P4プログラミング言語

P4 は、パケット ルーティング ルールをプログラムするために設計されたプログラミング言語です。 C や Python などの汎用言語とは異なり、P4 はネットワーク ルーティング用に最適化された多数の設計を備えたドメイン固有の言語です。

P4 は、P4 Language Consortium と呼ばれる非営利組織によってライセンス供与され、維持されているオープンソース言語です。 また、オープン ソース ネットワーキング プロジェクトの最大の統括組織である Open Networking Foundation (ONF) と Linux Foundation (LF) によってもサポートされています。
この言語はもともと 2013 年に造語され、「プロトコルに依存しないパケット ルーティング プロセッサ プログラミング」というタイトルの 2014 年の SIGCOMM CCR 論文で説明されました。

P4 はその開始以来、急激に成長および進化し、すぐにネットワーク アダプター、スイッチ、ルーターなどのネットワーク デバイスによるパケットの送信を記述する標準になりました。

Open Networking Foundation のエグゼクティブ ディレクター、Guru Parulkar 氏は次のように述べています。「SDN はネットワーキング業界を変革しました。P4 はルーティングにプログラマビリティをもたらすことで、SDN を次のレベルに引き上げます。」

P4 言語はもともと、Google、Intel、Microsoft Research、Barefoot、Princeton、Stanford のエンジニアと研究者のグループによって作成されました。 目標は単純でした。ソフトウェア開発者が XNUMX 日で習得でき、ネットワーク上でパケットがどのように送信されるかを正確に記述するために使用できる使いやすい言語を作成することです。

P4 は最初からターゲットに依存しないように設計されていました (つまり、P4 で書かれたプログラムは、ASIC、FPGA、CPU、NPU、GPU などのさまざまなターゲットで実行するために変更せずにコンパイルできます)。

この言語はプロトコルにも依存しません (つまり、P4 プログラムは既存の標準プロトコルを記述したり、新しいカスタム アドレッシング モードを指定するために使用したりできます)。

産業界では、P4 はデバイスのプログラミングに使用されます。 おそらく将来的には、インターネット RFC および IEEE 標準にも P4 仕様が含まれることになるでしょう。

P4 は、プログラム可能なデバイスと固定機能デバイスの両方に使用できます。 たとえば、オープン ソースの SONiC スイッチ OS で使用されるスイッチ アブストラクション インターフェイス (SAI) API でスイッチ パイプラインの動作を正確に記録するために使用されます。 P4 は、ONF Stratum プロジェクトでも、さまざまな固定デバイスやプログラム可能なデバイス間のスイッチング動作を記述するために使用されます。

スイッチとネットワーク アダプターの動作を記述することで、展開前にネットワーク全体の正確な実行可能モデルを作成できるようになりました。 大規模なクラウド プロバイダーは、ソフトウェアを使用してネットワーク全体をテストおよびデバッグできるため、高価なハードウェアを必要とせずに、ラボでの相互運用性テストの時間とコストを大幅に削減できます。

P4 を使用することで、ネットワーク機器ベンダーはすべての製品にわたって共通の基礎となるルーティング動作を期待できるため、テスト インフラストラクチャの再利用が可能になり、管理ソフトウェア開発が簡素化され、最終的には相互運用性が確保されます。

もちろん、P4 を使用して、まったく新しいルーティング方法を記述するプログラムを作成することもできます。 たとえば、P4 は、データ センター、企業、サービス プロバイダーのネットワークにおけるテレメトリと測定に広く使用されています。

研究コミュニティも強化されました。 いくつかの主要な学術ネットワーキング研究グループが、ロード バランシング、コンセンサス プロトコル、キー値のキャッシュなど、P4 プログラムに基づいたエキサイティングな新しいアプリケーションを公開しています。 新しいプログラミング パラダイムが生み出され、イノベーションがハードウェアからソフトウェアに移行し、多くの予期せぬ新しく独創的なアイデアが生まれることを可能にしています。

開発者コミュニティは、コンパイラ、パイプライン、動作モデル、API、テスト フレームワーク、アプリケーションなどのコード開発に多大な貢献をしてきました。 Alibaba、AT&T、Barefoot、Cisco、Fox Networks、Google、Intel、IXIA、Juniper Networks、Mellanox、Microsoft、Netcope、Netronome、VMware、Xilinx、ZTE などの企業には、専任の開発者がいます。 BUPT、コーネル大学、ハーバード大学、MIT、NCTU、プリンストン大学、スタンフォード大学、テクニオン大学、清華大学、マサチューセッツ大学、USI などの大学からの卒業生。 CORD、FD.io、OpenDaylight、ONOS、OvS、SAI、Stratum などのオープン ソース プロジェクトは、P4 が独立したコミュニティ プロジェクトであるという事実を強調しています。

P4 言語のコントローラーの一般的な生成:

アプリケーションの見通し

この言語はアプリケーションのルーティングを目的としているため、要件と設計オプションのリストは汎用プログラミング言語とは異なります。 この言語の主な特徴は次のとおりです。

