P4 프로그래밍 언어

P4는 패킷 라우팅 규칙을 프로그래밍하도록 설계된 프로그래밍 언어입니다. C나 Python과 같은 범용 언어와 달리 P4는 네트워크 라우팅에 최적화된 다양한 설계를 갖춘 도메인별 언어입니다.

P4는 P4 언어 컨소시엄이라는 비영리 조직에서 라이센스를 받고 유지 관리하는 오픈 소스 언어입니다. 또한 오픈 소스 네트워킹 프로젝트를 위한 가장 큰 두 조직인 ONF(Open Networking Foundation)와 LF(Linux Foundation)에서도 지원됩니다.
이 언어는 원래 2013년에 만들어졌으며 "프로토콜 독립적, 패킷 라우팅 프로세서 프로그래밍"이라는 제목의 2014 SIGCOMM CCR 논문에 설명되어 있습니다.

P4는 처음부터 기하급수적으로 성장하고 발전하여 네트워크 어댑터, 스위치 및 라우터를 포함한 네트워크 장치의 패킷 전송을 설명하는 표준이 되었습니다.

Open Networking Foundation의 전무이사인 Guru Parulkar는 "SDN은 네트워킹 산업을 변화시켰으며 P4는 라우팅에 프로그래밍 기능을 추가하여 SDN을 한 단계 더 발전시켰습니다."라고 말했습니다.

P4 언어는 원래 Google, Intel, Microsoft Research, Barefoot, Princeton 및 Stanford의 엔지니어 및 연구원 그룹에 의해 만들어졌습니다. 목표는 간단했습니다. 소프트웨어 개발자가 하루 만에 배울 수 있고 네트워크를 통해 패킷이 전송되는 방식을 정확하게 설명하는 데 사용할 수 있는 사용하기 쉬운 언어를 만드는 것입니다.

처음부터 P4는 타겟 독립적으로 설계되었습니다(즉, P4로 작성된 프로그램은 ASIC, FPGA, CPU, NPU 및 GPU와 같은 다양한 타겟에서 실행되도록 변경 없이 컴파일될 수 있습니다).

언어는 또한 프로토콜 독립적입니다(즉, P4 프로그램은 기존 표준 프로토콜을 설명하거나 새로운 사용자 정의 주소 지정 모드를 지정하는 데 사용될 수 있습니다).

업계에서는 P4가 장치 프로그래밍에 사용됩니다. 아마도 미래에는 인터넷-RFC 및 IEEE 표준에도 P4 사양이 포함될 것입니다.

P4는 프로그래밍 가능 장치와 고정 기능 장치 모두에 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 오픈 소스 SONiC 스위치 OS에서 사용하는 SAI(Switch Abstraction Interface) API에서 스위치 파이프라인 동작을 정확하게 기록하는 데 사용됩니다. P4는 ONF Stratum 프로젝트에서도 사용되어 다양한 고정 장치 및 프로그래밍 가능 장치 전반의 스위칭 동작을 설명합니다.

처음으로 스위치와 네트워크 어댑터의 동작을 설명하면 배포 전에 전체 네트워크의 정확한 실행 가능 모델을 생성할 수 있습니다. 대규모 클라우드 제공업체는 소프트웨어를 사용하여 네트워크 전체를 테스트하고 디버그할 수 있으므로 값비싼 하드웨어 없이도 실험실에서 상호 운용성 테스트에 소요되는 시간과 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

P4를 사용하면 네트워크 장비 공급업체는 모든 제품에 걸쳐 공통된 기본 라우팅 동작을 기대할 수 있으므로 테스트 인프라를 재사용하고 관리 소프트웨어 개발을 단순화하며 궁극적으로 상호 운용성을 보장할 수 있습니다.

물론 P4를 사용하여 완전히 새로운 라우팅 방법을 설명하는 프로그램을 작성할 수 있습니다. 예를 들어, P4는 데이터 센터, 기업 및 서비스 제공업체 네트워크의 원격 측정 및 측정에 널리 사용됩니다.

연구계도 나섰다. 몇몇 선도적인 학술 네트워킹 연구 그룹에서는 로드 밸런싱, 합의 프로토콜 및 키 값 캐싱을 포함하여 P4 프로그램을 기반으로 하는 흥미롭고 새로운 애플리케이션을 발표했습니다. 새로운 프로그래밍 패러다임이 만들어지고 있으며, 혁신은 하드웨어에서 소프트웨어로 옮겨가고 있으며, 예상치 못한 새롭고 독창적인 아이디어가 많이 등장할 수 있게 되었습니다.

