P4編程理論與實踐(2)—快速上手

作者簡介：鄭浩，東南大學本科生，研究方向：OpenFlow，P4。郵箱: [e-mail]

本文首先向大家簡單介紹在學習P4過程中需要用到的工具。本文的主要特色是讓對P4感興趣的大家不費吹灰之力的在工作，學習之餘，快速搭建完善的P4實驗環境並開始第一個P4實驗。本文的更新日期是2018年10月8日，使用相對於大多數教程來說較新的P4環境，本文提供兩種搭建環境的方法，它們的特點如下：

優點： 方便，快捷，對作業系統沒什麼要求。

缺點：運行較慢。

如果工作環境沒有Linux系統，建議使用VM。

優點：運行速率快，環境較新。

缺點：可能會遇到錯誤，需要一個ubuntu系統。

不用擔心費神的環境搭建，本文將提供一個一鍵搭建環境的腳本。這個腳本通過了我多次測試。

主要需要安裝5個組件:

bmv2

p4c

mininet

p4-tutorial

PI

首先要明白他們各自的作用【圖片來源於p4.org】:

如圖，我們寫好xxx.p4代碼，通過 p4c 這個 p4 compiler 將p4代碼編譯成為p4交換機可以理解的各種」機器代碼」。如果目標交換機是 bmv2 , 那麼p4c將生成 .json文件。

p4c是一款 p4編譯器。

BMv2是支持P4編程的軟體交換機。

PI是P4 runtime的實現，用於Control Plane對數據平面的控制。

mininet的功能是構建一個虛擬的網絡拓撲。 它通過linux內核的一些特性(net命名空間)，在一個主機上劃分出多個虛擬網絡空間，各個網絡空間之間相互隔離，有自己的埠, ip等等。mininet讓一個或者多個vhost（虛擬主機）, 軟體交換機(如ovs, bmv2)等 以進程的狀態分別綁定在這些網絡空間之中，共同構成一個進程級別的虛擬網絡拓撲。需要注意的是這些進程級別的主機和交換機他們只是網絡上的隔離，而文件系統則是共享主機的文件系統。

p4 tutorials 提供了用於學習的實例代碼，它提供了很多個帶有方向性的實際場景，例如負載均衡，簡單的隧道機制，源路由等。並且它事先寫好了控制面代碼，讓p4的初學者可以集中注意力在數據面編程的學習之上。

scapy是一個python庫，提供構建數據包，抓包，解析包等功能。它功能強大，但是效率很低。由於P4編程中經常會引入各種各樣的數據包，有些甚至是開發者自定義的數據包格式。所以我們可以利用scapy進行便捷的組包，發包。如果需要高速率的發包和解析包就不能使用scapy了。

搭建環境有兩條路可以走：

官方提供了用於學習的虛擬機，裡面有完整的環境。可以嘗試訪問官網連結。如果不能訪問外網，可以嘗試訪問我這個1Core, 1M帶寬的伺服器資源

官方的環境似乎比較陳舊，我利用方法二在虛擬機中搭建了一個環境，並且導出供大家使用，下面是下載連結：

1.FTP伺服器下載， 這個是一個雲主機，如果過期或者伺服器崩潰, 聯繫我去修復。

2.如果FTP伺服器崩潰，建議自己裝一個Ubuntu16.04的虛擬機，然後調用方法二，其實也很簡單。

3.這裡還有一個騰訊微雲的連結: https://share.weiyun.com/581m3WN

真機搭建需要獲得各個組件的源碼，然後編譯安裝，可能遇到各個組件之間的版本兼容性，依賴性等問題。

本來打算一步一步寫出手動搭建的步驟，但過程比較痛苦，為了防止讓大家陷入搭建環境這種苦澀且收益不大的環節，本文按照p4 tutorials中vagrant用於構建虛擬機環境的腳本，進行了適當修改後，最終改成一個搭建真機P4實驗環境的腳本。通過這個腳本，可以方便的讓大家搭建好P4學習環境，該腳本通過了本人多次測試。

建議在網絡環境較好的環境下執行腳本，如果能使用國外的代理就更好了，如果網速較慢，建議晚上睡覺前執行，然後天亮後再瞅瞅，畢竟國內訪問github有時真的太慢了。

相關腳本已經上傳至p4-quick 。

在搭建之前

為了不破壞原環境的整潔性，我們還是在home目錄下創建一個P4的工作目錄，並且加入環境變量:

在運行腳本之前，先核實一下必要的環境和依賴：

發行版: Ubuntu 16.04 Desktop LTS ， 通過 lsb_release -a查看。

Python: 2.7.12， 通過 python --version查看。

內核: 4.15.0-29-generic ， 通過 uanme -a查看，差不多即可。

開始搭建

先安裝一些依賴:

