDN架构强调了对控制平面的可编程,数据平面只负责转发,导致数据平面很大程度上受制于功能固定的包处理硬件。
  • P4语言的特性:
    • 目标无关性:P4语言不受制于具体设备,所有可编程芯片都可以使用P4编程。
    • 协议无关性:P4可以表达任何转发行为。
  • P4可以生成南向API,帮助控制器与数据平面交互。
  • 交换机通过P4,也可以变成防火墙、负载均衡器等等网络设备。

可编程数据平面的目标


不同领域 目标
网络服务厂商 快速迭代,易修复漏洞
网络拥有着 自定义网络功能,百家争鸣
芯片制造商 不用考虑过多的协议细节(协议无关),只考虑提升芯片的转发速度。
科研人员 容易实现研发的新功能。
  • P4的总体好处

    • 新功能:频繁的推出新的网络功能。
    • 降低复杂性:交换机中不用事先设定好那么多复杂的协议(其实有些协议已经不经常使用了),通过P4定义转发规则。省去或者去掉那些不使用且复杂的协议。
    • 提高资源利用率:去掉一些不必要的协议,网络资源利用率自然提高。
    • 可视化:传统硬件只负责转发,忽视了流量的监控、分析、诊断功能。加入可编程后,可以通过自定义模块来增加这些功能。
    • 模块化:别人写的P4代码库可以被调用。
    • 可移植性:一个P4代码可以配置到多台交换机上。

协议无关交换机架构


  • 中端包处理硬件:CPU,FPGA。
  • 中端包处理硬件的速度还不够,而且可编程高速包处理硬件是可行的,额外开销也可以做到足够低。

PISA架构

  • PISA包括:可编程解析器,可编程匹配单元。
  • 必须通过编程来告诉解析器和匹配-动作单元:
    • 怎么解析包。
    • 解析之后根据什么匹配。
    • 每个匹配之后要执行什么动作。
  • 没有配置的PISA芯片不会实现任何功能,这也是协议无关的一个体现。
  • PISA内部有多个匹配-动作单元,多个包处理阶段以流水线方式工作(循序安排)。
  • 每个阶段有多个匹配-动作单元并行。好像超标量流水线
  • PISA中其它的基本模块
名称 功能
逆解析模块 逆解析:经过修改过的数据包头在输出之前需要重新组合,PISA的逆解析操作也是可编程的。
回流路径 某些数据包需要重新反馈到流水线进行重新处理。
可编程数据包生成器 CPU(控制平面)可以将周期生成数据包的工作交给这个模块。有些特殊情况是要生成数据包的
连接数据平面与控制平面的高带宽通道 顾名思义

P4语言简介


  • P4程序构成
模块 功能
包头 定义一系列数据包头部字段的长度,顺序。
解析器 如何识别出包头
匹配动作表。定义匹配字段(包括:完全匹配,三元匹配,最长前缀匹配,范围匹配。)和相应的操作。
动作 表中的动作。自定义执行序列。
控制顺序 定义以什么顺序用表来处理包。一个表到下一个表的控制流(由条件语句和表的引用组成的命令程序)
  • P4编译器的功能:P4语言-转换成交换机的硬件语言。

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