P4学习笔记（二）一个简单P4交换机实现

P4学习笔记（一）初始P4

文章目录

1、架构模型
2、预定义模块详细描述
- 2.1 Arbiter 模块
- 2.2 Parser runtime 模块
- 2.3 Demux 模块
3、代码声明文件
4、代码实现文件

本节主要讲诉利用P4实现一个最简单的交换机。首先会讲一下交换机的架构，然后给出具体的P4代码实现。

1、架构模型

简单P4交换机（VSS：very simple switch）它只是一个教学示例，说明了可编程交换机如何利用P4实现和代码编写。VSS具有许多固定功能块（在我们的示例中以浅蓝色显示），具体功能在下一小节描述。白色块为P4代码实现模块（parse、match-action pipeline、 deparse）。

VSS通过8个输入以太网端口之一，通过再循环通道或从直接连接到CPU的端口接收数据包。 VSS有一个单一的Parser，解析后输出到match-action pipline，pipline处理后输出到Deparse模块，经过Deparser后，数据包通过8个输出以太网端口之一或3个“特殊”端口之一发出：

发送到“ CPU端口”的数据包将发送到控制平面
发送到“丢弃端口”的数据包将被丢弃
发送到“再循环端口”的数据包通过特殊的输入端口重新注入到交换机中

图中的白色块是可编程的，用户必须提供相应的P4程序来指定每个此类块的行为。红色箭头指示用户定义的数据流。浅蓝色块是固定功能组件。绿色箭头是数据平面接口，用于在固定功能块和可编程块之间传递信息，这些功能在P4程序中作为内部元数据（译者注：类似于全局变量的概念）。

2、预定义模块详细描述

P4仅能实现部分模块功能，部分功能还是需要预定义模块来实现。

2.1 Arbiter 模块

从物理输入以太网端口之一，控制平面或输入再循环端口接收数据包。
对于从以太网端口接收的数据包，该模块计算以太网尾部校验和并进行验证。如果校验和不匹配，则丢弃数据包。如果校验和确实匹配，它已从数据包payload中删除。
如果有多个数据包，则接收数据包涉及运行仲裁算法。（译者注：没有太明白啥意思）
如果Arbiter 模块正在忙于处理先前的数据包，并且没有队列空间可用，则输入端口可能会丢弃到达的数据包，且不会提示。
接收到数据包后，Arbiter 块将inCtrl、inputPort值设置为match-action pipline输入，该值是数据包起源的输入端口的标识。物理以太网端口的编号为0到7，而输入再循环端口的编号为13，CPU端口的编号为14。

2.2 Parser runtime 模块

Parser runtime模块与Parser协同工作。它基于Parser的结果match-action pipline提供错误代码，并且向demux 模块提供关于数据包payload的信息（例如，剩余payload数据的大小）。 parser完成数据包的处理后，将使用关联的元数据作为输入（数据包头和用户定义的元数据）调用match-action pipline。

2.3 Demux 模块

Demux模块的核心功能是从deparser接收输出数据包的包头，从parser接收数据包的payload，将它们组合成新的数据包，然后将结果发送到正确的输出端口。输出端口由outCtrl.ouputPort的值指定，该值由match-action pipline设置。

丢弃报文：将数据包发送到丢弃端口会让数据包消失。
转发报文：将数据包发送到编号在0到7之间的输出以太网端口会导致它在相应的物理接口上发出。如果输出接口已经在忙于发出另一个数据包，则可以将该数据包放入队列中。发出数据包时，物理接口会计算正确的以太网校验和尾部并将其附加到数据包中。
上升到CPU：将数据包发送到输出CPU端口会使数据包传输到控制平面。在这种情况下，发送到CPU的数据包是原始输入数据包，而不是从Parser接收的数据包，从deparser接受后的包会被丢弃。
循环处理包：将数据包发送到输出再循环端口会使它出现在输入再循环端口。当无法单次完成数据包处理时，循环很有用。
非法包：如果outputPort的值非法（例如9），则数据包将被丢弃。
业务繁忙丢包：如果Demux 模块正忙于处理先前的数据包，并且没有能力将来自deparser的数据包排队，则解复用器可能会丢弃该数据包，而与指示的输出端口无关

