П4 програмски језик

П4 је програмски језик дизајниран за програмирање правила рутирања пакета. За разлику од језика опште намене као што су Ц или Питхон, П4 је језик специфичан за домен са бројним дизајном оптимизованим за мрежно рутирање.

П4 је језик отвореног кода који лиценцира и одржава непрофитна организација под називом П4 Лангуаге Цонсортиум. Такође га подржавају Опен Нетворкинг Фоундатион (ОНФ) и Линук Фоундатион (ЛФ), две највеће кровне организације за пројекте умрежавања отвореног кода.
Језик је првобитно скован 2013. године и описан у СИГЦОММ ЦЦР документу из 2014. под насловом „Протоцол Индепендент, Пацкет Роутинг Процессор Программинг“.

Од свог почетка, П4 је експоненцијално растао и еволуирао, брзо постајући стандард за описивање преноса пакета путем мрежних уређаја, укључујући мрежне адаптере, прекидаче и рутере.

„СДН је трансформисао индустрију умрежавања, а П4 подиже СДН на следећи ниво доводећи програмибилност у рутирање“, рекао је Гуру Парулкар, извршни директор Опен Нетворкинг Фоундатион.

Језик П4 је првобитно креирала група инжењера и истраживача из Гоогле-а, Интел-а, Мицрософт Ресеарцх-а, Барефоот-а, Принцетон-а и Станфорда. Циљ је био једноставан: креирати језик који је једноставан за коришћење који би програмер софтвера могао да научи за један дан и да га користи да прецизно опише како се пакети шаљу преко мрежа.

Од самог почетка, П4 је дизајниран да буде независан од циља (тј. програм написан у П4 могао би да се компајлира непромењен да ради на различитим циљевима као што су АСИЦ, ФПГА, ЦПУ, НПУ и ГПУ).

Језик је такође независан од протокола (тј., П4 програм може да опише постојеће стандардне протоколе или да се користи за спецификацију нових прилагођених начина адресирања).

У индустрији, П4 се користи за програмирање уређаја. Можда ће у будућности Интернет-РФЦ и ИЕЕЕ стандарди такође укључивати П4 спецификацију.

П4 се може користити и за програмабилне и за уређаје са фиксном функцијом. На пример, користи се за прецизно бележење понашања цевовода прекидача у АПИ-јима интерфејса за апстракцију прекидача (САИ) које користи СОНиЦ свитцх ОС отвореног кода. П4 се такође користи у пројекту ОНФ Стратум да опише понашање при пребацивању на различитим фиксним и програмабилним уређајима.

По први пут, описивање понашања прекидача и мрежних адаптера омогућава вам да креирате тачан извршни модел целе мреже пре примене. Велики провајдери у облаку могу тестирати и отклањати грешке на мрежи у потпуности користећи софтвер, значајно смањујући време и трошкове тестирања интероперабилности у лабораторији без потребе за скупим хардвером.

Коришћењем П4, добављачи мрежне опреме могу очекивати заједничко понашање рутирања у основи за све производе, омогућавајући поновно коришћење тестне инфраструктуре, поједностављујући развој софтвера за управљање и на крају обезбеђујући интероперабилност.

Наравно, П4 се може користити за писање програма који описују потпуно нове начине рутирања. На пример, П4 се широко користи за телеметрију и мерења у центрима података, предузећима и мрежама провајдера услуга.

Истраживачка заједница се такође појачала. Неколико водећих академских истраживачких група за умрежавање објавило је узбудљиве нове апликације засноване на П4 програмима, укључујући балансирање оптерећења, протоколе консензуса и кеширање кључних вредности. Ствара се нова програмска парадигма, иновације се крећу са хардвера на софтвер, омогућавајући да се појаве многе неочекиване, нове и генијалне идеје.

Заједница програмера дала је значајан допринос развоју кода, укључујући компајлере, цевоводе, моделе понашања, АПИ-је, тест оквире, апликације и још много тога. Компаније као што су Алибаба, АТ&Т, Барефоот, Цисцо, Фок Нетворкс, Гоогле, Интел, ИКСИА, Јунипер Нетворкс, Мелланок, Мицрософт, Нетцопе, Нетрономе, ВМваре, Ксилинк и ЗТЕ имају наменске програмере; са универзитета укључујући БУПТ, Цорнелл, Харвард, МИТ, НЦТУ, Принцетон, Станфорд, Тецхнион, Тсингхуа, УМасс и УСИ; и пројекти отвореног кода укључујући ЦОРД, ФД.ио, ОпенДаилигхт, ОНОС, ОвС, САИ и Стратум наглашавају чињеницу да је П4 независан пројекат заједнице.