1. ターゲット実装からの独立性。
2. 使用されるプロトコルの独立性。
3. フィールドの再構成可能性。

目標の実装からの独立性

P4 プログラムは実装に依存しないように設計されており、汎用プロセッサ、FPGA、システム オン チップ、ネットワーク プロセッサ、ASIC など、さまざまな種類の実行エンジン用にコンパイルできることを意味します。 これらのさまざまなタイプのマシンは P4 ターゲットとして知られており、各ターゲットには P4 ソース コードをターゲット スイッチ モデルに変換するコンパイラが必要です。 コンパイラは、ターゲット デバイス、外部ソフトウェア、さらにはクラウド サービスに組み込むことができます。 P4 プログラムの当初のターゲットの多くは単純なパケット交換であったため、「P4 ターゲット」の方が正確であるにもかかわらず、「P4 スイッチ」という用語をよく耳にします。

使用されるプロトコルの独立性

P4 はプロトコルに依存しません。 これは、この言語が IP、イーサネット、TCP、VxLAN、MPLS などの一般的なプロトコルをネイティブにサポートしていないことを意味します。 代わりに、P4 プログラマはプログラム内で必要なプロトコルのヘッダー形式とフィールド名を記述します。これらは、コンパイルされたプログラムとターゲット デバイスによって解釈され、処理されます。

フィールド再構成可能性

プロトコルの独立性と抽象言語モデルにより再構成が可能です。P4 ターゲットは、システムの展開後にパケット処理を変更できる必要があります。 この機能は従来、固定機能の集積回路ではなく、汎用プロセッサまたはネットワーク プロセッサを介したルーティングに関連付けられてきました。

この言語には、特定のプロトコル セットのパフォーマンスの最適化を妨げるものは何もありませんが、これらの最適化は言語作成者には見えず、最終的にシステムと目標の柔軟性、およびそれらの再構成可能性を低下させる可能性があります。

この言語のこれらの特性は、当初、ネットワーク インフラストラクチャで広く使用されることに焦点を当てて、その作成者によって定められました。

この言語はすでに多くの企業で使用されています。

1) ハイパースケール データセンター。

中国企業テンセントは世界最大の投資会社であり、最大規模のベンチャーキャピタル会社の一つです。 テンセントの子会社は中国および世界各国にあり、さまざまなインターネット サービス、人工知能および電子エンターテイメント分野の開発など、ハイテク ビジネスのさまざまな分野を専門としています。

P4 とプログラマブル ルーティングは、同社のネットワーク アーキテクチャで使用されている高度なテクノロジです。

Google は、創始者の 4 つとして、ネットワーク業界、特にデータセンターのアーキテクチャ設計において PXNUMX が急速に採用されていることを誇りに思っています。

2) 営利企業。

ゴールドマン・サックスは、オープンソース コミュニティとの連携、共通の標準とソリューションの開発を活用して、ネットワーク インフラストラクチャを革新し、より良いソリューションをクライアントに提供します。

3) 生産。

ネットワーク業界全体が、転送動作を独自に定義する P4 のような言語から恩恵を受けるでしょう。 シスコはまた、自社の製品ラインをこの言語を使用するように移行すると考えています。

ジュニパーネットワークスは、P4 および P4 ランタイムを多くの製品に組み込み、ジュニパー組み込みプロセッサとそのソフトウェア コードへのプログラムによるアクセスを提供します。

Ruijie Networks は、P4 とそれがネットワークにもたらすメリットを強力にサポートしています。 P4 を使用することで、同社はクラス最高のソリューションを作成し、幅広い顧客に提供できます。

4) 電気通信プロバイダー。

AT&T は P4 の早期採用者であり、自社のネットワーク内で見たい動作を定義するために P4 を使用し、自社のネットワーク上で P4 プログラム可能な転送デバイスを使用した最初の企業の XNUMX つです。

ドイツテレコムでは、この言語を Access 4.0 プログラムの一部として主要なネットワーク機能のプロトタイプに使用しています。

5) 半導体産業。

この言語により、Barefoot はソフトウェア機能をネットワーク ルーティング プレーンに提供するための新しいパラダイムを実装できるようになりました。

ザイリンクスは P4.org の創設者の 4 人で、P416 言語の開発に積極的に関与し、それを SmartNIC および NFV ハードウェア用の FPGA ベースのプログラマブル プラットフォームに実装し、SDNet デザインの一部として最初の PXNUMX コンパイラの XNUMX つをリリースしました。

6) ソフトウェア。

VMware は、P4 が多大なエネルギー、イノベーション、コミュニティを生み出し、ネットワークにおける有意義かつ必要な変革を推進すると信じています。 インフラストラクチャの機能を拡張し、それを最新の製品に実装するソフトウェア ベースのアプローチによってイノベーションの新たな波が推進されているため、VMware は当初からこの業界の動きに参加してきました。

