解惑P4編程語言的常見誤區(qū)

作者簡介：張漸修，任職于上海同悅信息科技有限公司從事SDN/P4交換機的市場推廣工作。

OpenFlow從誕生之日起就與SDN劃起了等號，時至今日仍然有用戶在尋求SDN方案時潛意識在尋求OpenFlow的支持。實際上，隨著SDN的逐步演進，軟件定義網(wǎng)絡(luò)更多是一種設(shè)計思路與設(shè)計理念，SDN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計經(jīng)歷了螺旋式發(fā)展。近幾年SDN之父Nick教授身體力行的開始改造OpenFlow，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備第一次和計算設(shè)備一樣具有了可編程的能力。和OpenFlow剛剛面世一樣，用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備編程的P4編程語言也存在眾多誤解。本文的主要目的就是解惑P4編程語言的幾個常見誤區(qū)。

誤區(qū)一：P4就是Openflow2.0

這一誤區(qū)產(chǎn)生的主要原因是斯坦福大學(xué)的Nick Mckeown教授在OpenFlow之后馬不停蹄地開始P4的設(shè)計與推廣，因此很容易讓人以為P4就是OpenFlow的新版本。雖然兩者之間是超集的關(guān)系，但是P4絕不是已經(jīng)停止更新的OpenFlow新版本。

由ONF組織推動的OpenFlow在發(fā)展到1.6版本后停止更新，ONF組織也歷經(jīng)與On.Lab和P4.org兩大組織的合并。OpenFlow本身只是SDN南向接口的一種，是控制器向轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備傳遞命令的一種方式；而P4 (Programming protocol-independent packet processors)則是一種編寫協(xié)議無關(guān)的包處理器的高級編程語言，它可以令設(shè)備實現(xiàn)OpenFlow同樣的功能，但是它的愿景遠(yuǎn)不是僅僅實現(xiàn)更靈活的openflow，它要給予數(shù)據(jù)平面與計算平面一樣無與倫比的可編程性。傳統(tǒng)上無論是OpenFlow設(shè)備還是非OpenFlow設(shè)備大部分都是按照固定流水線執(zhí)行指令，在芯片現(xiàn)有功能內(nèi)閃轉(zhuǎn)騰挪而不能越雷池半步。P4語言則是要打破藩籬，讓數(shù)據(jù)平面設(shè)備也具備在線實現(xiàn)新功能的能力。尤為與FPGA這種現(xiàn)場可編程門陣列不同的是，F(xiàn)PGA提供的是半定制電路，需要采用VHDL或者Verilog等語言來實現(xiàn)硬件的重構(gòu)，每個邏輯單元的功能在重編程（燒寫）時確定。

所以P4是數(shù)通芯片的新一次嘗試，與OpenFlow只是定義一個南向接口截然不同。

誤區(qū)二：只有Tofino芯片可以支持P4

這個誤區(qū)仍然與Nick教授有很大關(guān)系。Nick作為SDN之父在看到OpenFlow面臨的諸多落地困局后于2013年的ACM SIGCOM發(fā)表《Forwarding Metamorphosis: Fast Programmable Match-Action Processing in Hardware for SDN》一文，并且作為創(chuàng)始人成立了Barefoot公司。因此Barefoot公司推出的Tofino系列芯片天然支持P4。但是一個好漢三個幫，即使Nick宣稱可編程的數(shù)據(jù)芯片存在諸多優(yōu)點，在商業(yè)落地時也面臨行業(yè)巨頭的打壓與客戶的質(zhì)疑，因此P4語言并不是Nick或者Barefoot公司的私有產(chǎn)品，它由P4.org社區(qū)運作推廣，希望借助社區(qū)的力量來找到應(yīng)用場景和市場，近期P4社區(qū)剛剛與ONF組織合并。

目前支持P4編程的數(shù)據(jù)平面芯片既可以是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU），也可以是上文提到的FPGA芯片，更不用說在CPU上可以模擬P4的各種行為，還有大神在GPU上開展P4的研究工作。

誤區(qū)三：P4只支持可編程芯片

P4語言并不是學(xué)術(shù)界靈光閃現(xiàn)的成果，它是業(yè)界在OpenFlow的前期探索后的成果，谷歌在其中發(fā)揮了重大作用。時至今日谷歌現(xiàn)網(wǎng)仍然有很多運行OpenFlow協(xié)議的設(shè)備，因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)走向可編程走向更加開放，如何利舊就是個現(xiàn)實問題。而P4作為一種語言本身就是對網(wǎng)絡(luò)行為的描述，所以只要能夠讓傳統(tǒng)非可編程網(wǎng)絡(luò)芯片可以理解由P4定義的轉(zhuǎn)發(fā)流水線就能讓傳統(tǒng)芯片也支持P4定義的行為。

目前谷歌的SDN網(wǎng)絡(luò)正在向可編程邁進，傳統(tǒng)設(shè)備通過抽象層的轉(zhuǎn)譯也可以支持P4語言，因此傳統(tǒng)廠商支持P4不是不行而是可為不可為的問題，畢竟業(yè)界老大哥攜壓倒性市場份額狂奔在另一條路上。

誤區(qū)四：P4語言是Python一樣的高級語言

P4雖然是高級語言但是屬于針對特定領(lǐng)域的DSL語言，它和Python等計算機高級語言相比有很大的差別，首先P4語言需要考慮物理資源的限制，P4最終管控的是資源有限的數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)芯片，所以注定不會像CPU所處的計算平面具有超高的外置Memory資源；也正是這個原因，p4代碼并不具備高級語言的通用移植性，在A平臺的可運行代碼在B平臺不一定可以工作，所以每個支持P4語言的廠家都會提供自家產(chǎn)品的架構(gòu)模型和編譯器，用戶需要在編譯時選擇相應(yīng)物理平臺來實現(xiàn)可落地的代碼。

P4-16版本推出的目的就是提升目標(biāo)無關(guān)性，通過語言與架構(gòu)分離和靈活的數(shù)據(jù)模型支持多種目標(biāo)設(shè)備。

誤區(qū)五： P4代碼就是SDN

如同基于OpenFlow實現(xiàn)的SDN，其最重大的改進是邏輯上的集中控制，在大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和WAN網(wǎng)絡(luò)接入這種全局視角可以更好的解決網(wǎng)絡(luò)擁塞等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的問題。利用P4來實現(xiàn)可編程的設(shè)備，他們完成的也只是數(shù)據(jù)平面的工作，實現(xiàn)報文的轉(zhuǎn)發(fā)流程還需要控制平面的參與。因此在OpenFlow時代誕生了OpenDaylight和ONOS等SDN控制器項目；P4語言的協(xié)議獨立意味著不會原生支持任何協(xié)議，P4語言只是描述報文頭部格式以及程序中需要的協(xié)議字段。所以并沒有解決控制層面的問題。P4優(yōu)化了數(shù)據(jù)平面的實現(xiàn)，但是控制層面的工作一點也不能少。

無論是采用傳統(tǒng)OSPF/BGP路由協(xié)議，或者是沿用SDN控制器都可以實現(xiàn)對P4設(shè)備的控制。Opendaylight和ONOS都提供遠(yuǎn)程控制插件，可以Runtime實現(xiàn)控制流的發(fā)送。

P4的誕生是SDN演進的自然結(jié)果，如同OpenFlow剛剛出現(xiàn)面臨的不解一樣，P4作為新生事物也存在一些誤區(qū)，相信隨著P4-16的推出以及P4.org與ONF的合并，P4將獲得更多的關(guān)注與落地。當(dāng)然這一切也取決于Intel的態(tài)度。

編輯：hfy