שפת תכנות P4

P4 היא שפת תכנות המיועדת לתכנת כללי ניתוב מנות. שלא כמו שפה לשימוש כללי כמו C או Python, P4 היא שפה ספציפית לתחום עם מספר עיצובים המותאמים לניתוב רשת.

P4 היא שפת קוד פתוח ברישיון ומתוחזק על ידי ארגון ללא מטרות רווח בשם P4 Language Consortium. היא נתמכת גם על ידי קרן הרשת הפתוחה (ONF) וקרן לינוקס (LF), שניים מארגוני הגג הגדולים ביותר לפרויקטי רשת בקוד פתוח.
השפה נטבעה במקור בשנת 2013 ותוארה במאמר SIGCOMM CCR משנת 2014 שכותרתו "פרוטוקול עצמאי, תכנות מעבד ניתוב מנות".

מאז הקמתו, P4 גדל והתפתח בצורה אקספוננציאלית, והפך במהירות לסטנדרט לתיאור העברת מנות על ידי התקני רשת, כולל מתאמי רשת, מתגים ונתבים.

"SDN שינתה את תעשיית הרשתות, ו-P4 לוקח את SDN לשלב הבא על ידי הבאת יכולת התכנות לניתוב", אמר גורו פארולקר, מנכ"ל קרן הרשתות הפתוחה.

שפת P4 נוצרה במקור על ידי קבוצה של מהנדסים וחוקרים מגוגל, אינטל, מיקרוסופט מחקר, Barefoot, פרינסטון וסטנפורד. המטרה הייתה פשוטה: ליצור שפה קלה לשימוש שמפתח תוכנה יוכל ללמוד תוך יום ולהשתמש בה כדי לתאר במדויק כיצד מנות נשלחות על פני רשתות.

כבר מההתחלה, P4 תוכנן להיות עצמאי מטרה (כלומר, תוכנית שנכתבה ב-P4 ניתנת להידור ללא שינוי כדי לפעול על מגוון יעדים כגון ASICs, FPGAs, CPUs, NPUs ו-GPUs).

השפה גם בלתי תלויה בפרוטוקול (כלומר, תוכנית P4 יכולה לתאר פרוטוקולים סטנדרטיים קיימים או לשמש לציון מצבי כתובת מותאמים אישית חדשים).

בתעשייה, P4 משמש לתכנות מכשירים. אולי בעתיד תקני Internet-RFC ו-IEEE יכללו גם את מפרט P4.

ניתן להשתמש ב-P4 עבור התקני פונקציה ניתנים לתכנות וקבועים. לדוגמה, הוא משמש לתיעוד מדויק של התנהגות צינור מתג בממשקי ה-API של Switch Abstraction Interface (SAI) המשמשים את מערכת ההפעלה SONiC switch OS בקוד פתוח. P4 משמש גם בפרויקט ONF Stratum לתיאור התנהגות מיתוג על פני מגוון מכשירים קבועים וניתנים לתכנות.

בפעם הראשונה, תיאור התנהגות המתג ומתאמי הרשת מאפשר לך ליצור מודל הפעלה מדויק של כל הרשת לפני הפריסה. ספקי ענן גדולים יכולים לבדוק ולאפות באגים ברשת במלואה באמצעות תוכנה, ולצמצם משמעותית את הזמן והעלות של בדיקת יכולת פעולה הדדית במעבדה ללא צורך בחומרה יקרה.

על ידי שימוש ב-P4, ספקי ציוד רשת יכולים לצפות להתנהגות ניתוב בסיסית משותפת בכל המוצרים, מה שמאפשר שימוש חוזר בתשתית בדיקה, פישוט פיתוח תוכנת ניהול ובסופו של דבר הבטחת יכולת פעולה הדדית.

כמובן שניתן להשתמש ב-P4 כדי לכתוב תוכניות המתארות דרכים חדשות לחלוטין לניתוב. לדוגמה, P4 נמצא בשימוש נרחב עבור טלמטריה ומדידות במרכזי נתונים, רשתות ארגוניות וספקי שירותים.

גם קהילת המחקר עלתה מדרגה. מספר קבוצות מחקר מובילות בתחום הרשתות האקדמיות פרסמו יישומים חדשים ומלהיבים המבוססים על תוכניות P4, כולל איזון עומסים, פרוטוקולי קונצנזוס ושמירה במטמון של ערכי מפתח. נוצרת פרדיגמת תכנות חדשה, חדשנות עוברת מחומרה לתוכנה, ומאפשרת להרבה רעיונות בלתי צפויים, חדשים וגאוניים לצוץ.

