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基于P4的可编程数据平面研究及其应用
来源:一起赢论文网     日期:2019-12-03     浏览数:86     【 字体:

 新兴网络技术与协议层出不穷,按需定制网络设备的数据包处理行为成为日益迫切的需求[1]。然而,传统交换机的局限性使其难以满足这样的需求:(1)传统交换机内控制逻辑与底层转发硬件紧密耦合,导致新的业务逻辑难以实现;(2)交换机品牌类别多种多样,不同品牌交换机的管理接口封闭独立,因此网络管理员只能通过命令行依次操作每台设备,手动地将高级网络策略转化为设备配置命令并下发到不同品牌的交换机上,配置难度和运维成本随着网络规模急剧上升;(3)报文处理逻辑不可更改,不具备可编程性,只能依靠更换设备的方式来更新升级支持新协议与新功能,并且交换机长达数年的研发周期与高昂的购置成本增加了其支持新协议和新功能的时间成本与资金成本。 因此,如何让网络变得更加开放与可编程成为了学术界和工业界的关键研究方向之一。上世纪 90年代  ,DARPA 提出了主动网络这一新型网络体系架构[2],首次提出了面向定制化服务的可编程网络基础设施的想法,希望通过通用编程接口来管理单个网络节点上的资源(处理器、存储和分组队列等),允许数据包携带代码来构建自定义功能的数据包处理逻辑。然而,由于需求不明确、协议兼容性差等问题,主动网络并未得到实际部署。世界多国开展过未来网络体系结构相关的研究项目,例如美国的 GENI[3]、欧盟的 FIRE[4]、日本的 JGN2plus[5],以及我国的 SOFIA[6]等。IETF 提出的 For CES[7]将网络元素分为控制件和转发件,用 For CES 协议来实现各部件的协同和交互,以提高网络的管控能力;4D[8]架构重新设计了互联网控制和管理结构,将控制平面与数据平面分离,实现控制平面逻辑中心化与自动化;RCP[9]是基于  AS  结构的逻辑中央平台,通过原型系统验证了 BGP 的路由决策与转发分离架构的可行性;SANE[10]是面向企业网的管理架构,所有路由和接入控制决策都由一台逻辑中央服务器控制。上述众多工作中逐步形成的控制逻辑与数据转发分离的思想与经验为后续的网络研究提供了启迪。 在  2006  年,斯坦福大学的 Martin Casado 博士和他的导师 Nick McKeown 教授领导了一个关于网络安全与管理的项目 Ethane[11]。该项目通过一个集中式的控制器,使管理员能够方便地定义基于网络流的安全控制策略,并将这些安全策略自动地下发到各种网络设备中,从而实现高效的网络安全控制。受此项目启发,斯坦福大学的研究人员们进一步抽象 Ethane 的设计,将传统转发设备的数据平面和控制平面相互解耦,通过集中式控制器以标准化的接口对网络设备进行配置和管理,增强了网络管控的灵活性与支持新协议的能力,那么这将为网络设备的管理和编程提供更多的可能性,从而进一步推动网络创新技术发展。他们在  2008  年首次提出了 Open Flow[12]的概念,并详细介绍其工作原理,还列举了 Open Flow 的应用场景,包括校园网络内的协议测试、网络域内的访问控制、网络环境隔离等。随后,基于 Open Flow 技术,Nick  Mc Keown等 人 提 出 了 软 件 定 义 网 络 ( Software-Defined Networking, SDN)的概念,引起了学术界和工业界的广泛关注。 Open Flow 将控制平面与数据平面分离,为网络管理提供统一编程模型,然而学术界与工业界关于 Open Flow 的研究工作也主要是围绕在控制平面的可编程能力上,对数据平面的关注较少。并且,在 Open Flow 协议所定义的数据平面模型中,一个重要的问题就是匹配动作表的匹配域是协议相关的,为支持新协议只能变得越发臃肿。具体而言,Open Flow 支持的匹配域数目随着新版本支持特性的更新而不断增加,从 1.0 版本的 12 个匹配域变为1.3 版本的 40 个匹配域,最后到 1.5 版本的 45 个匹配域[13]。由于 Open Flow 缺乏弹性定制匹配域的能力,因此每增加一个匹配域就需要重新编写控制器程序、交换机的协议栈以及交换机转发芯片的数据包处理逻辑,这无疑增加了交换机设计的难度,也严重影响 Open Flow 协议的可扩展性。 为解决 Open Flow 自身设计所带来的可扩展性差的问题,Nick  Mc Keown 等人提出了可编程协议无关报文处理语言 P4[13]以及相应的转发模型[14,15]。借助 P4 带来的数据平面编程能力,管理员不仅可以实现诸如网桥、路由器、防火墙等已有的网络设备功能与网络协议,而且还可以很容易地支持包括 Vx LAN[16]RCP[17]在内的新协议。并且 , 诸 如 带 状 态 负 载 均 衡 [18,19] 、 大 流 检 测[20,21,22]、分布式计算[23,24]等工作现在也可以通过 P4 在数据平面上实现,从而大幅提升性能。P4与可编程数据平面的研究引起了学术界与工业界的广泛关注,近几年各大顶级会议和期刊上 P4 相关的学术论文大量涌现,包括谷歌、AT&T、阿里巴巴、腾讯在内的超过 100 家世界知名大型公司加 林耘森箫等:基于 P4 的可编程数据平面研究及

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