П4 програмски јазик

P4 е програмски јазик дизајниран да програмира правила за рутирање на пакети. За разлика од јазикот за општа намена како што се C или Python, P4 е јазик специфичен за домен со голем број дизајни оптимизирани за мрежно рутирање.

P4 е јазик со отворен код лиценциран и одржуван од непрофитна организација наречена P4 Language Consortium. Поддржан е и од Фондацијата за отворени мрежи (ONF) и Фондацијата Linux (LF), две од најголемите чадор организации за мрежни проекти со отворен код.
Јазикот првично беше измислен во 2013 година и опишан во документот SIGCOMM CCR од 2014 година со наслов „Независен протокол, програмирање на процесор за рутирање на пакети“.

Од своето основање, P4 растеше и еволуираше експоненцијално, брзо станувајќи стандард за опишување на пренос на пакети од мрежни уреди, вклучувајќи мрежни адаптери, прекинувачи и рутери.

„SDN ја трансформираше мрежна индустрија, а P4 го однесе SDN на следното ниво со тоа што ќе ја доведе програмабилноста во рутирањето“, рече Гуру Парулкар, извршен директор на Фондацијата за отворени мрежи.

Јазикот P4 првично беше создаден од група инженери и истражувачи од Google, Intel, Microsoft Research, Barefoot, Princeton и Stanford. Целта беше едноставна: да се создаде лесен за употреба јазик што развивачот на софтвер може да го научи за еден ден и да го користи за прецизно да опише како пакетите се испраќаат низ мрежите.

Од самиот почеток, P4 беше дизајниран да биде целно независен (т.е. програма напишана во P4 може да се компајлира непроменета за да работи на различни цели како што се ASIC, FPGA, CPU, NPU и GPU).

Јазикот е исто така независен од протоколот (т.е., програмата P4 може да ги опише постоечките стандардни протоколи или да се користи за одредување нови сопствени режими на адресирање).

Во индустријата, P4 се користи за програмирање на уреди. Можеби во иднина стандардите Internet-RFC и IEEE ќе ја вклучат и спецификацијата P4.

P4 може да се користи и за програмибилни и за фиксни функционални уреди. На пример, се користи за прецизно снимање на однесувањето на цевководот на прекинувачот во API-ите на Switch Abstraction Interface (SAI) што се користат од SONiC прекинувачот со отворен код. P4 исто така се користи во проектот ONF Stratum за да се опише однесувањето на префрлување на различни фиксни и програмабилни уреди.

За прв пат, опишувањето на однесувањето на прекинувачот и мрежните адаптери ви овозможува да креирате точен извршен модел на целата мрежа пред распоредувањето. Големите даватели на облак можат да ја тестираат и дебагираат мрежата целосно користејќи софтвер, значително намалувајќи го времето и трошоците за тестирање на интероперабилност во лабораторија без да бараат скап хардвер.

Со користење на P4, продавачите на мрежна опрема можат да очекуваат заедничко основно однесување на рутирање кај сите производи, овозможувајќи повторна употреба на тест инфраструктурата, поедноставување на развојот на софтвер за управување и на крајот обезбедување интероперабилност.

Се разбира, P4 може да се користи за пишување програми кои опишуваат сосема нови начини на рутирање. На пример, P4 е широко користен за телеметрија и мерења во центри за податоци, претпријатија и мрежи на даватели на услуги.

Истражувачката заедница исто така се засили. Неколку водечки академски истражувачки групи за вмрежување објавија возбудливи нови апликации засновани на програми P4, вклучувајќи балансирање на оптоварување, протоколи за консензус и кеширање на клучните вредности. Се создава нова програмска парадигма, иновациите се движат од хардвер во софтвер, овозможувајќи да се појават многу неочекувани, нови и генијални идеи.

Заедницата на програмери направи значителен придонес во развојот на кодот, вклучувајќи компајлери, цевководи, модели на однесување, API, тест рамки, апликации и многу повеќе. Компаниите како Alibaba, AT&T, Barefoot, Cisco, Fox Networks, Google, Intel, IXIA, Juniper Networks, Mellanox, Microsoft, Netcope, Netronome, VMware, Xilinx и ZTE имаат посветени развивачи; од универзитети вклучувајќи ги BUPT, Cornell, Harvard, MIT, NCTU, Princeton, Stanford, Technion, Tsinghua, UMass и USI; и проектите со отворен код, вклучувајќи ги CORD, FD.io, OpenDaylight, ONOS, OvS, SAI и Stratum го истакнуваат фактот дека P4 е независен проект на заедницата.

Типична генерација на контролери за јазикот P4:

Изгледите за апликација

Бидејќи јазикот е наменет за рутирање на апликации, списокот на барања и опции за дизајн е различен во споредба со програмските јазици за општа намена. Главните карактеристики на јазикот се:

1. Независност од целната имплементација;
2. Независност на користениот протокол(и);
3. Реконфигурација на теренот.