קהילת המפתחים תרמה תרומה משמעותית לפיתוח קוד, לרבות מהדרים, צינורות, מודלים התנהגותיים, APIs, מסגרות בדיקה, יישומים ועוד. לחברות כגון Alibaba, AT&T, Barefoot, Cisco, Fox Networks, Google, Intel, IXIA, Juniper Networks, Mellanox, Microsoft, Netcope, Netronome, VMware, Xilinx ו-ZTE יש מפתחים ייעודיים; מאוניברסיטאות כולל BUPT, קורנל, הרווארד, MIT, NCTU, פרינסטון, סטנפורד, הטכניון, Tsinghua, UMass ו-USI; ופרויקטי קוד פתוח הכוללים CORD, FD.io, OpenDaylight, ONOS, OvS, SAI ושכבה מדגישים את העובדה ש-P4 הוא פרויקט קהילתי עצמאי.

דור אופייני של בקרים לשפת P4:

סיכויי יישום

מכיוון שהשפה מיועדת לניתוב יישומים, רשימת הדרישות ואפשרויות העיצוב שונה בהשוואה לשפות תכנות למטרות כלליות. המאפיינים העיקריים של השפה הם:

1. עצמאות מיישום יעדים;
2. אי תלות של הפרוטוקול/ים שבהם נעשה שימוש;
3. יכולת תצורה מחדש של השדה.

עצמאות מיישום יעדים

תוכניות P4 מתוכננות להיות עצמאיות ביישום, כלומר ניתן להרכיב אותן עבור סוגים רבים ושונים של מנועי ביצוע, כגון מעבדים למטרות כלליות, FPGAs, מערכת-על-שבבים, מעבדי רשת ו-ASICs. סוגים שונים של מכונות אלו ידועים כמטרות P4, וכל יעד דורש מהדר כדי להמיר את קוד המקור של P4 למודל של מתג יעד. המהדר יכול להיות מובנה במכשיר היעד, בתוכנה חיצונית, או אפילו בשירות ענן. מכיוון שרבים מהיעדים המקוריים עבור תוכניות P4 היו עבור מיתוג מנות פשוט, נפוץ מאוד לשמוע את המונח "מתג P4" למרות ש"יעד P4" מדויק יותר.

עצמאות של הפרוטוקול/ים שבהם נעשה שימוש

P4 אינו תלוי בפרוטוקול. המשמעות היא שלשפה אין תמיכה מקורית לפרוטוקולים נפוצים כגון IP, Ethernet, TCP, VxLAN או MPLS. במקום זאת, מתכנת ה-P4 מתאר את פורמטי הכותרות ושמות השדות של הפרוטוקולים הנדרשים בתוכנית, אשר בתורם מתפרשים ומעובדים על ידי התוכנית המהידור והתקן היעד.

יכולת הגדרה מחדש של השדה

מודל עצמאות הפרוטוקול ומודל השפה המופשט מאפשר הגדרה מחדש - יעדי P4 צריכים להיות מסוגלים לשנות את עיבוד המנות לאחר פריסת המערכת. יכולת זו נקשרת באופן מסורתי לניתוב דרך מעבדים למטרות כלליות או מעבדי רשת במקום מעגלים משולבים בעלי פונקציה קבועה.

למרות שאין שום דבר בשפה שימנע אופטימיזציה של הביצועים של קבוצה מסוימת של פרוטוקולים, אופטימיזציות אלו אינן נראות לכותב השפה ויכולות בסופו של דבר להפחית את הגמישות של המערכת והיעדים ואת יכולת התצורה מחדש שלהם.

מאפיינים אלה של השפה נקבעו בתחילה על ידי יוצריה תוך התמקדות בשימוש הנרחב שלה בתשתית רשת.

השפה כבר נמצאת בשימוש בחברות רבות:

1) מרכזי נתונים בקנה מידה גבוה;

חברת Tencent הסינית היא חברת ההשקעות הגדולה בעולם ואחת מחברות ההון סיכון הגדולות. החברות הבנות של Tencent, הן בסין והן במדינות אחרות בעולם, מתמחות בתחומים שונים של עסקי הייטק, לרבות שירותי אינטרנט שונים, פיתוחים בתחום הבינה המלאכותית והבידור האלקטרוני.

P4 וניתוב ניתן לתכנות הן טכנולוגיות מתקדמות המשמשות בארכיטקטורת הרשת של החברה.

כאחד היוצרים, גוגל גאה לציין את האימוץ המהיר של P4 בתעשיית הרשתות ובתכנון ארכיטקטוני של מרכזי נתונים בפרט.

2) חברות מסחריות;

גולדמן זאקס מנצל את העבודה עם קהילת הקוד הפתוח ופיתוח סטנדרטים ופתרונות משותפים לחידוש תשתית רשת ומתן פתרונות טובים יותר ללקוחות.