したがって、P4 は、ターゲットに依存せず、プロトコルに依存しないプログラミング言語であり、パケット ルーティングの動作をプログラムとして独自に定義するために産業界や学術機関で使用されており、複数のターゲット向けにコンパイルすることができます。 現在、ターゲットには、ハードウェアおよびソフトウェア スイッチ、ハイパーバイザー スイッチ、NPU、GPU、FPGA、SmartNIC、および ASIC が含まれます。

この言語の主な機能により、その適用範囲が大幅に拡張され、ネットワーク アーキテクチャへの迅速な実装が保証されます。

はじめに

P4 はオープン プロジェクトであり、関連情報はすべて Web サイトにあります。 P4.org

リポジトリリンク https://github.com/p4lang、サンプル ソース コードとチュートリアルを入手できます。

プラグイン Eclipse の場合は P4 をサポートしますが、お勧めします P4スタジオ 裸足から。

カーネルの主な抽象化を見てみましょう。

ヘッダーの定義 — 彼らの助けを借りて、プロトコルヘッダーが決定されます。

ヘッダー定義では次のように指定します。

• パケットフォーマットとヘッダーフィールド名の説明
• 固定フィールドと可変フィールドが許可されています

例えば

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;
}


パーサー — 彼らの仕事は見出しを解析することです。

次のパーサーの例は、マシンの最終状態の XNUMX つの初期状態から XNUMX つの最終状態のいずれかへの遷移を決定します。

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;
        }
    }…
}


テーブル — ユーザーキーとアクションをリンクするマシン状態が含まれます。 活動 — パッケージの操作方法の説明。

テーブルにはパケット転送の状態 (管理レベルで定義) が含まれており、Match-Action ユニットについて説明します。

パケットは以下によって照合されます。

• 完全に一致
• 最長前置一致 (LPM)
• トリプルマッチング（マスキング）

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

考えられるすべてのアクションを事前にテーブルで定義する必要があります。

アクションはコードとデータで構成されます。 データは管理レベルから取得されます (IP アドレス/ポート番号など)。 特定のループフリーのプリミティブはアクション内で直接指定できますが、命令の数は予測可能である必要があります。 したがって、アクションにはループや条件ステートメントを含めることはできません。

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;
}


マッチアクションモジュール - 検索キーの作成、テーブル内での検索、アクションの実行を行うアクション。

モジュールの典型的な例を次の図に示します。

制御フロー — は、Match-Action モジュールが使用される順序を示します。 これは、高レベルのロジックと Match-Action シーケンスを定義する命令型プログラムです。 制御フローは、制御レベルを定義することによってすべてのオブジェクトをリンクします。

外部オブジェクト 明確に定義されたアーキテクチャと API インターフェイスを持つ特定のオブジェクトです。 たとえば、チェックサム計算、レジスタ、カウンタ、カウンタなどです。

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
}

メタデータ — 各パッケージに関連付けられたデータ構造。

メタデータには 2 種類あります。

  カスタム メタデータ (すべてのパッケージの空の構造)
    ここには何でも好きなものを入れることができます
    パイプライン全体で利用可能
    パッケージのハッシュを保存するなど、独自の目的で使用すると便利です

  内部メタデータ - アーキテクチャによって提供される
    ここで入力ポート、出力ポートを定義します
    パケットがキューに入れられたときのタイムスタンプ、キューの深さ
    マルチキャストハッシュ/マルチキャストキュー
    パッケージの優先順位、パッケージの重要性
    出力ポートの仕様 (例: 出力キュー)

P4コンパイラ

P4 コンパイラ (P4C) は以下を生成します。

1. データ プレーン ランタイム
2. データプレーンでマシンの状態を管理するための API

P4言語でのソフトウェアスイッチの例

ソースコードはリポジトリからダウンロードできます。

p4lang/p4c-bm: bmv2 の JSON 構成を作成します
p4lang/bmv2: bmv2 バージョンの JSON 構成を理解するソフトウェア スイッチ

図はプロジェクトのコンパイル図を示しています。

テーブル、レジスタ、カウンタの読み取りによる操作:

• 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>

ソース コードには、ソフトウェア スイッチ API を便利に使用するための simple_switch_CLI プログラムが含まれています。

この例と他の例はリポジトリからダウンロードできます。

PS この夏の初め、インテルはハイパースケール クラウド ユーザーのニーズに迅速に対応するために、ベアフット ネットワークスを買収する契約に署名しました。 Navin Shenoy (Intel Corporation データセンター グループ執行副社長兼ゼネラル マネージャー) が述べたように、これにより、Intel はより大きなワークロードとより多くの機会をデータセンター顧客に提供できるようになります。

私の個人的な意見では、Intel は FPGA チップ製造のリーダーであり、優れた Quartus 環境を備えていることを忘れてはなりません。 これは、Intel の登場により、Barefoot の製品ラインが拡張されるだけでなく、Quartus と P4 Studio も重大なアップデートを受け、Toffino および Toffino 2 ラインに追加されることが期待できることを意味します。

P4 コミュニティの正式メンバー - 会社 因子グループ.

出所： habr.com