개발자 커뮤니티는 컴파일러, 파이프라인, 동작 모델, API, 테스트 프레임워크, 애플리케이션 등을 포함하여 코드 개발에 상당한 기여를 해왔습니다. Alibaba, AT&T, Barefoot, Cisco, Fox Networks, Google, Intel, IXIA, Juniper Networks, Mellanox, Microsoft, Netcope, Netronome, VMware, Xilinx 및 ZTE와 같은 회사에는 전담 개발자가 있습니다. BUPT, Cornell, Harvard, MIT, NCTU, Princeton, Stanford, Technion, Tsinghua, UMass 및 USI를 포함한 대학 출신; CORD, FD.io, OpenDaylight, ONOS, OvS, SAI 및 Stratum을 포함한 오픈 소스 프로젝트는 P4가 독립적인 커뮤니티 프로젝트라는 사실을 강조합니다.

P4 언어용 컨트롤러의 일반적인 세대:

신청 전망

언어는 라우팅 애플리케이션을 위해 만들어졌기 때문에 요구 사항 및 설계 옵션 목록은 범용 프로그래밍 언어와 다릅니다. 언어의 주요 기능은 다음과 같습니다.

1. 목표 구현으로부터의 독립성
2. 사용된 프로토콜의 독립성
3. 현장 재구성.

목표 구현으로부터의 독립성

P4 프로그램은 구현 독립적으로 설계되었습니다. 즉, 범용 프로세서, FPGA, 시스템 온 칩, 네트워크 프로세서 및 ASIC과 같은 다양한 유형의 실행 엔진용으로 컴파일될 수 있습니다. 이러한 다양한 유형의 머신을 P4 타겟이라고 하며, 각 타겟에는 P4 소스 코드를 타겟 스위치 모델로 변환하는 컴파일러가 필요합니다. 컴파일러는 대상 장치, 외부 소프트웨어 또는 클라우드 서비스에 내장될 수 있습니다. P4 프로그램의 원래 대상 중 다수는 단순한 패킷 교환을 위한 것이었기 때문에 "P4 대상"이 더 정확하더라도 "P4 스위치"라는 용어를 듣는 것이 매우 일반적입니다.

사용된 프로토콜의 독립성

P4는 프로토콜에 독립적입니다. 이는 언어가 IP, 이더넷, TCP, VxLAN 또는 MPLS와 같은 일반적인 프로토콜을 기본적으로 지원하지 않는다는 것을 의미합니다. 대신 P4 프로그래머는 프로그램에 필요한 프로토콜의 헤더 형식과 필드 이름을 설명하며, 이는 컴파일된 프로그램과 대상 장치에 의해 해석되고 처리됩니다.

현장 재구성성

프로토콜 독립성과 추상 언어 모델은 재구성을 허용합니다. P4 대상은 시스템 배포 후 패킷 처리를 변경할 수 있어야 합니다. 이 기능은 전통적으로 고정 기능 집적 회로보다는 범용 프로세서나 네트워크 프로세서를 통한 라우팅과 관련되어 왔습니다.

특정 프로토콜 세트의 성능 최적화를 방해하는 언어에는 아무것도 없지만 이러한 최적화는 언어 작성자에게 보이지 않으며 궁극적으로 시스템과 목표의 유연성 및 재구성 가능성을 감소시킬 수 있습니다.

언어의 이러한 특성은 처음에는 네트워크 인프라에서의 광범위한 사용에 초점을 맞춰 제작자에 의해 규정되었습니다.

이 언어는 이미 많은 회사에서 사용되고 있습니다.

1) 대규모 데이터 센터;

중국 회사 Tencent는 세계 최대 투자 회사이자 최대 벤처 캐피탈 회사 중 하나입니다. 중국과 전 세계 다른 국가에 있는 Tencent의 자회사는 다양한 인터넷 서비스, 인공 지능 및 전자 엔터테인먼트 분야의 개발을 포함하여 다양한 하이테크 비즈니스 분야를 전문으로 합니다.

P4 및 프로그래밍 가능 라우팅은 회사의 네트워크 아키텍처에 사용되는 고급 기술입니다.

