P4入门教程:搭建开发和实验环境

作者简介:毛健炜,研究生,北京邮电大学,未来网络理论与应用实验室(FNL),主要研究方向:SDN、网络虚拟化;ONOS中国区大使。

这个月来,我观察到P4社区的活跃度不高。几个主要的Github库更新缓慢,issue交流也比较少,今年以来P4最活跃的mail list,P4-dev,每个月最多也只有100次左右的交流。国内的P4交流社群的情况同样如此。

数据平面可编程,最大化地释放了网络的灵活可编程能力,在Telemetry网络管控、协议扩展、带状态的流量处理等方面都有很大的潜力有待发掘。这确实是个好的Idea。因此,我打算结合自己的研究和实践经验,撰写P4入门的连载文章,希望能给准备入门的朋友一点启发,咱们多多交流。

P4语言规范,阅读过P4语言规范的朋友们应该知道,P4是一门对数据平面抽象的编程语言,同时也是数据平面相关的编程语言,即target-dependent,主要体现在具体的程序设计要依赖于Architecture Model中对设备能力的规定。

因此,P4的开发环境笔者认为可以粗略分为三种:

  • 第一种是商用开发环境,诸如Barefoot出品的Capilano™,专门为其自家设计的芯片Tofino而推出的一款IDE。
  • 第二种是面向FPGA等硬件运行条件的开发环境,这种情况下P4程序大致需要先使用前端编译器来编译生成一种中间表示文件,然后再使用后端编译器根据中间表示文件生成目标运行文件。中间表示文件即IR文件,类似介于C语言和汇编之间的链接文件。目标运行文件类似windows平台的exe文件,linux平台的可执行二进制文件,以及能直接加载/烧写入FPGA运行的文件。
  • 第三种是面向软件交换机的开发环境,这种环境对于接触过OpenFlow开发和Open vSwitch(OVS)的朋友应该很熟悉。这种情况下P4程序只需要经过一次编译过程,生成数据平面的JSON格式描述文件,最后在启动软件交换机时将JSON描述文件导入即可。

第三种环境比较适合科研院校等,适用于在工程项目前期快速进行理论概念验证、初步的方案可行性检验和原型设计等,或者进行科研学术目的的仿真实验。

本系列文章主要针对面向软件交换机的P4开发进行讲解,往后不再赘述。

一、梳理思路

在Github上,P4项目拆分成了多个仓库,搭建开始前,我们先来做个梳理。
正如前文所述,P4程序只需要经过一次编译过程,生成数据平面的JSON格式描述文件,最后在启动软件交换机时将JSON描述文件导入即可。
编译这一步,我们需要使用编译器p4c来完成,即Github上的p4lang/p4c库,运行这一步,我们需要使用软件交换机bmv2来完成,即Github上的p4lang/behavioral-model库,需要说明的是,P4语言现在出了新的一版,即P4-16,与原来的版本P4-14,共用同一款编译器和软件交换机。
现在还没有特殊的社区版IDE或者IDE插件用于支持P4开发,因此我们自行选用习惯的文本编辑器编写程序即可,笔者比较推荐Sublime。

二、系统环境

本文使用Ubuntu 16.04 LTS,内核版本4.10.0-33-generic,应该影响不大。

三、安装p4c

虽然编译make执行时间很长,但是各条命令不推荐大家一次性粘贴去执行,以防中途步骤错误导致后续的步骤让故障扩散。

虽然编译make执行时间很长,但是各条命令不推荐大家一次性粘贴去执行,以防中途步骤错误导致后续的步骤让故障扩散。

(1)安装依赖库:

(2)手工安装依赖库Protocol Buffers:

Ubuntu 16.10及以上版本可以使用apt-get直接安装。

进入下载好的protobuf项目目录,再继续:


(3)下载p4c源码及必须的一些子模块:

进入下载好的p4c项目目录,再继续:

其中make -j4 check 是为了运行单元测试,确认p4c能正常工作。

四、安装bmv2

(1)下载bmv2源码:

进入下载好的bmv2项目目录,再继续。

(2)运行脚本安装依赖库:

脚本里使用到sudo,因此会让我们输入一次密码。

(3)编译

(4)运行单元测试,确认bmv2能正常工作


如果p4c和bmv2的各个单元测试用例都正常通过,我们的开发和实验环境就搭建完成了!

细心的读者朋友可能会发现,本文的行文风格与笔者以往的有所不同,专注于核心内容的讲解,免去了情绪方面的表达,语言也更加精炼。这都源于李呈师兄对笔者一次有意无意的点拨。其实当写到make check的时候,笔者不禁想到自己实验时看到“test pass”时的场景,按耐着微微激动的心情,敲完了上一段末尾的感叹号。

五、参考资料

[1] 笔者个人博客 http://www.maojianwei.com/
[2] Github库Bmv2 https://github.com/p4lang/behavioral-model
[3] Github库p4c https://github.com/p4lang/p4c
[4] P4官网 http://p4.org/
[5] P4语言规范 https://p4lang.github.io/p4-spec/
[6] P4邮件列表 http://lists.p4.org/mailman/listinfo/
[7] Barefoot官网 https://www.barefootnetworks.com/technology/
[8] Github库ProtoBuf https://github.com/google/protobuf/blob/master/src/README.md

文中的不足和谬误之处还请朋友们不吝赐教,可在文末评论或发邮件至maojianwei2012@126.com与笔者联系。


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毛健炜 发表于17-09-26
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