用P4对数据平面进行编程

引言

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• 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

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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

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• 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

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• 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。