창시자 중 하나인 Google은 네트워킹 산업, 특히 데이터 센터 아키텍처 설계에서 P4의 급속한 채택을 자랑스럽게 생각합니다.

2) 상업 회사;

Goldman Sachs는 오픈 소스 커뮤니티와의 협력을 통해 공통 표준 및 솔루션을 개발하여 네트워크 인프라를 혁신하고 고객에게 더 나은 솔루션을 제공합니다.

3) 생산;

전체 네트워킹 산업은 전달 동작을 고유하게 정의하는 P4와 같은 언어의 이점을 누릴 수 있습니다. Cisco는 또한 이 언어를 사용하기 위해 제품 라인을 이전해야 한다고 믿습니다.

주니퍼 네트웍스는 다양한 제품에 P4 및 P4 런타임을 포함시켰으며 주니퍼 임베디드 프로세서와 해당 소프트웨어 코드에 대한 프로그래밍 방식의 액세스를 제공합니다.

Ruijie Networks는 P4와 P4가 네트워크에 제공하는 이점을 강력히 지지합니다. PXNUMX를 통해 회사는 다양한 고객에게 동급 최고의 솔루션을 만들고 제공할 수 있습니다.

4) 통신사업자

AT&T는 P4를 초기에 채택한 회사로, P4를 사용하여 네트워크에서 보고자 하는 동작을 정의하고 네트워크에서 P4 프로그래밍 가능 전달 장치를 사용하는 최초의 회사 중 하나입니다.

Deutsche Telekom에서 이 언어는 Access 4.0 프로그램의 일부로 주요 네트워크 기능을 프로토타입하는 데 사용됩니다.

5) 반도체 산업;

이 언어를 통해 Barefoot은 네트워크 라우팅 플레인에 소프트웨어 기능을 제공하기 위한 새로운 패러다임을 구현할 수 있었습니다.

Xilinx는 P4.org의 창립자 중 하나였으며 P4 언어 개발에 적극적으로 참여하여 이를 SmartNIC 및 NFV 하드웨어용 FPGA 기반 프로그래밍 가능 플랫폼에 구현했으며 SDNet 설계의 일부로 최초의 P416 컴파일러 중 하나를 출시했습니다.

6) 소프트웨어.

VMware는 P4가 네트워크에서 의미 있고 필요한 변화를 주도하는 엄청난 에너지, 혁신 및 커뮤니티를 창출한다고 믿습니다. 인프라 기능을 확장하고 이를 최신 제품에 구현하는 소프트웨어 기반 접근 방식을 통해 새로운 혁신의 물결이 주도됨에 따라 VMware는 처음부터 이러한 업계 움직임의 일부였습니다.

따라서 P4는 업계와 학계에서 패킷 라우팅 동작을 프로그램으로 고유하게 정의하는 데 사용되는 대상 독립적이고 프로토콜 독립적인 프로그래밍 언어이며, 이는 여러 대상에 대해 컴파일될 수 있습니다. 현재 대상에는 하드웨어 및 소프트웨어 스위치, 하이퍼바이저 스위치, NPU, GPU, FPGA, SmartNIC 및 ASIC이 포함됩니다.

언어의 주요 기능은 적용 범위를 크게 확장하고 네트워크 아키텍처에서 신속한 구현을 보장합니다.

시작하기

P4는 공개 프로젝트이며 모든 관련 정보는 웹사이트에 있습니다. P4.org

저장소 링크 https://github.com/p4lang, 예제 소스 코드와 튜토리얼을 얻을 수 있습니다.

플러그인 P4를 지원하는 Eclipse의 경우 권장할 수 있습니다. P4 스튜디오 맨발에서.

커널의 주요 추상화를 살펴보겠습니다.

헤더 정의 — 도움을 받아 프로토콜 헤더가 결정됩니다.

헤더 정의는 다음을 지정합니다.

• 패킷 형식 및 헤더 필드 이름에 대한 설명
• 고정 및 가변 허용 필드

예를 들면

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;
}


파서 — 그들의 임무는 헤드라인을 분석하는 것입니다.

다음 파서 예제는 머신의 최종 상태가 하나의 초기 상태에서 두 개의 최종 상태 중 하나로 전환되는 것을 결정합니다.