Независност од целната имплементација

Програмите P4 се дизајнирани да бидат независни од имплементацијата, што значи дека може да се компајлираат за многу различни типови на извршни мотори, како што се процесори за општа намена, FPGA, систем-на-чипови, мрежни процесори и ASIC. Овие различни типови на машини се познати како цели P4, и секоја цел бара компајлер за конвертирање на изворниот код на P4 во модел на целен прекинувач. Компајлерот може да биде вграден во целниот уред, надворешен софтвер, па дури и во облак услуга. Бидејќи многу од оригиналните цели за програмите P4 беа за едноставно префрлување на пакети, многу е вообичаено да се слушне терминот „P4 switch“ иако „P4 target“ е попрецизен.

Независност на користениот протокол(и).

P4 е независен од протоколот. Ова значи дека јазикот нема мајчин поддршка за вообичаени протоколи како што се IP, Ethernet, TCP, VxLAN или MPLS. Наместо тоа, програмерот P4 ги опишува форматите на заглавието и имињата на полињата на потребните протоколи во програмата, кои пак се толкуваат и обработуваат од компајлираната програма и целниот уред.

Реконфигурација на теренот

Независноста на протоколот и моделот на апстрактниот јазик овозможуваат повторна конфигурација - целите на P4 треба да можат да ја менуваат обработката на пакетите откако системот ќе се распореди. Оваа способност традиционално се поврзува со рутирање преку процесори за општа намена или мрежни процесори наместо со фиксни функционални интегрирани кола.

Иако нема ништо во јазикот што би спречило оптимизација на перформансите на одреден сет на протоколи, овие оптимизации се невидливи за авторот на јазикот и на крајот може да ја намалат флексибилноста на системот и целите и нивната реконфигурабилност.

Овие карактеристики на јазикот првично беа поставени од неговите креатори со фокус на неговата широка употреба во мрежната инфраструктура.

Јазикот веќе се користи во многу компании:

1) центри за податоци за хиперскали;

Кинеската компанија Tencent е најголемата инвестициска компанија во светот и една од најголемите фирми за ризичен капитал. Подружниците на Tencent, како во Кина, така и во други земји ширум светот, се специјализирани во различни области на високотехнолошкиот бизнис, вклучително и разни интернет-услуги, случувања во областа на вештачката интелигенција и електронската забава.

P4 и програмираното рутирање се напредни технологии кои се користат во мрежната архитектура на компанијата.

Како еден од иницијаторите, Google со гордост го забележува брзото усвојување на P4 во индустријата за мрежи и особено во архитектонскиот дизајн на центрите за податоци.

2) Комерцијални друштва;

Голдман Сакс ја користи соработката со заедницата со отворен код и развива заеднички стандарди и решенија за да иновира мрежна инфраструктура и да обезбеди подобри решенија за клиентите.

3) Производство;

Целата мрежна индустрија би имала корист од јазик како P4 кој уникатно го дефинира однесувањето за препраќање. Cisco исто така верува во пренесување на своите производни линии на користење на овој јазик.

Juniper Networks вклучи P4 и P4 Runtime во голем број производи и обезбедува програмски пристап до вградениот процесор Juniper и неговиот софтверски код.

Ruijie Networks е силен поддржувач на P4 и придобивките што ги носи на мрежите. Со P4, компанијата може да креира и испорачува најдобри решенија во својата класа до широк опсег на клиенти.

4) Телекомуникациски даватели;

AT&T беше ран усвоен на P4, еден од првите што го користеше P4 за да го дефинира однесувањето што сакаше да го види во своите мрежи и да користи P4 програмабилни уреди за препраќање на својата мрежа.

Во Дојче Телеком, јазикот се користи за прототип на клучните мрежни функции како дел од програмата Access 4.0.

5) Полупроводничка индустрија;

Јазикот му овозможи на Barefoot да имплементира нова парадигма за доставување софтверски способности на мрежната рутирачка рамнина.

Xilinx беше еден од основачите на P4.org и беше активно вклучен во развојот на јазикот P4 и го имплементираше во програмибилни платформи базирани на FPGA за хардвер SmartNIC и NFV, ослободувајќи еден од првите P416 компајлери како дел од дизајнот SDNet.

6) Софтвер.

VMware верува дека P4 создава огромна енергија, иновации и заедница што предизвикува значајна и неопходна трансформација во мрежата. VMware е дел од ова индустриско движење од самиот почеток, бидејќи новиот бран на иновации е поттикнат од пристапи базирани на софтвер кои ги прошируваат инфраструктурните можности и ги имплементираат во најновите производи.

Така, P4 е програмски јазик независен од цел и независен протокол кој се користи од индустријата и академската заедница за уникатно дефинирање на однесувањето за рутирање на пакети како програма, која пак може да се компајлира за повеќе цели. Денес, целите вклучуваат хардверски и софтверски прекинувачи, хипервизорски прекинувачи, NPU, GPU, FPGA, SmartNIC и ASIC.

