P4 学习笔记（一）- 导论

导言

这几年 Programmable Hardwares（可编程硬件）越来越重要了。大家比较熟悉的可能有 FPGA 在 Machine Learning 领域针对一些特别的算法进行计算加速，包括谷歌的 TPU、苹果 M1 芯片里面的神经网络计算单元，都是在 FPGA 上面做 prototype 测试之后才做成 ASIC 产品发布出来的。

计算机网络方面，上个时代的 OpenFlow[2]讲究的是在 Control Plane （控制层）可以实时（runtime）改写 switch 和 router 上的路由表。OpenFlow 的工作方式可以简单的用下面这个图来说明。

Source: github.com/nsg-ethz/p4-learning

当我们收到一个从 1.2.1.1 到 3.4.5.6 的网络包的时候，我们会在 switch 上面对照已经配置好的 rules，每个 rule 是一个 match action function。比如对于这个网络包，前两个 rule 都是符合的，第一个 rule 对应的 action 是丢掉这个包，第二个 rule 对应的 action 是从 2 号 port 转发出去。但每个 rule 的前面还有一个优先级，在有多个 rules 同时匹配的情况下，会选择最高优先级的 rule，所以这个包最终会被无情的丢掉。

十年过去了，OpenFlow 也尝试过广泛的部署，但是也面临了很多很多的问题，比如：

各个大厂生产的 switch 规格不一样，能够存储的 rules 的数量不一样…
Control Plane 比 Data Plane 慢了太多，有太多时延…
可以实时编程的结果引入了新的复杂度，进而产生了更多可能的 bug…
…

所以大佬们开始琢磨，能不能从更底层入手，搞一个 Protocol Independent Switch Architecture (PISA) 出来，就把计算机网络里 packet 的转发最基础的过程高度抽象化，变成下面这个图的样子，从左到右，分别是：

Parser：先看看包里面都有啥，每一个 bit 都是什么；
Ingress：一堆 Match-Action 的流水线，看看哪些 bits 组成的 fields 有没有我们想要的，比如目标 IP 是不是 8.8.8.8，是的话就改写一下 header 让包能被转发到它该去的地方；
Switching Logic：还要有个地方实现我们想要的逻辑，或者为了高性能，放一个 buffer，存放刚被上一个环节处理完，准备给下一个环节处理的包[3]；
Egress：又来一堆 Match-Action 的流水线，比如改写源 MAC 地址，同时提供更多对网络包的操作空间；
Deparser：最后把我们改写好的 headers 重新写回网络包，然后送它出去。

PISA, Source: github.com/nsg-ethz/p4-learning

为了能够实现这样一个架构，P4[4]，就这么诞生了。P4 + PISA 其实就是一个更具普适性的 OpenFlow。

初识 P4

P4 作为一个编程语言，还算比较年轻，但也已经有 6 年多的历史了。类似于 Python 2 和 3 的版本区别，P4 也有两个版本，老的是 P4 14，新的是 P4 16。现在大厂都支持 P4 16，所以我们就好好学习新版的就好了。

P4 16 实现的模型基本等同于 PISA，叫做 v1model，长成下面这个样子。

Source: https://p4.org/p4-spec/p4-14/v1.0.4/tex/p4.pdf

毕竟作为一个假装是硬件语言的语言，用 P4 编出来的逻辑，也可以实现在 FPGA 上，比如 Xilinx 的 NetFPGA Sume（关于如何购买这块板子，可以看我之前写过的回答：斯坦福使用netfpga 开发板在哪儿可以购买？）。大概的逻辑就是下图所示。由 P4 的代码，经由 Xilinx 的编译器编译成他们的架构可以理解的 binary，就可以在具有超高 throughput 的板子上跑了。当然这一切说来简单，真正去用了 Xilinx 的编译器，然后仿真验证，再上板子上跑，其实是很漫长的过程… 而且一路都会被玄学的迷雾所笼罩，所以如果有同学在做这方面的工作，加油你是最棒的！

Source: http://isfpga.org/fpga2018/slides/FPGA-2018-P4-tutorial.pdf

接下来就说一下 P4 的语法。P4 是一种静态语言，有点类似 C。一个代码文件基本上都长成下面这个样子。

Source: github.com/nsg-ethz/p4-learning

Libraries：一开始要 include 一些库文件，省的造轮子；
Declarations：定义一下基本的数据结构，也支持 typedef；
Parse packet headers：这个 Parser 的地方会放一些解析 headers 的代码；
Control flow：这个地方基本是最重要的逻辑部分了，这里会通过我们定义的 Match-Action functions 按照修改网络包里的内容（这里只写了 Ingress 这一步，其实还会有 Egress，等到下面 main 的时候会提到）；
Assemble：然后就是在 Deparser 的地方会把我们前面改好的部分重新组装成为一个新的 packet，转发出去；
main()：这就是我们的 main 函数了，这里其实就是把我们刚刚写的所有的部分，按照正确的顺序排列好，一个一个的调用，所有的步骤都已经罗列出来了：
- 大体的结构可以分成三段式：Parser -> Match-Action Pipeline -> Deparser
  - 是不是和 PISA 的结构很像？

P4 的工作流

小结

这一篇简单介绍了一下 P4 的背景，和基本的架构，它所做的，就是把计算机网络里最基本的 packet forwarding 进行了高度的抽象，变成 Parser, Match-Action Pipeline (Ingress & Egress), Deparser 等一系列过程，更方便大家在不那么“灵活”的硬件上编写自己设计的“灵活”的 protocol。

这一篇就先说这么多，如果有同学看到的话，希望这篇文章能让你对 P4 有了一个大概的认识。

如果大家有兴趣，欢迎去看P4 学习笔记（二）- 语法基础和 Parser。我会继续讲 P4 的基本数据结构和语法，然后学习一下上面工作流那个图里面的第一个 Parser 的部分。

参考

^ETHz Networking Systems Group: P4-Learning https://github.com/nsg-ethz/p4-learning
^1 https://dl.acm.org/citation.cfm?id=1355746
^Maglev: A Fast and Reliable Software Network Load Balancer https://www.usenix.org/conference/nsdi16/technical-sessions/presentation/eisenbud
^P4: Programming Protocol-Independent Packet Processors https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/2656877.2656890

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