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;
        }
    }…
}


Таблицы — 사용자 키를 작업과 연결하는 컴퓨터 상태를 포함합니다. 활동 — 패키지를 조작하는 방법에 대한 설명입니다.

테이블에는 패킷 전달에 대한 상태(관리 수준에서 정의됨)가 포함되어 있으며 일치 작업 단위를 설명합니다.

패킷은 다음과 일치합니다.

• 정확히 일치
• LPM(최장 접두사 일치)
• 트리플 매칭(마스킹)

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

가능한 모든 작업은 미리 표에 정의되어 있어야 합니다.

액션은 코드와 데이터로 구성됩니다. 데이터는 관리 수준(예: IP 주소/포트 번호)에서 가져옵니다. 특정 루프 없는 기본 요소는 작업에서 직접 지정할 수 있지만 명령 수는 예측 가능해야 합니다. 따라서 작업에는 루프나 조건문이 포함될 수 없습니다.

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;
}


매치 액션 모듈 — 검색 키 생성, 테이블 검색, 작업 수행을 위한 작업입니다.

모듈의 일반적인 예가 그림에 나와 있습니다.

제어 흐름 — 일치 작업 모듈이 사용되는 순서를 나타냅니다. 이것은 상위 수준의 논리와 일치 작업 순서를 정의하는 필수 프로그램입니다. 제어 흐름은 제어 수준을 정의하여 모든 개체를 연결합니다.

외부 개체 명확하게 정의된 아키텍처와 API 인터페이스를 가진 특정 개체입니다. 예를 들어 체크섬 계산, 레지스터, 카운터, 카운터 등이 있습니다.

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
}

메타 데이터 — 각 패키지와 관련된 데이터 구조.

메타데이터에는 두 가지 유형이 있습니다.

  사용자 정의 메타데이터(모든 패키지에 대한 빈 구조)
    여기에는 당신이 원하는 것을 넣을 수 있습니다
    파이프라인 전체에서 사용 가능
    예를 들어 패키지 해시를 저장하는 등 자신만의 목적으로 사용하기에 편리합니다.

  내부 메타데이터 - 아키텍처에서 제공
    입력 포트, 출력 포트가 여기에 정의됩니다.
    패킷이 대기열에 추가된 타임스탬프, 대기열 깊이
    멀티캐스트 해시/멀티캐스트 대기열
    패키지 우선순위, 패키지 중요도
    출력 포트 사양(예: 출력 대기열)

P4 컴파일러

P4 컴파일러(P4C)는 다음을 생성합니다.

1. 데이터 플레인 런타임
2. 데이터 플레인에서 머신 상태를 관리하기 위한 API

P4 언어의 소프트웨어 스위치 예

소스코드는 저장소에서 다운로드할 수 있습니다.

p4lang/p4c-bm: bmv2에 대한 JSON 구성을 생성합니다.
p4lang/bmv2: bmv2 버전 JSON 구성을 이해하는 소프트웨어 스위치

그림은 프로젝트 컴파일 다이어그램을 보여줍니다.

테이블, 판독 레지스터, 카운터를 사용한 조작:

• 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>

소스 코드에는 소프트웨어 스위치 API를 편리하게 사용할 수 있도록 simple_switch_CLI 프로그램이 포함되어 있습니다.

이 예제와 다른 예제를 저장소에서 다운로드할 수 있습니다.

PS 올 여름 초, 인텔은 하이퍼스케일 클라우드 사용자의 요구 사항을 신속하게 충족하기 위한 노력의 일환으로 Barefoot Networks 인수 계약을 체결했습니다. Navin Shenoy(Intel Corporation의 데이터 센터 그룹 수석 부사장 겸 총괄 관리자)가 말했듯이, 이를 통해 Intel은 데이터 센터 고객에게 더 큰 워크로드와 더 많은 기회를 제공할 수 있을 것입니다.

제 개인적인 생각으로는 Intel이 FPGA 칩 생산의 선두주자이고 뛰어난 Quartus 환경을 갖추고 있다는 점을 잊어서는 안 됩니다. 이는 Intel의 출시로 Barefoot이 제품 라인을 확장할 뿐만 아니라 Quartus 및 P4 Studio도 Toffino 및 Toffino 2 라인에 대한 심각한 업데이트 및 추가를 받을 것으로 기대할 수 있음을 의미합니다.

P4 커뮤니티의 공식 회원 - 회사 요인군.

출처 : habr.com