用P4对数据平面进行编程
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 |
| 表 | 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。