3、代码声明文件

（译者注：文中的语法是基于P4_16的）下面一段代码是VSS的定义文件，定义了VSS所要用到的结构体以及函数声明。

// File "very_simple_switch_model.p4"
// Very Simple Switch P4 declaration
// core library needed for packet_in and packet_out definitions
# include <core.p4>/* Various constants and structure declarations */
/* ports are represented using 4-bit values */
typedef bit<4> PortId;/* only 8 ports are "real" */
const PortId REAL_PORT_COUNT = 4w8; // 4w8 is the number 8 in 4 bits/* metadata accompanying an input packet */
struct InControl {PortId inputPort;
}/* special input port values */
const PortId RECIRCULATE_IN_PORT = 0xD;
const PortId CPU_IN_PORT = 0xE;/* metadata that must be computed for outgoing packets */
struct OutControl {PortId outputPort;
}/* special output port values for outgoing packet */
const PortId DROP_PORT = 0xF;
const PortId CPU_OUT_PORT = 0xE;
const PortId RECIRCULATE_OUT_PORT = 0xD;/* Prototypes for all programmable blocks */
/**
* Programmable parser.
* @param <H> type of headers; defined by user
* @param b input packet
* @param parsedHeaders headers constructed by parser
*/
parser Parser<H>(packet_in b,out H parsedHeaders);/**
* Match-action pipeline
* @param <H> type of input and output headers
* @param headers headers received from the parser and sent to the deparser
* @param parseError error that may have surfaced during parsing
* @param inCtrl information from architecture, accompanying input packet
* @param outCtrl information for architecture, accompanying output packet
*/
control Pipe<H>(inout H headers,in error parseError,// parser errorin InControl inCtrl,// input portout OutControl outCtrl); // output port/**
* VSS deparser.
* @param <H> type of headers; defined by user
* @param b output packet
* @param outputHeaders headers for output packet
*/
control Deparser<H>(inout H outputHeaders,packet_out b);/**
* Top-level package declaration - must be instantiated by user.
* The arguments to the package indicate blocks that
* must be instantiated by the user.
* @param <H> user-defined type of the headers processed.
*/
package VSS<H>(Parser<H> p,Pipe<H> map,Deparser<H> d);// Architecture-specific objects that can be instantiated
// Checksum unit
extern Checksum16 {Checksum16(); // constructorvoid clear(); // prepare unit for computationvoid update<T>(in T data); // add data to checksumvoid remove<T>(in T data); // remove data from existing checksumbit<16> get(); // get the checksum for the data added since last clear
}

引入的 core.p4 是P4语言的内置库，定义了标准数据类型和错误类型
bit<4> 是具有4位的位字符串的类型。
语法4w0xF表示使用4位表示值15。另一种表示法是4w15。在许多情况下，可以省略width修饰符，只写15。
error是用于保存错误代码的内置P4类型
Parser 声明
```
parser Parser<H>(packet_in b, out H parsedHeaders);
```
该声明描述了解析器的接口，但尚未描述其实现，该接口将由程序员负责实现。解析器从packet_in读取其输入，packet_in是在core.p4库中声明的P4 extern对象。解析器将其输出（关键字out）写入parsedHeaders参数。此参数的类型为H，但是具体类型不知道，需要程序员提供。
Match-Action pipeline 声明
```
control Pipe<H>(inout H headers,in error parseError,// parser errorin InControl inCtrl,// input portout OutControl outCtrl); // output port
```
该声明需要输入3个参数： 1、解析后的数据包头，2、解析器错误parseError 3、inCtrl控制数据。上图指出了这些信息的不同来源。 pipeline将其输出写入outCtrl，并且它必须在适当位置更新要由Deparser使用的包头。
Package 定义
```
package VSS<H>
```
类型变量H表示尚待用户稍后提供的类型，但未知。在这种情况下，H是用户程序将要处理的包头的类型。 Parser将生成这些包头的解析表示，并且match-action管道将在适当位置更新输入包头以生成输出包头。

