四行代碼定乾坤：硬件二層交換機設(shè)計與實現(xiàn)
發(fā)布時間：2022-11-04
“我OpenBox又回來了！”
沉寂了16個月，終于又提筆開始寫《硬件二層交換設(shè)計與實現(xiàn)》。從軟件設(shè)計到硬件設(shè)計需要這么長時間嗎？答案是肯定的，不僅需要，而且這點時間還只能初入Verilog代碼編程之門。
但從網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的角度來看，這是不可接受的。故我們想換個思路，走走捷徑。然而這一走，便走了整整16月有余。
所幸略有小成，與君分享，共勉自學(xué)、自研、自證之艱辛與快樂。
A）P4與Tofino
書上或網(wǎng)上能找到的內(nèi)容請大家自行查找了解。見：https://p4.org
B）FAST全軟件可編程平臺
FAST架構(gòu)在我們之前的文章中有介紹，該平臺也是一種典型的SDN架構(gòu)設(shè)計，硬件數(shù)據(jù)平面主要包括FPGA OS和UM兩部分，核心邏輯處理在UM模塊中。UM又分成了5個不同邏輯功能流水線，
用戶可以針對此流水線進行改造升級或擴展新的流水級功能。然而，使用Verilog語言來開發(fā)FPGA芯片功能著實是一件比較有難度的事情，至少在成為一個合格的Verilog代碼工程師之前來說，確實有比較漫長和艱辛的路程要走。
受P4編程思想的啟發(fā)，我們決定將FAST架構(gòu)中的UM部分更換成具備P4開發(fā)能力的硬件邏輯部件。故該平臺依然采用多核CPU加FPGA架構(gòu)，P4邏輯全采用FPGA編寫，所有功能和指令邏輯全在硬件實現(xiàn)。
C）基本功能
1.分組前96字節(jié)內(nèi)，小于128的任意bit位，任意多個PHV對象定義；
2.支持32字節(jié)Metadata對象編程，含16字節(jié)用戶自定義Metadata內(nèi)容；
3.分組前60字節(jié)內(nèi)，任意bit位對象查表匹配，精確匹配與帶掩碼匹配，匹配字段支持輸入端口等Metadata字段；
4.每動作支持14條指令，支持加、減、與、或、異或、取反等操作；
5.每個指令執(zhí)行器中含16個臨時寄存器，支持臨時變量暫存與讀取，位寬支持1到64位；
6.支持有狀態(tài)的存儲寄存器對象定義與操作，存儲寄存器位寬支持1到64位，最大個數(shù)支持128個。支持多個寄存器對象編程；
7.支持對分組進行協(xié)議插入與刪除，長度支持1到16字節(jié)；
8.動作與指令均支持參數(shù)化配置，即可運行前實例化，也可運行時調(diào)整；
9.支持32種不同邏輯業(yè)務(wù)處理功能在線編譯、在線加載、在線配置、在線卸載，不影響其他業(yè)務(wù)邏輯；
10.提供P4后端編譯器，支持用戶P4代碼編譯；
11.提供P4運行時配置管理工具，支持用戶流表配置、動作配置和寄存器初始配置。
擁有上述平臺編程功能后，對硬件的設(shè)計要求便會變得較為簡單。原來要花較長時間，寫較多代碼的功能,現(xiàn)在可以簡單、快速的實現(xiàn)。
A）設(shè)計原理
從交換機的幾個功能步驟開始，先實現(xiàn)源MAC地址的學(xué)習(xí)。從平臺功能分析，使用寄存器部件比較合適。
擬定義一個端口與MAC地址的映射表，存儲在寄存器對象中，使用源MAC地址作為寄存器對象的索引，分組輸入端口號作為該索引位置的值。在使用目的MAC查表時，亦使用MAC地址作為索引進行查找，即可獲取該地址學(xué)習(xí)存儲的端口號。
由于MAC地址為48位，本平臺支持寄存器的深度有限，故本案例中僅取MAC地址的后4位作為索引。故實驗演示時，要求測試主機的MAC地址尾數(shù)不同。
單播地址可以采用上述思路進行設(shè)備，那組播與廣播地址呢，我們本案例擬采用全泛洪的方式先來實現(xiàn)一個基礎(chǔ)版本。
想要做組播功能可以將組播協(xié)議配置規(guī)則送CPU處理，CPU學(xué)習(xí)到入組和退組信息后，通過P4的運行時工具進行組播MAC與相應(yīng)端口號的規(guī)則配置即可。
B）代碼實現(xiàn)
action learn_forward()
{
MAC_PORT.regwrite((u8)hdr.eth.smac&0xF,std_meta.ioport);
std_meta.ioport = MAC_PORT.regread((u8)hdr.eth.dmac&0xF);
}
單播自學(xué)習(xí)與轉(zhuǎn)發(fā)
action mb_cast()
{
MAC_PORT.regwrite((u8)hdr.eth.smac&0xF,std_meta.ioport);
std_meta.ioport = ~std_meta.ioport;
}
多播泛洪
以上為硬件二層交換機（原型系統(tǒng)）全部業(yè)務(wù)邏輯功能代碼。是的，就是這四行代碼！！！！
A）軟件核心代碼
B）編譯器結(jié)果
C）硬件配置
D）Ping通測試
C:\Users\Administrator>ping 192.168.1.198
正在 Ping 192.168.1.198 具有 32 字節(jié)的數(shù)據(jù):
來自 192.168.1.198 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間<1ms TTL=127
來自 192.168.1.198 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間<1ms TTL=127
來自 192.168.1.198 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間<1ms TTL=127
來自 192.168.1.198 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間<1ms TTL=127
物質(zhì)守恒、能力守恒，苦難亦然守恒。
為了讓學(xué)生們在我們平臺編寫硬件邏輯少些痛苦，我們艱苦奮斗了16個月，對P4的原理、代碼和編譯器進行了仔細琢磨、分析和領(lǐng)悟。我們認為P4是一門較為優(yōu)秀的編程語言，更是一種硬件編程的創(chuàng)新思路和具體表達形式。我們無法去破解P4的硬件實現(xiàn)，固然也無從參考，而是領(lǐng)悟P4編程方式的精髓理念后，采用了原有FAST架構(gòu)和部分邏輯調(diào)整，并配置P4后端編譯適配，打造了現(xiàn)如今的支持P4的FAST架構(gòu)可編程平臺。
本平臺結(jié)合了FAST架構(gòu)與P4可編程的雙重優(yōu)勢。支持用戶在最底層硬件到最高層軟件全方便的編程與驗證，而且編程語言均使用C語言和類似C的P4語言，進一步降低了學(xué)習(xí)與使用難度。
下一步，做個硬件路由器？或者您有更美好的想法，我們可以試一試！
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