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P4 概述

2013年， 当时还在德州仪器（TI）的 Pat Bosshart，联合斯坦福Nick、微软研究院的 George 等人在SIGCOMM上提出了一种RMT交换机实现，其实现了网络协议的自定义解析，自定义匹配、处理、转发，这个就是现在Intel Tofino 芯片的原型。但当时相关网络编程语言与编译器还未完善。

2014年，Pat Bosshart 等人进一步完善了编程语言部分，并在 sigcomm2014 上提出了P4，Programming Protocol-independent Packet Processors。P4 通过硬件相关的编译器编译成硬件机器码，下发到硬件中，真正实现硬件的网络可编程。

发展到2021年，P4相关功能、生态逐步完善，近期进展主要体现在三个方面：

• 新特性方面：P4-16不断迭代，P4Runtime、P4架构（PSA，PNA）不断发展；一系列适配P4的开源软件、工具、网络操作系统相继出现，如SONiC，Stratum 等；
• 硬件设备方面：P4 陆续适配新的平台，如CPU用户态的p4-dpdk（实验阶段），内核态的P4-ovs, FPGAs与SmartNiC等；
• 应用场景方面：硬件卸载场景，拥塞场景，安全场景相继开始使用P4。例如，MSR，KAUST与intel提出SwitchML加速分布式机器学习框架；国内安全厂商80%开始接触PISA可编程设备。Intel试图复制其在CPU上的成功方式，开源Tofino开发环境与一些实现细节，相关内容详见OpenTofino Github项目。

未来，P4将在如下三个方向发力：

• 语言设计：语言灵活性，模块化，更多的可编程性，提供更多语言的接口；
• 架构：完善 PSA (Portable Switch Architecture)，PNA（Portable NIC Architecture）与 P4-stdlib。特别是发展PNA，以将P4程序部署到智能网卡中，用于包括存储的多种网卡卸载场景，这个可能是P4的一个重要发展方向；
• APIs: 与工业级网络操作系统进行整合；

PSA 进展

Pat Bosshart 在2013年提出的PSA架构主要解决了如下问题：

• 协议头解析可随时调整；
• MAU 的数量、拓扑、宽度、大小可以调整；
• 动作域可以自定义；
• 数据包可以放到特定的队列

Pat Bosshart 在论文中证明了使用 RMT（Reconfigurable Match Tables）模型实现可编程网络的巨大潜力。
对比固定的pipeline交换机，可编程交换机多消耗20%的芯片面积，资源消耗完全在一个可以接受的范围。

可编程芯片拥有4Kbit PHV。
首先，用户定义解析器逻辑（解析图），编译器将用户定义的解析图转换为TCAM表项（256个表项，匹配域40bits，与Table中使用的TCAM物理独立），其中32bits的匹配域为数据报文头，8bits为解析状态。当TCAM表项匹配时，将触发动作执行，如更新parser的状态，将数据报文的指针偏移特定的长度，将数据报文的定义字段赋值到PHV的某个字段等。每个解析器是一个LOOP，一个LOOP可以处理32 Gb/s的带宽，事实上，由于不是每个字段都需要解析，一个Parser可很容易就支持40Gbps的速率。

可编程芯片的精确表通过Cuckoo Hash实现，采用4路，每路1K表项，占用一个SRAM block，一个stage总共106个RAM。
可编程芯片可以在一个时钟内并行读取所有路的值。每个表项保存：1）1个指向action内存（action参数值，从106个RAM块中分配）的指针；2）action大小；3）1个指向指令内存（操作函数，如add header，存储在单独的内存）的指针；4）1个指向下一跳table的指针。

此款可编程芯片最大支持640Gbps，32个stage，每个stage支持200多个action 单元，并行操作，每个单元可对一个PHV字段进行设置，总共超过7000个动作单元。
所有动作单元占总芯片面积的7.4%。动作单元都比较简单，每bit少于100个门。

PNA 进展

2021年5月，PNA将发布v0.5 版本，2021年底，将发布v1.0版本。

在NICs中，有许多与交换机相同的功能，如如 counters, meters, registers, action profiles, action selectors, hash, checksum 等。
也有许多 switch 中不同的功能，如Remote DMA offload (RDMA), IPsec encrypt/decrypt, TCP连接跟踪，TCP segmentation offloading(TSO), large receive offload (LRO), Receive Side Scaling (RSS)等。
因此，需要为网卡专门设计一种种可移植网络架构，PNA，其架构图如下所示，pipeline 被拆成了两部分，1）数据包处理：处理大部分MTU的独立的数据包；2）处理从host内存发出的、或发往hostneic的更多的数据块。更多细节参加PNA v0.5.pdf

P4-DPDK

dpdk 是 intel 的开源项目，intel 在收购 Barefoot 后，很自然地将 P4 与 dpdk 联系了在一起，于是产生了P4-DPDK项目。
通过 P4-DPDK 项目，开发者可以将 P4 语言翻译为dpdk实现，让其跑在多个CPU核上，从而让数据面：
1）代码更加简洁；
2）不需要预定义任何东西，只需定义协议、元数据、table、action，stats等；
3）提供分类器、ACL、FIB、Tunnel、NAT、Meters、Markers、Stats等能力；
3）解耦控制面，直接通过P4Runtime控制。

