P4_16 语言定义 | HERMITOUO's Blog

本文主要内容源自 P4_16 Language Specification。

# Scope

本规范文件定义了 P4_16 语言的结构和程序的解释。它定义了该语言的语法、语义规则和符合要求的实现方式。

本文并没有定义：

P4 程序在数据包处理系统中的编译、加载和执行机制。
数据由一个数据包处理系统接收并传递给另一个系统的机制。
控制平面管理匹配行动表和其他由 P4 程序定义的有状态对象的机制。
P4 程序的大小或复杂性。
能够提供符合要求的实现的数据包处理系统的最低要求。

# Terms, definitions, and symbols

在本文中，将使用如下术语：

Architecture：一组 P4 可编程组件和它们之间的数据平面接口。
Control plane：一类算法以及相应的输入和输出数据，它们与数据平面的配置和配置有关。
Data plane：一类描述数据包处理系统对数据包进行转换的算法。
Metadata：P4 程序执行过程中产生的中间数据。
Packet：网络数据包是由分组交换网络携带的格式化的数据单位。
Packet header：数据包开头的格式化数据。一个给定的数据包可能包含一系列表示不同网络协议的数据包头。
Packet payload：数据包头后面的数据（有效载荷）。
Packet-processing system：为处理网络数据包而设计的数据处理系统。通常，数据包处理系统实现控制平面和数据平面算法。
Target：一种能够执行 P4 程序的数据包处理系统。

# Overview

P4 是一种语言，用于表达数据包如何被可编程转发元件（如硬件或软件交换机、网络接口卡、路由器或网络设备）的数据平面所处理。P4 的名字来自于介绍该语言的原始论文，"Programming Protocol-independent Packet Processors"，https://arxiv.org/pdf/1312.1719.pdf。

虽然 P4 最初是为交换机编程而设计的，但它的范围已经扩大到包括大量的设备。在本文件的其余部分，我们使用通用术语 target 来表示所有这些设备。

许多 target 同时实现了控制平面和数据平面。P4 被设计为只指定 target 的数据平面功能。P4 程序还定义了部分控制平面和数据平面通信的接口，但 P4 不能用来描述 target 的控制平面功能。在本文的其余部分，当我们谈论 P4 “对目标进行编程”时，我们指的是“对目标的数据平面进行编程”。

作为一个 target 的具体例子，下图说明了传统的固定功能交换机和 P4 可编程交换机之间的区别。在传统的交换机中，制造商定义了数据平面的功能。控制平面通过管理表的条目（如路由表）、配置专门的对象（如仪表）以及处理控制包（如路由协议包）或异步事件（如链路状态变化或学习通知）来控制数据平面。

但 P4 可编程交换机在以下两个方面与传统交换机不同：

数据平面的功能不是事先固定的，而是由一个 P4 程序定义的。数据平面在初始化时被配置为实现 P4 程序所描述的功能（由长的红色箭头所示），并且没有内置的现有网络协议（协议无关）。
控制平面使用与固定功能设备中相同的通道与数据平面进行通信，但是数据平面中的表和其他对象不再是固定的，而是由 P4 程序定义的。同时，P4 编译器生成了控制平面用来与数据平面通信的 API，便于控制平面进行控制。

因此，P4 可以说是独立于协议的，但它允许程序员表达丰富的协议和其他数据平面行为。

P4 语言提供的核心抽象是：

Header types：描述数据包中每个报头的格式(字段集及其大小）。
Parsers：描述接收到的数据包中允许的头部序列，如何识别这些头部序列，以及从数据包中提取的头部和字段。
Tables：关联了用户定义的键和操作（Key and Action）。P4 表抽象了传统的交换机表，可以用来实现路由表、流查找表、访问控制列表和其他用户定义的表类型，包括复杂的多变量决策。
Actions：是描述如何操作数据包头字段和元数据的代码片段。Action 可以包括数据，这些数据在运行时由控制平面提供。
Match-action units：执行以下任务：
- 从数据包字段或计算的元数据构造查找键。
- 使用构造的键执行表查找，选择要执行的操作(包括关联的数据) 。
- 执行选定的操作。
Control flow：表示为一个命令式程序，描述 target 上的数据包处理过程。包括匹配动作单元调用的数据相关序列，也可以使用控制流执行解析（数据包重组）。
Extern objects：是架构特定的构造，可以通过定义明确的 API 被 P4 程序操作，但其内部行为是硬连接的（例如，校验单元），因此无法使用 P4 进行编程。
User-defined metadata：与每个数据包关联的用户定义的数据结构。
Intrinsic metadata：由与每个数据包相关联的体系结构提供的元数据——例如，接收数据包的输入端口。

下图展示了使用 P4 对 target 进行编程时的典型工具工作流程。

Target 制造商为该 target 提供硬件或软件实现框架、架构定义以及 P4 编译器。P4 程序员为特定的架构编写程序，该架构定义了 target 上的一组 P4 可编程组件，以及它们的外部数据平面接口。

编译一个 P4 程序会产生两个组件：

一个数据平面配置，实现输入程序中描述的转发逻辑。
一个用于管理来自控制平面的数据平面对象的状态的API。

P4 是一种特定领域的语言，被设计为可在多种目标上实现，包括可编程网络接口卡、FPGA、软件交换机和硬件 ASIC。因此，该语言仅限于可以在所有这些平台上有效实现的结构。

假设查表操作和与外部对象的交互的成本是固定的，所有的 P4 程序（即解析器和控件）对于收到和分析的输入数据包的每个字节执行的操作数量是固定的。尽管解析器可能包含循环，但只要在每个循环中提取一些头，数据包本身就为解析器的总执行提供了一个约束。换句话说，在这些假设下，P4 程序的计算复杂度与所有报头的总大小呈线性关系，而绝不取决于处理数据时积累的状态的大小（例如，流量的数量，或处理的数据包总数）。这些保证对于实现各种目标的快速数据包处理是必要的（但不是充分的）。