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P4

P4是一个协议无关的数据包处理编程语言,提供了比OpenFlow更出色的编程能力。它不仅可以指导数据流进行转发,还可以对交换机等转发设备的数据处理流程进行编程。主要特点包括

  • 灵活定义数据转发流程,支持重新配置匹配域,并支持无中断的重配置
  • 协议无关,只需要关注如何处理转发包,而不需要关注底层协议细节
  • 设备无关,无需关注底层设备的具体信息

转发模型

如下图所示,数据包经过解析后,会被传递到一个“匹配-动作”表,并支持串行和并行操作。类似于OpenFlow流水线,这些表决定了数据包将被送往哪里,如丢弃或送到某个出端口。P4的流水线分为入口流水线和出口流水线:

  • 入口流水线中,数据包可能会被转发、复制、丢弃或触发流量控制
  • 而出口流水线可以对数据包作进一步的修改,并送到相应的出端口

P4交换机将流水线处理数据的过程进行抽象和重定义,数据处理单元对数据的处理抽象成匹配和执行匹配-动作表的过程,包头的解析抽象成P4中的解析器,数据处理流程抽象成流控制。P4基础数据处理单元是不记录数据的,所以就需要引入一个元数据总线,用来存储一条流水线处理过程中需要记录的数据。P4交换机的专用物理芯片Tofino,最高支持12个数据处理单元,可以覆盖传统交换机的所有功能。

P4语言

每个P4程序包含如下的5个关键组件:

  • Headers:定义报文头部格式,支持重定义的头部名称和任意长度字段
  • Parses:定义数据包解析流程的有限状态机
  • Tables:“匹配-动作”表,定义匹配域以及对应的执行动作
  • Actions:动作指令集,包括构造查找键(Construct lookup keys)、根据查找键查表、执行动作等
  • Control Flow:控制程序,决定了数据包处理的流程,比如如何在不同表之间跳转等

具体的编写方法可以参考P4 Language Specification

P4工作流程

P4的完整工作流程为:

  • 首先用户需要自定义数据帧的解析器和流控制程序
  • 然后,P4程序经过编译器编译后输出JSON格式的交换机配置文件和运行时的API
  • 再次配置的文件载入到交换器中后更新解析起和匹配-动作表
  • 最后交换机操作系统按照流控制程序进行包的查表操作

以新增VLAN包解析为例,图中解析器除VXLAN以外的包解析是交换机中已有的,载入VXLAN.p4文件所得的配置文件的过程就是交换机的重配置过程。配置文件载入交换机后,解析器中会新增对VXLAN包解析,同时更新匹配-动作表,匹配成功后执行的动作也是在用户自定的程序中指定。执行动作需要交换机系统调用执行动作对应的指令来完成,这时交换机系统调用的是经过P4编译器生成的统一的运行时API,这个API就是交换机系统调用芯片功能的驱动,流控制程序就是指定API对应的交换机指令。

参考文档

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