P4编程理论与实践（2）—快速上手

作者简介：郑浩，东南大学本科生，研究方向：OpenFlow，P4。邮箱: zenhox@163.com

本文内容简介

本文首先向大家简单介绍在学习P4过程中需要用到的工具。本文的主要特色是让对P4感兴趣的大家不费吹灰之力的在工作，学习之余，快速搭建完善的P4实验环境并开始第一个P4实验。本文的更新日期是2018年10月8日，使用相对于大多数教程来说较新的P4环境，本文提供两种搭建环境的方法，它们的特点如下：

• 虚拟机安装：一个完整的p4教学环境，无需手动搭建环境。

优点： 方便，快捷，对操作系统没什么要求。

缺点：运行较慢。

如果工作环境没有Linux系统，建议使用VM。

• 真机搭建：

优点：运行速率快，环境较新。

缺点：可能会遇到错误，需要一个ubuntu系统。

不用担心费神的环境搭建，本文将提供一个一键搭建环境的脚本。这个脚本通过了我多次测试。

实验环境介绍

• 操作系统: Ubuntu 16.04 LTS 64位 桌面版
• python : 2.7.12
• 推荐内存: 4G 以上

各个组件简介

主要需要安装5个组件:

• bmv2
• p4c
• mininet
• p4-tutorial
• PI

首先要明白他们各自的作用【图片来源于p4.org】:

如图，我们写好xxx.p4代码，通过 p4c 这个 p4 compiler 将p4代码编译成为p4交换机可以理解的各种”机器代码”。如果目标交换机是 bmv2 , 那么p4c将生成 .json文件。

• p4c是一款 p4编译器。
• BMv2是支持P4编程的软件交换机。
• PI是P4 runtime的实现，用于Control Plane对数据平面的控制。
• mininet的功能是构建一个虚拟的网络拓扑。 它通过linux内核的一些特性(net命名空间)，在一个主机上划分出多个虚拟网络空间，各个网络空间之间相互隔离，有自己的端口, ip等等。mininet让一个或者多个vhost（虚拟主机）, 软件交换机(如ovs, bmv2)等 以进程的状态分别绑定在这些网络空间之中，共同构成一个进程级别的虚拟网络拓扑。需要注意的是这些进程级别的主机和交换机他们只是网络上的隔离，而文件系统则是共享主机的文件系统。
• p4 tutorials 提供了用于学习的实例代码，它提供了很多个带有方向性的实际场景，例如负载均衡，简单的隧道机制，源路由等。并且它事先写好了控制面代码，让p4的初学者可以集中注意力在数据面编程的学习之上。
• scapy是一个python库，提供构建数据包，抓包，解析包等功能。它功能强大，但是效率很低。由于P4编程中经常会引入各种各样的数据包，有些甚至是开发者自定义的数据包格式。所以我们可以利用scapy进行便捷的组包，发包。如果需要高速率的发包和解析包就不能使用scapy了。

搭建环境

搭建环境有两条路可以走：

• 使用环境健全的虚拟机，如果朋友们手边没有linux环境，或者希望快速上手开发，建议采取这种方式。
• 在真机中（我这里时Ubuntu16.04）搭建。建议环境与我相同，否则可能会出现各种意想不到的问题。

方法一： 虚拟机套件

• 官方提供了用于学习的虚拟机，里面有完整的环境。可以尝试访问官网链接。如果不能访问外网，可以尝试访问我这个1Core, 1M带宽的服务器资源
• 官方的环境似乎比较陈旧，我利用方法二在虚拟机中搭建了一个环境，并且导出供大家使用，下面是下载链接：

1.FTP服务器下载， 这个是一个云主机，如果过期或者服务器崩溃, 联系我去修复。

2.如果FTP服务器崩溃，建议自己装一个Ubuntu16.04的虚拟机，然后调用方法二，其实也很简单。

3.这里还有一个腾讯微云的链接: https://share.weiyun.com/581m3WN

方法二： 真机搭建

真机搭建需要获得各个组件的源码，然后编译安装，可能遇到各个组件之间的版本兼容性，依赖性等问题。

本来打算一步一步写出手动搭建的步骤，但过程比较痛苦，为了防止让大家陷入搭建环境这种苦涩且收益不大的环节，本文按照p4 tutorials中vagrant用于构建虚拟机环境的脚本，进行了适当修改后，最终改成一个搭建真机P4实验环境的脚本。通过这个脚本，可以方便的让大家搭建好P4学习环境，该脚本通过了本人多次测试。

建议在网络环境较好的环境下执行脚本，如果能使用国外的代理就更好了，如果网速较慢，建议晚上睡觉前执行，然后天亮后再瞅瞅，毕竟国内访问github有时真的太慢了。

相关脚本已经上传至p4-quick 。

在搭建之前

为了不破坏原环境的整洁性，我们还是在home目录下创建一个P4的工作目录，并且加入环境变量:

在运行脚本之前，先核实一下必要的环境和依赖：

• 发行版: Ubuntu 16.04 Desktop LTS ， 通过 lsb_release -a查看。
• Python: 2.7.12， 通过 python --version查看。
• 内核: 4.15.0-29-generic ， 通过 uanme -a查看，差不多即可。

