Лекция 6. p4 - Programming Protocol-independent Packet Processors

P4: Programming Protocol-independentPacket ProcessorsPat Bosshart, Dan Talayco, Glen Gibb, Martin Izzard (Barefoot Networks),Dan Daly (Intel), Nick McKeown (Stanford University), Jennifer Rexford,Cole Schlesinger, David Walker, (Princeton University), Amin Vahdat(Google), George Varghese (Microsoft Research)Вячеслав Васин: vvasin@arccn.ruПостановка задачи:P4 – прототип дальнейшего совершенствования протокола OpenFlow:• Контроллер должен уметь менять алгоритм обработки пакетов коммутаторами.• Коммутаторы не должны быть завязаны на обработку пакетов каких либо сетевых протоколов.Контроллер должен определять:• Алгоритм разбора заголовков пакетов (определение типов, имен)• Совокупность таблиц (match+action) для обработки этих заголовков• Программисты должны иметь возможность описывать процесс обработки пакетов независимоот того как реально это буде реализовано в аппаратуре.• Компилятор должен преобразовывать платформо-независимые описания (на языке P4) вплатформо-зависимые воздействия на конкретный коммутатор.Нужен гибкий механизм определения используемых при анализе заголовков новый API (OpenFlow2.0)Архитектура решения:P4 – высокоуровневый язык программирования пакетных процессоров.• P4 – интерфейс взаимодействия контроллера и коммутатора, описывающий как коммутаторуобрабатывать пакеты.• Обработка посредством программируемого парсера (против фиксированного в OF) и множествапоследовательных или параллельных стадий match+action (в OF только последовательно)P4 – язык конфигурирования коммутатораАбстрактная модель коммутатораP4:Операция конфигурирования (Configure) в абстрактной модели:• Программирование парсера• Определение порядка match+action стадий• Определение используемых на каждой стадии полей заголовков и производимых сними действий (проверки и уменьшения для TTL, добавления поля для созданиятуннеля, проверки контрольной суммы и пр)Операция заполнения (Populate) в абстрактной модели:• Добавление и удаление записей в match+action таблицыТаблицы (match+action) делятся на:• Входящие:• Определяют исходящий порт + очередь.• Пакет может быть отправлен, реплицирован, сброшен, отправлен на контроллер.• Исходящие:• Осуществляют индивидуальную модификацию заголовков (например дляmulticast)P4.

Описание графа зависимостей между таблицами.На 1 стадии на (высоком) уровне описывается процесс обработки пакетов на языке P4На 2 стадии компилятор транслирует P4 в Table Dependency Graph (TDG)На 3 стадии TDG приводится в соответствие с особенностями коммутатораL2/L3 Table Dependency Graph (TDG)P4. ПримерОписание формата заголовкаheader ethernet {fields {dst_addr : 48; // width in bitssrc_addr : 48;ethertype : 16;}}header vlan {fields {pcp : 3;cfi : 1;vid : 12;ethertype : 16;}}header mTag {fields {up1 : 8;up2 : 8;down1 : 8;down2 : 8;ethertype : 16;}}P4.

ПримерОписание парсера (определение заголовкови их последовательностей)parser start {ethernet;}parser ethernet {switch(ethertype) {case 0x8100: vlan;case 0x9100: vlan;case 0x800: ipv4;}}parser vlan {switch(ethertype) {case 0xaaaa: mTag;case 0x800: ipv4;}}parser mTag {switch(ethertype) {case 0x800: ipv4;}}P4. ПримерОписание Таблицtable mTag_table {reads {ethernet.dst_addr : exact;vlan.vid : exact;}actions {add_mTag;}max_size : 20000;}table source_check {reads {mtag : valid; // Was mtag parsed?metadata.ingress_port : exact;}actions { // Each table entry specifies *one* action// If inappropriate mTag, send to CPUfault_to_cpu;// If mtag found, strip and record in metadatastrip_mtag;// Otherwise, allow the packet to continuepass;}max_size : 64; // One rule per port}P4.

ПримерОписание Действий (set_field, copy_field, add_header,Remove_header. Increment, checksum)action add_mTag(up1, up2, down1, down2, egr_spec) {add_header(mTag);// Copy VLAN ethertype to mTagcopy_field(mTag.ethertype, vlan.ethertype);// Set VLAN's ethertype to signal mTagset_field(vlan.ethertype, 0xaaaa);set_field(mTag.up1, up1);set_field(mTag.up2, up2);set_field(mTag.down1, down1);set_field(mTag.down2, down2);// Set the destination egress port as wellset_field(metadata.egress_spec, egr_spec);}P4. ПримерОписание Table Dependency Graphcontrol main() {// Verify mTag state and port areconsistenttable(source_check);// If no error from source_check, continueif (!defined(metadata.ingress_error)) {// Attempt to switch to end hoststable(local_switching);if (!defined(metadata.egress_spec)) {// Not a known local host; try mtaggingtable(mTag_table);}// Check for unknown egress state or// bad retagging with mTag.table(egress_check);}}P4.

ПримерКомпиляция с учетом:• программных коммутаторов• аппаратных коммутаторов с RAM и TCAM• коммутаторов поддерживающих параллельныетаблицы• коммутаторов поддерживающих применениедействий только по окончании прохода конвейера• коммутаторы с малым количеством таблиц• прочееВыводыПротокол должен позволять настраивать коммутаторы на лету “in field”.Программист не должен беспокоиться о деталях аппаратной реализации.Предложен язык конфигурации.Коммутаторы должны стать гибче.Спасибо!Вячеслав Васин: vvasin@arccn.ru.