P4编程理论与实践——理论篇

作者简介:郑浩,东南大学本科生,研究方向:OpenFlow,P4。邮箱: zenhox@163.com

由于对SDN充满着兴趣,在学习了一段时间OpenFlow之后,一次偶然的机会接触到了P4。P4可以实现很多新的Idea,但是无奈于国内的实践资料太少了(有些资料似乎比较陈旧了)。唯一的学习来源是官网的英文实例教程,但是摸索起来很费时间。因此本人打算把自己的探索经验,写成一个专题,和大家分享,学习,交流。着重点是实践而非理论,有不正确的地方欢迎批评指正。

为什么要从理论上开始介绍呢?因为有了一些基础的理论概念,才能更好的去编程,不会摸不着头脑。无论大家对SDN的理解如何,我觉得都有必要把一些基础的概念,如:数据面,控制面等概念了解清楚,了解为什么要有P4,与OpenFlow的区别是什么等等。知道了这些,会提高我们的学习效率和质量。

SDN 与 OpenFlow

相信大家对SDN和OpenFlow都非常了解了。如果是这样,可以直接跳过这个部分,直接阅读下一节。

SDN的概念

SDN(Software Defined Network,软件定义网络)。 相对于传统网络,软件定义网络实现了控制平面数据平面的分离,同时(至少在逻辑上)构建了一个集中的控制平面。人们可以在这个单一的控制平面上,实现对全网各个网元设备的监控,管理,编程。

  • 数据平面:维护一个由一系列流表组成的(pipeline,流水线)。当数据包经过交换机时,首先会走的是数据平面,即去匹配这些表。根据匹配到的相应的规则(action),如output, drop。从不同的端口转发或者丢弃。但是FIB的信息是如何添加的呢?为什么FIB会知道数据包该从哪个端口转发呢?这就需要控制平面去管理它。
  • 控制平面:不管是分布式的控制平面,还是集中式的控制平面。控制平面可以理解为网元设备的操作系统。他可以写一些程序,里面含有特定的算法,向数据平面添加相应的转发规则。也就是说,控制平面相当于网元设备的大脑,当数据平面不知道如何转发一个数据包时,会向大脑询问,大脑根据自己对网络拓扑的”认知“,向数据平面返回指定的规则,数据平面记录这条规则,在之后的转发过程中,就不再询问自己的大脑(速率较慢),而是根据“肌肉记忆”直接转发。

OpenFlow

OpenFlow的诞生和历史不做赘述。OpenFlow在SDN中扮演怎样一个地位呢?我们先来看一张图片:

我们知道,SDN的一个重要概念就是控制平面和数据平面的分离,以及集中式的控制平面,这个集中的控制平面就是我们所说的控制器。那么控制平面与数据平面分离之后,如何像往常一样管理数据平面呢?因此,在分离后的控制平面和数据平面之间,只能通过一个特定的协议进行交互,这个协议就是我们的OpenFlow协议。也就是上图所示的1. Open interface to packet forwarding.

所以, OpenFlow协议有如下特点:

  • 定义了用于控制器和数据平面(各个OpenFlow交换机)交互的报文格式。
  • OpenFlow必须是一个 target-independent 的协议,所谓target-independent就是与 特定的交换机无关,能够提供一种抽象,从而可以以统一的接口管理网络中所有的设备,从而实现一个逻辑集中的控制平面。
  • OpenFlow作为一种南向协议,其与其他南向接口的对比如下。

这张图放的有点早了,但是可以看到OpenFlow虽然实现了Target-independent,但是没有实现Protocol-independent。 这个是OpenFlow的最主要的缺陷之一,这也是引入P4的最主要的原因。什么是Protocol-independent呢?请继续看。

OpenFlow的缺陷

OpenFlow虽然为SDN奠定了基础。但是在进行应用开发的时候有一个很大的局限,就是OpenFlow没有真正做到协议不相关。也就是说,OpenFlow只能依据现有的协议来定义流表项。打个比方,就好像OpenFlow给了我们几个固定形状的积木,让我们自行组装,却不能让我们自己定义积木的形状。 这就是OpenFlow的局限所在!