3) ייצור;

כל תעשיית הרשתות תרוויח משפה כמו P4 המגדירה באופן ייחודי את התנהגות ההעברה. סיסקו גם מאמינה בהעברת קווי המוצרים שלה לשימוש בשפה זו.

Juniper Networks כללה את P4 ו-P4 Runtime במספר מוצרים, ומספקת גישה פרוגרמטית למעבד המוטבע של Juniper ולקוד התוכנה שלו.

Ruijie Networks תומך חזק ב-P4 וביתרונות שהוא מביא לרשתות. עם P4, החברה יכולה ליצור ולספק פתרונות מהטובים מסוגו למגוון רחב של לקוחות.

4) ספקי תקשורת;

AT&T הייתה מאמצת מוקדמת של P4, מהראשונות שהשתמשו ב-P4 כדי להגדיר את ההתנהגות שהיא רוצה לראות ברשתות שלה, ולהשתמש בהתקני העברה ניתנים לתכנות של P4 ברשת שלה.

ב-Deutsche Telekom, השפה משמשת לאבטיפוס של פונקציות מפתח ברשת כחלק מתוכנית Access 4.0.

5) תעשיית המוליכים למחצה;

השפה אפשרה ל-Barfoot ליישם פרדיגמה חדשה לאספקת יכולות תוכנה למישור ניתוב הרשת.

Xilinx היה אחד ממייסדי P4.org והיה מעורב באופן פעיל בפיתוח שפת P4 והטמיע אותה בפלטפורמות ניתנות לתכנות מבוססות FPGA עבור חומרת SmartNIC ו-NFV, והוציאה את אחד המהדרים הראשונים של P416 כחלק מתכנון SDNet.

6) תוכנה.

VMware מאמינה ש-P4 יוצר אנרגיה, חדשנות וקהילה אדירים שמניעים שינוי משמעותי והכרחי ברשת. VMware הייתה חלק מתנועת התעשייה הזו מאז תחילת הדרך, שכן גל חדש של חדשנות מונע על ידי גישות מבוססות תוכנה המרחיבות את יכולות התשתית ומטמיעות אותה במוצרים העדכניים ביותר.

לפיכך, P4 היא שפת תכנות בלתי תלויה מטרה ופרוטוקול המשמשת את התעשייה והאקדמיה להגדרה ייחודית של התנהגות ניתוב מנות כתוכנית, אשר בתורה ניתנת להידור עבור מטרות מרובות. כיום, היעדים כוללים מתגי חומרה ותוכנה, מתגי hypervisor, NPUs, GPUs, FPGAs, SmartNICs ו-ASICs.

המאפיינים העיקריים של השפה מרחיבים משמעותית את היקף היישום שלה ומבטיחים את הטמעתה המהירה בארכיטקטורות רשת.

תחילת העבודה

P4 הוא פרויקט פתוח, כל המידע הרלוונטי נמצא באתר P4.org

קישור למאגר https://github.com/p4lang, שבו אתה יכול לקבל קוד מקור והדרכות לדוגמה.

תוסף עבור Eclipse עם תמיכה P4, אבל אנחנו יכולים להמליץ סטודיו P4 מ-Barfoot.

בואו נסתכל על ההפשטות העיקריות של הגרעין:

הגדרת כותרות - בעזרתם נקבעות כותרות פרוטוקול.

הגדרת הכותרת מציינת:

• תיאור של פורמטים של מנות ושמות שדות כותרות
• שדות מותרים קבועים ומשתנים

למשל

header Ethernet_h{
    bit<48>  dstAddr;
    bit<48>  srcAddr;
    bit<16>  etherType;
}


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;
    bit<32>  srcAddr;
    bit<32>  dstAddr;
    varbit<320>  options;
}


מנתחים - המשימה שלהם היא לנתח את הכותרות.

דוגמה המנתח הבאה תקבע את המעבר של המצב הסופי של המכונה ממצב התחלתי אחד לאחד משני מצבים סופיים:

parser MyParser(){
 state  start{transition parse_ethernet;}
 state  parse_ethernet{
    packet.extract(hdr.ethernet);
    transition select(hdr.ethernet.etherType){
        TYPE_IPV4: parse_ipv4;
        default: accept;
        }
    }…
}


טבלאות - מכיל מצבי מכונה המקשרים מפתחות משתמש עם פעולות. פעילות - תיאור כיצד יש לתפעל את החבילה.

הטבלאות מכילות מצבים (מוגדרים ברמת הניהול) להעברת מנות, מתארים את יחידת Match-Action

חבילות מותאמות על ידי:

• התאמה מדוייקת
• התאמת הקידומת הארוכה ביותר (LPM)
• התאמה משולשת (מסיכה)

table ipv4_lpm{
    reads{
        ipv4.dstAddr: lpm;
    } actions {
        forward();
    }
}

יש להגדיר בטבלאות מראש את כל הפעולות האפשריות.