然後創建一個文件，用於存放搭建環境的腳本:

然後將以下內容，複製到 env_up.sh文件當中:

保存退出腳本，然後執行這個腳本:

腳本開始自動為你搭建環境，如果中途遇到錯誤，腳本會中斷，如果腳本順利執行，那麼腳本結束後，環境便搭建好了。

進行實驗之前

如果你下載的是本文提供的第二種虛擬機，或者通過腳本安裝了P4環境，現在P4目錄下面應該是這個樣子：

我們主要的工作目錄時tutorials，其餘的都是被使用的工具組件。細看tutorials:

其中utils裡面存放了一些用於調用各個組件(mininet, bmv2, PI, p4c)的腳本，有了這些腳本，我們可以專注於p4代碼的開發，控制面的編寫，以及拓撲的構建，而不需要費神去了解bmv2的啟動命令，p4c的調用選項等等。具體如何使用，也是非常的簡單，我們進入一個具體的例子查看:

可以看到，通過Makefile，我們可以調用utils下的腳本，讓我們的p4代碼跑起來:

調用make run，我們可以運行當前目錄下（以basic目錄為例）的代碼，它將執行以下幾個步驟:

編譯basic.p4 代碼，生成basic.json

解析topology.json， 並且構建相應的mininet仿真拓撲，按照該拓撲啟動一臺或者多臺BMv2交換機，以及一些host

啟動BMv2的同時會將p4代碼編譯產生的json文件導入

啟動BMv2後會解析 sN-runtime.json 文件，將其載入 交換機sN流表之中

進入mininet命令行，同時開始記錄log以及搜集pcap文件

在新版本的tutorials中，載入靜態流表項時採用了runtime方法，而非之前的CLI方法，我們查看一下s1-runtime.json的部分

這是一個json文件，可以看到，其作用是定義一個個具體的流表項，標明了流表項所處的位置，匹配域，匹配模式，動作名，以及動作參數。這些欄位都依賴於我們P4代碼中所自定義的流表，匹配域和動作。

查看要實現的功能

查看README，裡面這樣介紹這個實驗:

可以看到這是一個實現轉發功能的P4實例，文件剩餘部分是進行實驗具體的思路和指令，建議大家多多查閱README，以後就可以自己學習啦~

查看網絡拓撲結構 topology.json：

清晰明了：這個拓撲中有3個switch，3個host，構成一個三角形的拓撲，注意到定義switches的時候，會定義載入到交換機的流表項文件」sN-runtime.json」。

了解大概之後，我們開始編寫basic.p4代碼：

回憶代碼要實現的功能：ip_v4轉發。我們需要完成的是tutorials中的TODO部分。

在代碼的開頭, 我們得知該代碼是P4_16版本，使用的是我們之前談到的v1_model。

通過查看main回顧v1_model：

我們要需要完成以下幾個基本的步驟，其餘部分可以暫時省略。

定義數據結構:

Parser 解析數據包

parser是一個有限狀態機。從 start 狀態開始，每一個狀態便解析一種協議，然後根據低層協議的類型欄位，選擇解析高一層協議的狀態，然後transition到該狀態解析上層協議，最後transition到accept。具體如下：

Ingress

Checksum 和 Deparser

這兩個部分都有高度抽象的內置函數直接完成:

寫好控制面代碼

雖然說官方為了讓大家專注於數據面編程，已經給好了控制面指令，但是我們有必要查看一下他們，從而有了更深入的理解, 查看 s[1,2,3]-runtime.json， 裡面定義了很多流表項。以s1-runtime.json為例, 具體的一條流表項為：

回想，table name 就是我們在p4代碼中自定義的轉發表。匹配域也依照了我們自定義的代碼。而動作也按照我們編寫的動作代碼傳入了相應的參數。將所有的流表項匯總一下, 我繪製了下面的圖片:

看到這一步，我們便瞭然了。數據面定義了轉發表，而控制面下發了具體匹配轉發的流表項，使得這三個主機可以互通。而在控制面下發的流表項與我們p4代碼中定義的流表結構息息相關。

運行代碼

丟包率為0，說明轉發功能實現了。這樣我們完成了第一個實驗。

一點建議

本文提供給大家最快捷的方式去體驗，學習和使用P4。其中有方便的虛擬機直接使用，也有真機搭建的腳本。搭建好環境並且開始第一個實驗後，大家可以自己專注於P4的學習啦。

第一次寫文章，而且限於本人能力有限。難免有紕漏或者理解不當，還望各位諒解，如果能夠給予批評指點，不勝感激！聯繫郵箱： [e-mail]，鄭。

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