P4基础理论

P4基础理论

P4_tutorial.pptx链接

P4架构

图片来自官方P4_tutorial.pptx 中，7-21页内容

自底向上的设计使得灵活的网络需求无法下发给交换机，所以更好的方法是自顶向下的设计，用户/控制器确定规则。我们真正想要的是，能够在high-level上精确定义芯片应该如何处理数据包（通过编写p4程序实现）

P4基于高速的包处理设备的抽象模型，称为PISA，代表协议无关的交换机架构（Protocol-Independent Switch Architecture），主要包括三个部分：

• parser：用于解析数据包，生成独立的数据包头与中间信息
• match-action pipeline：用于定义table和准确的处理算法
• deparser：用于声明输出数据包的格式

parser被建模为一个简单的、确定性的状态机，它通常根据事先指定的包头中，特定字段的值进行状态间的跳转；match-action pipeline是PISA架构的核心，可以将一些数据与对应的表（包含一些entry）进行匹配，并进行相应的action；deparser与parser相反，它重新组装数据包，数据包重新被序列化

P4 Target：特定的硬件实现

P4 Architecture：通过一组P4可编程、外部（externs）与固定组件，提供对P4 Target进行编程的接口

除了V1Model，目前还有Portable Switch Architecture和Tofino native等架构，其中tofino native的架构比v1model有更多的功能，PSA的架构可以被更多的target （FPGA，ASIC，Software）所支持

可以按照v1model的架构来写程序，之后compiler会帮助把v1model的程序转换成其他的架构的程序

对一个P4 target编写P4程序的过程，由几个部分构成：

• 用户提供：P4程序与控制平面
• 厂家提供：P4架构模型，编译器，目标硬件
• runtime：添加/删除流表，外部控制（这两个是从控制平面到数据平面），数据包信息上报控制面（从数据平面到控制平面）

V1Model架构包括5个部分：

• Parser：解析器，对数据包根据预先定义好的格式进行解析，并提取头部的各个字段
• Ingress：Ingress流水线部分，数据处理逻辑的入口
• TM：Traffic Manager，定义核心的处理逻辑
• Egress：Egress流水线部分，数据处理逻辑的出口
• Deparser：对数据包进行重组

P4基础语法

官方P4_tutorial.pptx 中，22-47页讨论了这部分内容

P4-16代码模板如图所示：

数据类型

basic types：

• bit <n>：n位的无符号整型（bitstring）
• bit：等价于bit <1>
• int <n>：n（n >=2）位的有符号整型
• varbit <n>：最大为n位的，变长bitstring

header types：是members的有序集合，其成员的类型可以是bit<n>、int<n>和varbit<n>

header类型的注意事项：

• 长度需要字节对齐，即长度必须是8bit的整数倍
• header可以是有效的（valid）或者无效的（invalid），可以使用isValid()测试有效位，用setValid()和setInvalid()设置有效位

typedef：为type设置别名，例如typedef bit<32> ip4Addr_t;

struct：是无序的数据类型集合，且不需要字节对齐，可用于组织元数据，例如struct standard_metadata_t

header stack：一组header（可看作数组形式）；header union：是header的集合，只能使用其中一个

parser部分

parser类似于C语言中的函数（允许循环），通过一系列状态（state）的执行与转换，提取报头字段与元数据

每个parser都有三个预设状态，其他状态可由用户自行定义：

• start：进入parser功能块后的第一个状态，自动进入
• accept：进入accept状态，则表示数据报进入后续control流程
• reject：数据包被丢弃

parser中每个状态执行0次或以上后转换为其他状态（允许循环）

• transition关键字用于parser在状态之间转换，例如transition accept;
• transition select(data){...}可根据data的值转换到不同状态，类似于C语言中的switch case，但不需要用break语句跳出

control部分

control类似于C语言中的函数（不能有循环）：

• 在control中，可以声明变量、创建tables，以及实例化externs等
• 具体的功能由apply{}中的代码进行声明

action关键字：

• 类似于C语言中的函数
• action可以在control内声明，也可以在control外全局定义
• action的参数有类型与方向（有in, out, inout）

关于table：

• 指定要匹配（match）的数据和匹配类型（有exact精确匹配、ternary、lpm最长前缀匹配等）
• 指定一系列可能的actions
• 可以选择性地指定一些table属性，包括size，default_action（默认动作），const enries
• 要在apply{}中添加table名.apply()才能应用这个table
• 每个table都有一或多个entries（rules），一个entry中包括：
  • 用于匹配的特定key
  • 当数据包匹配这个entry时，一个action将被执行
  • action data（可能为空）

deparser部分

deparser 将headers按顺序组装到数据报中，使用control功能进行表示即可

emit(hdr)：如果该报头有效，则将其按序组装到数据报中