Типична генерација контролера за језик П4:

Изгледи примене

Пошто је језик намењен за рутирање апликација, листа захтева и опција дизајна је другачија у поређењу са програмским језицима опште намене. Главне карактеристике језика су:

1. Независност од спровођења циља;
2. Независност коришћеног(их) протокола;
3. Реконфигурација поља.

Независност од спровођења циља

П4 програми су дизајнирани да буду независни од имплементације, што значи да се могу компајлирати за много различитих типова извршних машина, као што су процесори опште намене, ФПГА, систем на чиповима, мрежни процесори и АСИЦ. Ови различити типови машина су познати као П4 циљеви, а за сваки циљ је потребан компајлер да конвертује П4 изворни код у модел циљног прекидача. Компајлер се може уградити у циљни уређај, екстерни софтвер или чак услугу у облаку. Пошто су многи првобитни циљеви за П4 програме били за једноставну комутацију пакета, врло је уобичајено чути израз „П4 прекидач“ иако је „П4 циљ“ прецизнији.

Независност коришћеног(их) протокола(а).

П4 је независан од протокола. То значи да језик нема изворну подршку за уобичајене протоколе као што су ИП, Етхернет, ТЦП, ВкЛАН или МПЛС. Уместо тога, П4 програматор описује формате заглавља и имена поља потребних протокола у програму, који се заузврат тумаче и обрађују од стране преведеног програма и циљног уређаја.

Реконфигурација поља

Независност протокола и модел апстрактног језика омогућавају реконфигурацију—П4 циљеви би требало да буду у стању да промене обраду пакета након што се систем примени. Ова могућност је традиционално била повезана са рутирањем преко процесора опште намене или мрежних процесора, а не интегрисаних кола фиксне функције.

Иако у језику не постоји ништа што би спречило оптимизацију перформанси одређеног скупа протокола, ове оптимизације су невидљиве за аутора језика и на крају могу да смање флексибилност система и циљева и њихову реконфигурацију.

Ове карактеристике језика су првобитно поставили његови творци са фокусом на његову широку употребу у мрежној инфраструктури.

Језик се већ користи у многим компанијама:

1) Хиперсцале дата центри;

Кинеска компанија Тенцент је највећа инвестициона компанија на свету и једна од највећих компанија ризичног капитала. Тенцентове подружнице, како у Кини, тако иу другим земљама широм света, специјализоване су за различите области пословања високе технологије, укључујући разне интернет услуге, развој у области вештачке интелигенције и електронске забаве.

П4 и програмабилно рутирање су напредне технологије које се користе у мрежној архитектури компаније.

Као један од иницијатора, Гоогле са поносом примећује брзо усвајање П4 у индустрији умрежавања, а посебно у архитектонском дизајну центара података.

2) привредна друштва;

Голдман Сацхс користи предности рада са заједницом отвореног кода и развија заједничке стандарде и решења за иновирање мрежне инфраструктуре и пружање бољих решења за клијенте.

3) производња;

Цела индустрија умрежавања би имала користи од језика као што је П4 који јединствено дефинише понашање прослеђивања. Цисцо такође верује у преношење својих производних линија на овај језик.

Јунипер Нетворкс је укључио П4 и П4 Рунтиме у бројне производе и пружа програмски приступ уграђеном процесору Јунипер и његовом софтверском коду.

Руијие Нетворкс снажно подржава П4 и предности које он доноси мрежама. Са П4, компанија може да креира и испоручи најбоља решења у класи широком спектру купаца.

4) провајдери телекомуникација;

АТ&Т је рано усвојио П4, један од првих који је користио П4 да дефинише понашање које жели да види у својим мрежама и да користи П4 програмабилне уређаје за прослеђивање на својој мрежи.

У Деутсцхе Телекому, језик се користи за прототип кључних мрежних функција као део програма Аццесс 4.0.

5) индустрија полупроводника;

Језик је омогућио Барефоот-у да имплементира нову парадигму за испоруку софтверских могућности у равни мрежног рутирања.

Ксилинк је био један од оснивача П4.орг и био је активно укључен у развој П4 језика и имплементирао га у ФПГА-базиране програмабилне платформе за СмартНИЦ и НФВ хардвер, издајући један од првих П416 компајлера као део СДНет дизајна.

6) Софтвер.

ВМваре верује да П4 ствара огромну енергију, иновацију и заједницу која покреће значајну и неопходну трансформацију у мрежи. ВМваре је део овог индустријског покрета од самог почетка, пошто је нови талас иновација вођен приступима заснованим на софтверу који проширују инфраструктурне могућности и имплементирају их у најновије производе.