举个例子:

OpenFlow 1.0 的时候有12个字段,这些字段分别就是我们熟悉的,IP地址,MAC地址,等等。但是很快发现,单单这12个字段不能满足现实网络世界中各种需求(在网络中的协议有很多种)。所以到OpenFlow1.3的时候字段增加到40个,现在OpenFlow1.5甚至更多。

这样带来的麻烦有很多,一是匹配效率和空间占用的问题。二是特定的OpenFlow交换机生产出来后,无法支持新的协议字段,只能在现有协议上进行开发。最终只能面临淘汰。

如果我们可以自定义协议字段的类型,甚至实现自定义动作的类型,那么我们就不需要反复修正协议本身,SDN的架构也将更加灵活。这个自定义协议字段类型,自定义动作类型就是我们所说的数据面编程。

数据面编程思想

数据面编程就是我们自己定义匹配字段,自己定义动作类型,从而自己定义流表,进而形成流水线(pipline)。基于这种初衷,P4应运而生。

什么是P4

P4(Programming Protocol-Independent Packet Processors)是一种数据面的高级编程语言。他可以克服OpenFlow的局限。通过P4语言,我们可以定义我们想要的数据面。进而再通过南向协议添加流表项。

P4 与 OpenFlow 的关联与区别

P4虽然弥补了OpenFlow的不足,但是P4和OpenFlow的定位是截然不同的! OpenFlow提供了一种控制器和数据面的动态交互的协议。是一种南向协议。而P4只是一个数据面的编程语言。

通过P4,我们可以定义各种各样形状的积木,而通过南向协议,我们可以组装这些积木来实现特定的功能。也就是说,写好P4代码并不是全部,我们还需要写相应的控制面代码才能使网络正常工作。

与OpenFlow对应的是P4 Runtime。 还记的上面的那张图吗,为了实现协议无关。P4的设计者们还提供了一个南向协议——P4 runtime。 P4 runtime与OpenFlow功能类似,但是P4 runtime可以充分利用P4协议无关的特性,”与P4更搭配!“。

P4中的那些事

P4是一种高级数据面编程语言,既然是高级语言,那么其设计本身就有着很高的抽象程度。我们先来看一种图:

这是P4中提供的最简单最易理解的编程结构,V1Model。可以看到它由5个模块组成,他们的名字分别是(从左到右):

  • Parser: 解析器, 解析并且提取数据包头的各个字段。
  • Ingress: Ingress处理,在这里定义Ingress流水线。
  • TM: Traffic manager,有一些队列,用于流量控制(一些队列相关的metadata在此更新)。
  • Egress: Egress, 在这里定义Egress流水线。
  • Deparser:用于重组数据包,因为数据包在处理过程中经历了分解和处理。所以最后转发的时候需要重组一下。

P4为我们提供了上述抽象,我们就可以把所有的交换机理解为上述的模型,然后按照上述模型进行开发就可以了。所以,按照上述模型,P4语言的代码结构通常为这样:

在开始搭建环境和写P4代码前

p4 的github仓库 是学习P4编程的重要基地,我们着重了解一下几个子仓库:

  • behavioral-model简称BMv2. 是一款支持P4的软件交换机。其设计初衷是完全支持P4语言,从而用于功能性试验和学习,而性能不是第一目标(与OVS不同)。BMv2可以和Mininet集成。BMv2提供两种控制接口,一种是基于thirft的CLI接口(命令行),另一种是基于gRPC和protobuf的P4 runtime。显然,一种是分布式控制平面,一种是集中式控制平面。
  • tutorials是我们学习P4编程最重要的教程。里面含有一些交互式的学习材料和一个搭建好环境的虚拟机。建议大家使用搭建好环境的虚拟机学习,本人尝试过自己搭建环境,尽管最后成功了,但是中间遇到了各种报错,特别还有国内网络原因,访问github特别慢,整体搭建好还是是比较吃力的。可以直接访问我的ftp服务器下载虚拟机镜像
  • p4c是P4的编译器,它是一个比较综合的编译器,支持多个版本的p4代码,同时支持多种输出格式。有二进制形式的,也有用于BMv2的json格式。

上述几个仓库是学习过程中需要用到的,当然还有一些其他仓库,以后再介绍。

后话

第一次写文章,而且限于本人能力有限。难免有纰漏或者理解不当,还望各位谅解,如果能有批评指点,不胜感激!联系邮箱: zenhox@163.com


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zenhox 发表于18-10-10
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