一(yī)、概述      “我OpenBox又(yòu)回來了！” 沉寂了16個(gè)月(yuè)，終于又(yòu)提筆開(kāi)始寫《硬件(jiàn)二層交換設計與實現》。從(cóng)軟件(jiàn)設計到(dào)硬件(jiàn)設計需要這麽長(cháng)時間嗎(ma)？答案是肯定的，不僅需要，而且這點時間還(hái)隻能(néng)初入Verilog代碼編程之門(mén)。 但從(cóng)網絡實驗教學的角度來看(kàn)，這是不可接受的。故我們想換個(gè)思路(lù)，走走捷徑。然而這一(yī)走，便走了整整16月(yuè)有餘。 所幸略有小(xiǎo)成，與君分享，共勉自(zì)學、自(zì)研、自(zì)證之艱辛與快樂。 二、支持P4的FAST架構軟硬件(jiàn)全可編程平台      A）P4與Tofino      書上(shàng)或網上(shàng)能(néng)找到(dào)的内容請大家自(zì)行查找了解。見(jiàn)：https://p4.org      B）FAST全軟件(jiàn)可編程平台      FAST架構在我們之前的文章中有介紹，該平台也是一(yī)種典型的SDN架構設計，硬件(jiàn)數據平面主要包括FPGA OS和UM兩部分，核心邏輯處理在UM模塊中。UM又(yòu)分成了5個(gè)不同邏輯功能(néng)流水(shuǐ)線， 用戶可以針對此流水(shuǐ)線進行改造升級或擴展新的流水(shuǐ)級功能(néng)。然而，使用Verilog語言來開(kāi)發FPGA芯片功能(néng)著(zhe)實是一(yī)件(jiàn)比較有難度的事(shì)情，至少在成為(wèi)一(yī)個(gè)合格的Verilog代碼工(gōng)程師(shī)之前來說，确實有比較漫長(cháng)和艱辛的路(lù)程要走。
     受P4編程思想的啓發，我們決定将FAST架構中的UM部分更換成具備P4開(kāi)發能(néng)力的硬件(jiàn)邏輯部件(jiàn)。故該平台依然采用多(duō)核CPU加FPGA架構，P4邏輯全采用FPGA編寫，所有功能(néng)和指令邏輯全在硬件(jiàn)實現。      C）基本功能(néng)      1.分組前96字節内，小(xiǎo)于128的任意bit位，任意多(duō)個(gè)PHV對象定義；
     2.支持32字節Metadata對象編程，含16字節用戶自(zì)定義Metadata内容；
     3.分組前60字節内，任意bit位對象查表匹配，精确匹配與帶掩碼匹配，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(gè)指令執行器(qì)中含16個(gè)臨時寄存器(qì)，支持臨時變量暫存與讀(dú)取，位寬支持1到(dào)64位；
     6.支持有狀态的存儲寄存器(qì)對象定義與操作，存儲寄存器(qì)位寬支持1到(dào)64位，最大個(gè)數支持128個(gè)。支持多(duō)個(gè)寄存器(qì)對象編程；
     7.支持對分組進行協議插入與删除，長(cháng)度支持1到(dào)16字節；
     8.動作與指令均支持參數化配置，即可運行前實例化，也可運行時調整；
     9.支持32種不同邏輯業(yè)務處理功能(néng)在線編譯、在線加載、在線配置、在線卸載，不影響其他業(yè)務邏輯；
     10.提供P4後端編譯器(qì)，支持用戶P4代碼編譯；
     11.提供P4運行時配置管理工(gōng)具，支持用戶流表配置、動作配置和寄存器(qì)初始配置。 三、硬件(jiàn)設計      擁有上(shàng)述平台編程功能(néng)後，對硬件(jiàn)的設計要求便會(huì)變得較為(wèi)簡單。原來要花較長(cháng)時間，寫較多(duō)代碼的功能(néng),現在可以簡單、快速的實現。      A）設計原理      從(cóng)交換機(jī)的幾個(gè)功能(néng)步驟開(kāi)始，先實現源MAC地址的學習。從(cóng)平台功能(néng)分析，使用寄存器(qì)部件(jiàn)比較合适。 拟定義一(yī)個(gè)端口與MAC地址的映射表，存儲在寄存器(qì)對象中，使用源MAC地址作為(wèi)寄存器(qì)對象的索引，分組輸入端口号作為(wèi)該索引位置的值。在使用目的MAC查表時，亦使用MAC地址作為(wèi)索引進行查找，即可獲取該地址學習存儲的端口号。
     由于MAC地址為(wèi)48位，本平台支持寄存器(qì)的深度有限，故本案例中僅取MAC地址的後4位作為(wèi)索引。故實驗演示時，要求測試主機(jī)的MAC地址尾數不同。
     單播地址可以采用上(shàng)述思路(lù)進行設備，那組播與廣播地址呢(ne)，我們本案例拟采用全泛洪的方式先來實現一(yī)個(gè)基礎版本。 想要做組播功能(néng)可以将組播協議配置規則送CPU處理，CPU學習到(dào)入組和退組信息後，通(tōng)過P4的運行時工(gōng)具進行組播MAC與相(xiàng)應端口号的規則配置即可。      B）代碼實現

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);
}

action mb_cast()
{
     MAC_PORT.regwrite((u8)hdr.eth.smac&0xF,std_meta.ioport);
     std_meta.ioport = ~std_meta.ioport;
}

四、演示驗證       A）軟件(jiàn)核心代碼       B）編譯器(qì)結果       C）硬件(jiàn)配置       D）Ping通(tōng)測試

C:\Users\Administrator>ping 192.168.1.198
正在 Ping 192.168.1.198 具有 32 字節的數據:
來自(zì) 192.168.1.198 的回複: 字節=32 時間<1ms TTL=127
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來自(zì) 192.168.1.198 的回複: 字節=32 時間<1ms TTL=127
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五、總結與下(xià)一(yī)步      物(wù)質守恒、能(néng)力守恒，苦難亦然守恒。
     為(wèi)了讓學生(shēng)們在我們平台編寫硬件(jiàn)邏輯少些痛苦，我們艱苦奮鬥了16個(gè)月(yuè)，對P4的原理、代碼和編譯器(qì)進行了仔細琢磨、分析和領悟。我們認為(wèi)P4是一(yī)門(mén)較為(wèi)優秀的編程語言，更是一(yī)種硬件(jiàn)編程的創新思路(lù)和具體表達形式。我們無法去破解P4的硬件(jiàn)實現，固然也無從(cóng)參考，而是領悟P4編程方式的精髓理念後，采用了原有FAST架構和部分邏輯調整，并配置P4後端編譯适配，打造了現如今的支持P4的FAST架構可編程平台。
     本平台結合了FAST架構與P4可編程的雙重優勢。支持用戶在最底層硬件(jiàn)到(dào)最高(gāo)層軟件(jiàn)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(yī)步降低(dī)了學習與使用難度。
     下(xià)一(yī)步，做個(gè)硬件(jiàn)路(lù)由器(qì)？或者您有更美好的想法，我們可以試一(yī)試！      有需要開(kāi)發可編程硬件(jiàn)（FPGA、ASIC等）的P4後端編譯器(qì)，或獲得本平台介紹相(xiàng)關源碼的客戶，請與15116127200(微信同号）聯系，閱讀(dú)更多(duō)FAST相(xiàng)關文章請進入以下(xià)公衆号。