Дакле, П4 је програмски језик независан од циља и независан од протокола који користе индустрија и академска заједница да би јединствено дефинисали понашање рутирања пакета као програм, који се заузврат може компајлирати за више циљева. Данас мете укључују хардверске и софтверске прекидаче, хипервизорске прекидаче, НПУ, ГПУ, ФПГА, СмартНИЦ и АСИЦ.

Главне карактеристике језика значајно проширују обим његове примене и обезбеђују његову брзу имплементацију у мрежним архитектурама.

Први кораци

П4 је отворен пројекат, све релевантне информације су на веб страници П4.орг

Веза за складиште https://github.com/p4lang, где можете добити пример изворног кода и упутства.

Повезати за Ецлипсе са подршком за П4, али можемо препоручити П4 Студио од Босоног.

Хајде да погледамо главне апстракције кернела:

Дефинисање заглавља — уз њихову помоћ одређују се заглавља протокола.

Дефиниција заглавља наводи:

• опис формата пакета и имена поља заглавља
• фиксна и променљива дозвољена поља

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 — њихов задатак је да рашчлане наслове.

Следећи пример парсера ће одредити прелаз коначног стања машине из једног почетног стања у једно од два коначна стања:

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;
        }
    }…
}


Таблици — садрже стања машине која повезују корисничке кључеве са акцијама. Активност — опис начина на који треба манипулисати пакетом.

Табеле садрже стања (дефинисана на нивоу управљања) за прослеђивање пакета, описују јединицу Матцх-Ацтион

Пакети се подударају са:

• Тачан меч
• Најдуже подударање префикса (ЛПМ)
• Троструко подударање (маскирање)

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

Све могуће радње морају бити унапред дефинисане у табелама.

Акције се састоје од кода и података. Подаци долазе са нивоа управљања (нпр. ИП адресе/бројеви портова). Одређени примитиви без петље могу се специфицирати директно у акцији, али број инструкција мора бити предвидљив. Према томе, акције не могу садржати петље или условне изјаве.

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;
}


Модули Матцх-Ацтион — радње за креирање кључа за претрагу, претраживање у табели, извођење радњи.

Типичан пример модула је приказан на слици:

Контрола протока — означава редослед којим се користе модули Матцх-Ацтион. Ово је императив програм који дефинише логику високог нивоа и секвенцу Матцх-Ацтион. Контролни ток повезује све објекте дефинисањем нивоа контроле.

Спољашњи објекти су специфични објекти са јасно дефинисаном архитектуром и АПИ интерфејсима. На пример, обрачун контролне суме, регистри, бројачи, бројачи итд.

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
}

Метаподаци — структуре података повезане са сваким пакетом.

Постоје 2 типа метаподатака:

  Прилагођени метаподаци (празна структура за све пакете)
    Овде можете ставити шта год желите
    Доступан у целом цевоводу
    погодан за употребу у сопствене сврхе, на пример, за складиштење хеша пакета

  Интерни метаподаци – обезбеђује архитектура
    Овде су дефинисани улазни порт, излазни порт
    Временска ознака када је пакет стављен у ред чекања, дубина реда
    мултицаст хеш / мултицаст ред
    Приоритет пакета, важност пакета
    Спецификација излазног порта (нпр. излазни ред)

П4 компајлер

П4 компајлер (П4Ц) генерише:

1. Време рада у равни података
2. АПИ за управљање стањем машине у равни података

Пример софтверског прекидача на језику П4

Изворни кодови се могу преузети из спремишта.

п4ланг/п4ц-бм: креира ЈСОН конфигурацију за бмв2
п4ланг/бмв2: софтверски прекидач који разуме конфигурације ЈСОН верзије бмв2

На слици је приказан дијаграм компилације пројекта:

Манипулације са табелама, регистрима читања, бројачима:

• 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>

Изворни код садржи програм симпле_свитцх_ЦЛИ за практично коришћење АПИ-ја за пребацивање софтвера.

Можете преузети овај и друге примере из спремишта.

ПС Почетком овог лета, Интел је потписао уговор о куповини Барефоот Нетворкс у настојању да брзо задовољи потребе корисника Хиперсцале Цлоуд-а. Као што је Навин Шеној (извршни потпредседник и генерални директор Групе за дата центар у Интел корпорацији) рекао, ово ће омогућити Интелу да обезбеди веће обим посла и више могућности за кориснике дата центара.

По мом личном мишљењу, не треба заборавити да је Интел лидер у производњи ФПГА чипова и да има одлично Куартус окружење. То значи да можемо очекивати да доласком Интела, Барефоот не само да ће проширити своју линију производа, већ ће и Куартус и П4 Студио добити озбиљна ажурирања и додатке за Тоффино и Тоффино 2 линију.

Званични члан П4 заједнице - компанија Факторска група.

Извор: ввв.хабр.цом