פעולות מורכבות מקוד ונתונים. הנתונים מגיעים מרמת הניהול (למשל כתובות IP/מספרי יציאות). ניתן לציין פרימיטיבים מסוימים ללא לולאות ישירות בפעולה, אך מספר ההוראות חייב להיות צפוי. לכן, פעולות אינן יכולות להכיל לולאות או הצהרות מותנות.

action ipv4_forward(macAddr_t dstAddr, egressSpec_t port){
    standard_metadata.egress_spec = port;
    hdr.ethernet.srcAddr = hdr.ethernet.dstAddr;
    hdr.ethernet.dstAddr = dstAddr;
    hdr.ipv4.ttl = hdr.ipv4.ttl - 1;
}


מודולי התאמה-פעולה - פעולות ליצירת מפתח חיפוש, חיפוש בטבלה, ביצוע פעולות.

דוגמה טיפוסית של מודול מוצגת באיור:

בקרת זרימה - מציין את הסדר שבו נעשה שימוש במודולי Match-Action. זוהי תוכנית הכרחית המגדירה את ההיגיון ברמה הגבוהה ואת רצף ה- Match-Action. זרימת הבקרה מקשרת את כל האובייקטים על ידי הגדרת רמת הבקרה.

חפצים חיצוניים הם אובייקטים ספציפיים עם ארכיטקטורה מוגדרת בבירור וממשקי API. לדוגמה, חישוב סכום ביקורת, אוגרים, מונים, מונים וכו'.

extern register{
    register(bit<32> size);
    void read(out T result, in bit<32> index);
    void write(in bit<32> index, in T value);
}


extern Checksum16{
  Checksum16();    //constructor
  void clear();    //prepare unit for computation
  void update(in T data);    //add data to checksum
  void remove(in T data);  /remove data from existing checksum
  bit<16> get(); //get the checksum for the data added since last clear
}

מטא נתונים - מבני נתונים הקשורים לכל חבילה.

ישנם 2 סוגים של מטא נתונים:

  מטא נתונים מותאמים אישית (מבנה ריק עבור כל החבילות)
    אתה יכול לשים כאן מה שאתה רוצה
    זמין לאורך כל הצינור
    נוח לשימוש למטרות שלך, למשל, לאחסון hash של חבילה

  מטא נתונים פנימיים - מסופק על ידי הארכיטקטורה
    יציאת קלט, יציאת פלט מוגדרים כאן
    חותמת זמן מתי החבילה הייתה בתור, עומק תור
    תור גיבוב/שידור רב שידור
    עדיפות חבילה, חשיבות חבילה
    מפרט יציאת פלט (למשל תור פלט)

מהדר P4

מהדר P4 (P4C) מייצר:

1. זמן ריצה של מטוס נתונים
2. API לניהול מצב מכונה במישור הנתונים

דוגמה למתג תוכנה בשפת P4

ניתן להוריד קודי מקור מהמאגר.

p4lang/p4c-bm: יוצר תצורת JSON עבור bmv2
p4lang/bmv2: מתג תוכנה שמבין תצורות JSON בגרסת bmv2

האיור מציג את דיאגרמת הידור של הפרויקט:

מניפולציות עם טבלאות, קריאת אוגרים, מונים:

• table_set_default <table name> <action name> <action parameters>
• table_add <table name> <action name> <match fields> => <action
  parameters> [priority]
• table_delete <table name> <entry handle>

קוד המקור מכיל את התוכנית simple_switch_CLI לשימוש נוח ב-API של החלפת תוכנה.

אתה יכול להוריד את זה ודוגמאות אחרות מהמאגר.

נ.ב. בתחילת הקיץ, אינטל חתמה על הסכם לרכישת Barefoot Networks במאמץ לענות במהירות על הצרכים של משתמשי Hyperscale Cloud. כפי שאמר Navin Shenoy (סגן נשיא בכיר ומנהל כללי של קבוצת Data Center ב-Intel Corporation), הדבר יאפשר לאינטל לספק עומסי עבודה גדולים יותר ויותר הזדמנויות ללקוחות מרכזי הנתונים.

לדעתי האישית, אסור לשכוח שאינטל מובילה בייצור שבבי FPGA ויש לה סביבת Quartus מצוינת. המשמעות היא שאנו יכולים לצפות שעם הגעתה של אינטל, Barefoot לא רק תרחיב את קו המוצרים שלה, אלא גם Quartus ו-P4 Studio יקבלו עדכונים ותוספות רציניות לקו Toffino ו-Toffino 2.

חבר רשמי בקהילת P4 - חברה קבוצת גורמים.

מקור: www.habr.com