开始搭建

先安装一些依赖:

然后创建一个文件，用于存放搭建环境的脚本:

然后将以下内容，复制到 env_up.sh文件当中:

保存退出脚本，然后执行这个脚本:

脚本开始自动为你搭建环境，如果中途遇到错误，脚本会中断，如果脚本顺利执行，那么脚本结束后，环境便搭建好了。

进行第一个实验

进行实验之前

如果你下载的是本文提供的第二种虚拟机，或者通过脚本安装了P4环境，现在P4目录下面应该是这个样子：

我们主要的工作目录时tutorials，其余的都是被使用的工具组件。细看tutorials:

其中utils里面存放了一些用于调用各个组件(mininet, bmv2, PI, p4c)的脚本，有了这些脚本，我们可以专注于p4代码的开发，控制面的编写，以及拓扑的构建，而不需要费神去了解bmv2的启动命令，p4c的调用选项等等。具体如何使用，也是非常的简单，我们进入一个具体的例子查看:

可以看到，通过Makefile，我们可以调用utils下的脚本，让我们的p4代码跑起来:

调用make run，我们可以运行当前目录下（以basic目录为例）的代码，它将执行以下几个步骤:

• 编译basic.p4 代码，生成basic.json
• 解析topology.json， 并且构建相应的mininet仿真拓扑，按照该拓扑启动一台或者多台BMv2交换机，以及一些host
• 启动BMv2的同时会将p4代码编译产生的json文件导入
• 启动BMv2后会解析 sN-runtime.json 文件，将其载入 交换机sN流表之中
• 进入mininet命令行，同时开始记录log以及搜集pcap文件

在新版本的tutorials中，载入静态流表项时采用了runtime方法，而非之前的CLI方法，我们查看一下s1-runtime.json的部分

这是一个json文件，可以看到，其作用是定义一个个具体的流表项，标明了流表项所处的位置，匹配域，匹配模式，动作名，以及动作参数。这些字段都依赖于我们P4代码中所自定义的流表，匹配域和动作。

开始第一个实验basic

查看要实现的功能

查看README，里面这样介绍这个实验:

可以看到这是一个实现转发功能的P4实例，文件剩余部分是进行实验具体的思路和指令，建议大家多多查阅README，以后就可以自己学习啦~

查看网络拓扑结构 topology.json：

清晰明了：这个拓扑中有3个switch，3个host，构成一个三角形的拓扑，注意到定义switches的时候，会定义载入到交换机的流表项文件”sN-runtime.json”。

了解大概之后，我们开始编写basic.p4代码：

回忆代码要实现的功能：ip_v4转发。我们需要完成的是tutorials中的TODO部分。

在代码的开头, 我们得知该代码是P4_16版本，使用的是我们之前谈到的v1_model。

通过查看main回顾v1_model：

我们要需要完成以下几个基本的步骤，其余部分可以暂时省略。

• 定义相关数据结构：根据需求，我们需要定义 ipv4数据包头以及其下层的以太网包头结构。
• 解析数据包：我们在此提取ipv4包头。
• MyIngress：得到了数据包头，我们定义一个用于转发的流表，然后定义匹配域和动作。
• MyDeparser：逆解析器
• 写好控制面代码

定义数据结构:

Parser 解析数据包

parser是一个有限状态机。从 start 状态开始，每一个状态便解析一种协议，然后根据低层协议的类型字段，选择解析高一层协议的状态，然后transition到该状态解析上层协议，最后transition到accept。具体如下：

Ingress

• 在Ingress中，我们要实现一个转发功能，因此需要定义一个用于转发的流表：

• 我们需要自己实现以下几个动作:

Checksum 和 Deparser

这两个部分都有高度抽象的内置函数直接完成:

写好控制面代码

虽然说官方为了让大家专注于数据面编程，已经给好了控制面指令，但是我们有必要查看一下他们，从而有了更深入的理解, 查看 s[1,2,3]-runtime.json， 里面定义了很多流表项。以s1-runtime.json为例, 具体的一条流表项为：

回想，table name 就是我们在p4代码中自定义的转发表。匹配域也依照了我们自定义的代码。而动作也按照我们编写的动作代码传入了相应的参数。将所有的流表项汇总一下, 我绘制了下面的图片:

看到这一步，我们便了然了。数据面定义了转发表，而控制面下发了具体匹配转发的流表项，使得这三个主机可以互通。而在控制面下发的流表项与我们p4代码中定义的流表结构息息相关。

运行代码

丢包率为0，说明转发功能实现了。这样我们完成了第一个实验。

一点建议

• 初次接触mininet的朋友，建议先学习mininet官方的walkthrogh。
• p4 tutorials exercises中的README写的非常详细，大家可以自己完成后面的一些练习。

总结

本文提供给大家最快捷的方式去体验，学习和使用P4。其中有方便的虚拟机直接使用，也有真机搭建的脚本。搭建好环境并且开始第一个实验后，大家可以自己专注于P4的学习啦。