P4: 面向服务器主导网络互联推进技术创新

P4是一种新的高级编程语言，P4用于软件定义网络。P4用于描述数据平面的行为，这些数据平面的行为可以对应于任何转发，修改或检查网络流量的系统或设备。P4最先在网络核心应用，但服务器主导网络互联研究人员认识到P4的应用价值。部署到数据中心的智能网卡可以使用P4处理服务器主导网络互联。研究人员在服务器主导网络互联方向使用P4，降低服务器任务负荷并实现新功能。

本文介绍了P4面向服务器主导网络互联的最新研究成果。我们首先简要介绍P4。

关于P4

P4语言使用OpenFlow 匹配-行为流处理模式。 在这种方法中，当数据包携带数据项匹配特定键时，依据行为项目的内容修改数据包。 语言使用户能够有效地描述匹配-行为流。

P4用于描述或规定数据平面行为，不用于实现数据平面。 依据系统/设备灵活度/复杂度要求，数据平面可以运行于固定功能ASIC（例如2层交换机ASIC），也可以运行于完全可编程的通用CPU（路由器，Web代理服务器和防火墙）。

P4的主要目标之一是保持语言硬件无关（或目标无关）。P4的设计者声明它是一种面向数据包处理器的编程语言，设计者们指的是哪种数据包处理设备？ ASIC，FPGA或CISC CPU？ 答案是：所有的，只要他们能解释P4。

目标系统制造商负责解释P4行为代码和生成低级别设备特定代码。 例如，Netronome的Agilio Smart NIC拥有可编程数据平面。 Netronome硬件软件使用户可以在这些智能网卡上设计，开发和调试P4代码。 P4代码可以被编译且应用于x86 TCP / IP栈, 也可以被编译且应用于全定制ASIC。

P4，降低服务器任务负荷和系统设计

许多网络系统使用专用硬件来加快网络处理，满足高处理速率要求和功能要求并降低服务器任务负荷。 P4语言本身假定面对某些场景使用外部装备更好，外部装备被当成黑盒，对应加速器或专用外部硬件。

高程度可编程加速器包含大量可编程核心(与网络处理器可编程核心相同)或者大量逻辑门(与FPGA逻辑门相同) ，可以满足网络灵活度/复杂度要求。高程度可编程加速器的使用比较受影响，因为开发人员通常发现加速器很难编程。 开发人员必须实现操作系统提供的功能或通用系统服务提供的功能。 开发人员在编程加速器时必须实现两类功能：

☘ 数据包物理管理：接口到接口传输数据包并访问系统资源的逻辑。

☘ 数据包处理功能：改变数据包内容（协议报头）并将其传输到适当接口（实际应用逻辑）的逻辑。

网络系统开发人员通常对第2类功能感兴趣。 在具有加速器的系统中，开发人员需要实现第1类型功能才可以达到目的。

像P4这样的语言在具有可编程加速器的系统中支持一种有趣的方法。 物理数据包管理可以独立于数据包处理管理。 加速器的部分可编程逻辑可以被设置为资源岛，砂箱。 加速器供应商现在可以提供一个工具链将P4代码映射到砂箱。 加速器供应商可以编写性能管理软件，利用加速器非砂箱资源管理数据包。 管理软件通过逻辑接口向砂箱提交数据包。 网络开发人员可以编写P4代码说明加速器逻辑网络功能。

利用这种方法，网络功能开发人员可以专注做与他们有关的数据包处理功能。Netronome在P4 SDK和工具链中使用砂箱方法。此外，Netronome支持 开发人员用C实现 P4 功能。 这种做法可以帮助开发人员实现P4不能支持的功能(状态机功能)。图 3显示了开发人员创建、编译P4代码和C代码，下载P4代码和C代码到Netronome SmartNIC的流程。图3也显示了如何将P4/C代码插入到资源岛。

P4和服务器主导网络互联

P4的发展重点以前是网络核心的控制数据平面，以后也不会变。然而P4已经在服务器主导网络互联方向急速前进。

大多数网络数据平面执行3种基本操作：数据包解析，匹配/行为操作和数据包重组。P4支持这些操作，让开发者代码容易被理解。P4程序必须说明需处理的数据包(数据包预期内容)以及数据包被修改的方式。P4有能力支持标准数据包包头(用于分析器提取)，也有能力支持全新的协议（图4）。

P4开发人员可以在软件定义网络网络栈任何层尝试使用全新的协议。这种做法不对应先前的SDN技术方向（例如基于现有网络标准的OpenFlow）。使用OpenFlow解析以太网报头，IP报头或TCP报头没有问题，因为OpenFlow支持这些协议。但是如果需要支持较新的协议（如NVGRE数据包），只能等待OpenFlow支持新协议。

支持新协议可以帮助数据平面研究人员研发网络互联硬件。 更重要的是，利用岛屿方法数据平面研究人员可以集中力量做特定任务，并且同时不干扰真实网络的运转。 其次，使用C代码，研究人员能够做的任务更多。Netronome利用社区门户Open-NFP支持P4（和其他数据平面加速技术）的研究和开发。 我们简要讨论Open-NFP社区的一些P4项目。

研究人员的重点领域是使用P4 推动找寻新方法，这样的新方法用于实现商用服务器网络互联系统。这些新方法对应底层软件或者NFV系统虚拟应用。 对应底层软件，研究人员提出使用P4为网络媒体数据流提供组播功能，使用P4实现信息中心模式网络互联， 使用P4降低宿主任务负荷并在SmartNIC上实现5G网络协议， 使用P4帮助 OpenFlow控制器向NIC和交换机推送安全策略。对应虚拟应用，研究人员使用P4降低NFV系统宿主VNF功能任务负荷和/或增强VNF功能。

第2个领域是支持新的协议功能。使用NIC降低宿主任务负荷，更好地使用宿主主机资源或帮助应用程序。这个方向可以找到很多的例子，比如应用程序绕过网络协议栈直接接收网络数据。 研究人员还提出使用P4在Open VirtualSwitch中对数据平面编程。

研究人员还计划在NIC上使用用户自定义协议，研究新的安全和监控方案。方案包括新的连接认证协议等。

结论

展望未来，更多的变化是可能的。研究人员可以通过几种方式参与和推进这项工作。P4组织每年举办两次开发日活动，每年举办一次研究会议。该组织设有工作组。 例如，P4的下一个版本P4-16将会很快发布。P4语言资源库托管了许多示例应用程序和示例网络互联代码。