4、代码实现文件

上图展示了VSS交换机数据处理流程。下面用代码来实现上图中的逻辑。

// Include P4 core library
# include <core.p4>
// Include very simple switch architecture declarations
# include "very_simple_switch_model.p4"
// This program processes packets comprising an Ethernet and an IPv4
// header, and it forwards packets using the destination IP address
typedef bit<48> EthernetAddress;
typedef bit<32> IPv4Address;
// Standard Ethernet header
header Ethernet_h {EthernetAddress dstAddr;EthernetAddress srcAddr;bit<16> etherType;
}
// IPv4 header (without options)
header IPv4_h {bit<4> version;bit<4> ihl;bit<8> diffserv;bit<16> totalLen;bit<16> identification;bit<3> flags;bit<13> fragOffset;bit<8> ttl;bit<8> protocol;bit<16> hdrChecksum;IPv4Address srcAddr;IPv4Address dstAddr;
}
// Structure of parsed headers
struct Parsed_packet {Ethernet_h ethernet;IPv4_h ip;
}
// Parser section
// User-defined errors that may be signaled during parsing
error {IPv4OptionsNotSupported,IPv4IncorrectVersion,IPv4ChecksumError
}
parser TopParser(packet_in b, out Parsed_packet p) {Checksum16() ck; // instantiate checksum unitstate start {b.extract(p.ethernet);transition select(p.ethernet.etherType) {0x0800: parse_ipv4;// no default rule: all other packets rejected}}state parse_ipv4 {b.extract(p.ip);verify(p.ip.version == 4w4, error.IPv4IncorrectVersion);verify(p.ip.ihl == 4w5, error.IPv4OptionsNotSupported);ck.clear();ck.update(p.ip);// Verify that packet checksum is zeroverify(ck.get() == 16w0, error.IPv4ChecksumError);transition accept;}
}// Match-action pipeline section
control TopPipe(inout Parsed_packet headers,in error parseError, // parser errorin InControl inCtrl, // input portout OutControl outCtrl) {IPv4Address nextHop; // local variable/*** Indicates that a packet is dropped by setting the* output port to the DROP_PORT*/action Drop_action() {outCtrl.outputPort = DROP_PORT;}/*** Set the next hop and the output port.* Decrements ipv4 ttl field.* @param ivp4_dest ipv4 address of next hop* @param port output port*/action Set_nhop(IPv4Address ipv4_dest, PortId port) {nextHop = ipv4_dest;headers.ip.ttl = headers.ip.ttl - 1;outCtrl.outputPort = port;}/*** Computes address of next IPv4 hop and output port* based on the IPv4 destination of the current packet.* Decrements packet IPv4 TTL.* @param nextHop IPv4 address of next hop*/table ipv4_match {key = { headers.ip.dstAddr: lpm; } // longest-prefix matchactions = {Drop_action;Set_nhop;}size = 1024;default_action = Drop_action;}/*** Send the packet to the CPU port*/action Send_to_cpu() {outCtrl.outputPort = CPU_OUT_PORT;}/*** Check packet TTL and send to CPU if expired.*/table check_ttl {key = { headers.ip.ttl: exact; }actions = { Send_to_cpu; NoAction; }const default_action = NoAction; // defined in core.p4}/*** Set the destination MAC address of the packet* @param dmac destination MAC address.*/action Set_dmac(EthernetAddress dmac) {headers.ethernet.dstAddr = dmac;}/*** Set the destination Ethernet address of the packet* based on the next hop IP address.* @param nextHop IPv4 address of next hop.*/table dmac {key = { nextHop: exact; }actions = {Drop_action;Set_dmac;}size = 1024;default_action = Drop_action;}/*** Set the source MAC address.* @param smac: source MAC address to use*/action Set_smac(EthernetAddress smac) {headers.ethernet.srcAddr = smac;}/*** Set the source mac address based on the output port.*/table smac {key = { outCtrl.outputPort: exact; }actions = {Drop_action;Set_smac;}size = 16;default_action = Drop_action;}apply {if (parseError != error.NoError) {Drop_action(); // invoke drop directlyreturn;}ipv4_match.apply(); // Match result will go into nextHopif (outCtrl.outputPort == DROP_PORT) return;check_ttl.apply();if (outCtrl.outputPort == CPU_OUT_PORT) return;dmac.apply();if (outCtrl.outputPort == DROP_PORT) return;smac.apply();}
}// deparser section
control TopDeparser(inout Parsed_packet p, packet_out b) {Checksum16() ck;apply {b.emit(p.ethernet);if (p.ip.isValid()) {ck.clear(); // prepare checksum unitp.ip.hdrChecksum = 16w0; // clear checksumck.update(p.ip); // compute new checksum.p.ip.hdrChecksum = ck.get();}b.emit(p.ip);}
}// Instantiate the top-level VSS package
VSS(TopParser(),TopPipe(),TopDeparser()) main;