相关 P4-DPDK 的特性集合如下：

通过 P4-DPDK 工作流程如下：

• 线下处理：将.p4的文件转换为.spec中间文件；
• .spec中间文件定义了产生pipeline的P4对象，如header， metedata, actions， tables，datapath等；
• P4 action 与 apply代码块被翻译为预定义指令，预定义的指令不是底层X86指令，而是如上所述的P4对象。事实上，p4-dpdk是一个p4虚拟机；
• 外部控制器连接target-agent，加载.spec文件，从而使agent可以操作table；
• target agent 为每个pipeline产生p4对象，将每个 pipeline 运行到一个cpu核上，一个pipeline一个线程，一个CPU核可以执行一个或多个pipeline。

相关链接：

• P4C compiler: https://github.com/p4lang/p4c/tree/main/backends/dpdk
• DPDK back-end: http://git.dpdk.org/dpdk/tree/lib/pipeline
• DPDK Target agent: http://git.dpdk.org/dpdk/tree/examples/pipeline

其他进展

• Minlan Yu 分享了P4的近似方法，包括 sketch， sampling, coding, lossy compression, distributed algorithmls。并分享了两篇文章：1）PINT: Probabilistic In-band network telemetry；2）Cheetah: Database queries with switch pruning；
• Jennifer 分享了使用可编程设备进行高阶遥测的一些思路；
• ONF 分享了P4用于5G边缘场景的优势与挑战；
• 星融对其4D-P4交换机进行了简单介绍；
• 思科分享了其使用P4设备对无线接入点流量进行聚合的实践；
• google分享了其使用P4实现拥塞控制算法swift的方法，另外，分享了PINS，其将P4Runtime整合到控制面；
• 阿里云Yiqun Cai分享了其从2016年开始使用可编程交换机的历程，并简单分享了其两篇论文NetSeer，与Lyra;
• 百度分享了其在P4方面的实践，主要讲了其XGW产品，方案与案例的XGW类似；
• Keysight Technologies 公司分享了一种通过P4消除重复数据报文的方法；
• Intel Barefoot 提出一种使用P4抽象出一个大交换机的思路；NDP的SAI接口实现；
• Axbryd 提出扩展 p4 已实现流缓存机制的思路，并在p4模拟器上进行了实现；
• Sándor 助理教授提出使用树莓派进行P4教学的思路P4PI，以及分享了将可编程应用于工业互联网的思考；
• intel正在开发P4-DPDK项目，将P4代码编译为DPDK程序；
• Pensando Systems公司提出使用多级内存结构解决P4内存不足的问题的思路；分享了在边缘网络使用P4的价值；
• CodiLime 分享了使用ONOS控制P4可编程网卡的经验；
• Canopus Networks 公司分享了利用P4-PUSH遥测测量宽带的体验；
• Intel的Yanfang Le提出一种使用可编程在rack-scale网络中获得确定性实验的方法；
• OpenNets 公司提出一种使用中间层将不同的编程语言互相转换的思路；

趋势总结

近几年，工业界与学术界在P4上的研究点主要集中在如下几个方面：

• P4的新控制面，如PINS，AsterOS
• P4的新应用场景，如智能网卡、边缘5G、无线接入点
• P4的编译器，如 Lyra，大交换机的概念
• P4的新硬件形态，如星融的X3-T系列产品（使用ARM智能网卡扩展内存）、阿里的XGW（使用FGPA卡扩展内存）、P4多级缓存
• 网络测量，如PINT，NetSeer
• 网内计算，如SwitchML
• 新的P4语言语法，如支持有状态存储
• 新的P4后端，如DPDK

总体来看，更加可编程的P4控制面、智能网卡应用场景、可编程网络（从原来的单点可编程到未来的多点协同编程，大交换机概念，集中编译，分布式部署）、服务化/多租户化可编程资源（用于网络测量、网内计算）是可编程网络趋势。

参考

• SwitchML: Switch-Based Training Acceleration for Machine Learning
• 2021 P4 Workshop
• OpenNets 可编程网络解决方案初创公司（起步阶段）
• Canopus Networks 利用可编程网络与AI可视化网络的初创公司

相关人物

• Guido Appenzeller - Intel 数据平台组（Data Platforms Group CTO）

Yubico 科首席产品官。曾任VMware云与网络首席技术官。联合创立Big Switch Networks 与 Voltage Security 公司，分别担任首席执行官/首席技术官。天使投资人。斯坦福大学咨询教授。世界经济论坛科技先锋，麻省理工学院TR100，被评为最具吸引力企业家100强。斯坦福大学的计算机科学博士。

引用最高的论文有：1）Flowvisor: A network virtualization layer-2009

• Nate Foster - 康奈尔大学计算机科学副教授

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