Главните карактеристики на јазикот значително го прошируваат опсегот на неговата примена и обезбедуваат негова брза имплементација во мрежните архитектури.

Getting Started

P4 е отворен проект, сите релевантни информации се на веб-страницата P4.org

Врска за складиште https://github.com/p4lang, каде што можете да добиете пример изворен код и упатства.

Приклучок за Eclipse со поддршка за P4, но можеме да препорачаме Студио P4 од Боси.

Ајде да ги погледнеме главните апстракции на кернелот:

Дефинирање на заглавија — со нивна помош се одредуваат заглавијата на протоколите.

Дефиницијата за заглавие одредува:

• опис на формати на пакети и имиња на полиња на заглавието
• фиксни и променливи дозволени полиња

На пример

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;
}


Парсери — нивната задача е да ги анализираат насловите.

Следниот пример за анализатор ќе го одреди преминот на конечната состојба на машината од една почетна состојба во една од двете конечни состојби:

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;
        }
    }…
}


Табели — содржи машински состојби кои ги поврзуваат корисничките клучеви со дејства. Активност — опис на тоа како треба да се манипулира со пакетот.

Табелите содржат состојби (дефинирани на ниво на управување) за препраќање пакети, ја опишуваат единицата Match-Action

Пакетите се совпаѓаат со:

• Точно совпаѓање
• Најдолго совпаѓање со префикс (LPM)
• Тројно совпаѓање (маскирање)

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

Сите можни дејства мора однапред да се дефинираат во табели.

Акциите се состојат од код и податоци. Податоците доаѓаат од ниво на управување (на пр. IP адреси/броеви на порти). Одредени примитиви без јамка може да се наведат директно во дејството, но бројот на инструкции мора да биде предвидлив. Затоа, акциите не можат да содржат никакви циклуси или условни изјави.

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;
}


Match-Action модули — дејства за креирање клуч за пребарување, пребарување во табела, извршување дејства.

Типичен пример на модул е ​​прикажан на сликата:

Контролирајте го протокот — го означува редоследот по кој се користат модулите Match-Action. Ова е императивна програма која ја дефинира логиката на високо ниво и секвенцата на Match-Action. Контролниот тек ги поврзува сите објекти со дефинирање на нивото на контрола.

Надворешни објекти се специфични објекти со јасно дефинирана архитектура и API интерфејси. На пример, пресметка на контролната сума, регистри, бројачи, бројачи итн.

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
}

Метаподатоци — структури на податоци поврзани со секој пакет.

Постојат 2 типа на метаподатоци:

  Прилагодени метаподатоци (празна структура за сите пакети)
    Овде можете да ставите што сакате
    Достапно низ целиот гасовод
    погодно за употреба за ваши цели, на пример, за складирање хаш на пакети

  Внатрешни метаподатоци - обезбедени од архитектурата
    Влезната порта, излезната порта се дефинирани овде
    Временски печат кога пакетот беше во ред, длабочина на редот
    мултикаст хаш / повеќекратна редица
    Приоритет на пакетот, важност на пакетот
    Спецификација за излезна порта (на пр., редица за излез)

P4 компајлер

Компајлерот P4 (P4C) генерира:

1. Време на извршување на податочна рамнина
2. API за управување со состојбата на машината во податочната рамнина

Пример за софтверски прекинувач во јазикот P4

Изворните кодови може да се преземат од складиштето.

p4lang/p4c-bm: создава JSON конфигурација за bmv2
p4lang/bmv2: софтверски прекинувач што ги разбира конфигурациите на JSON верзијата на bmv2

Сликата го прикажува дијаграмот за составување на проектот:

Манипулации со табели, регистри за читање, бројачи:

• 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>

Изворниот код ја содржи програмата simple_switch_CLI за практично користење на API-то на софтверскиот прекинувач.

Можете да го преземете овој и други примери од складиштето.

PS На почетокот на ова лето, Интел потпиша договор за купување Barefoot Networks во обид брзо да ги задоволи потребите на корисниците на Hyperscale Cloud. Како што рече Навин Шеној (извршен потпретседател и генерален менаџер на Data Center Group во корпорацијата Интел), ова ќе му овозможи на Интел да обезбеди поголем обем на работа и повеќе можности за клиентите на центрите за податоци.

Според мое лично мислење, не треба да заборавиме дека Intel е лидер во производството на FPGA чипови и има одлична Quartus околина. Тоа значи дека можеме да очекуваме дека со доаѓањето на Intel, Barefoot не само што ќе ја прошири својата производна линија, туку и Quartus и P4 Studio ќе добијат сериозни ажурирања и дополнувања на линијата Toffino и Toffino 2.

Официјален член на заедницата P4 - компанија Факторска група.

Извор: www.habr.com