Анонс выпуска P4Runtime v1.0

Опубликован Antonin Bas и Waqar Mohsin 11 марта 2019 г.

Выпущена спецификация P4Runtime v1.0.0, подготовленная рабочей группой P4 API. Выпуск v1.0.0 включает:

определение сервиса RPC – файлы Protocol Buffers (Protobuf), которые определяют формат сообщений, используемых для чтения и записи элементов уровня данных, а также набор RPC, которые могут использоваться для передачи этих сообщений между разделенными клиентом и сервером;
полная спецификация семантики сообщений Protobuf.

Что такое P4Runtime и зачем это нужно?

Язык программирования P4 стал популярным способом задания и программирования поведения уровня пересылки в сетевых устройствах. Интерфейс P4Runtime API разработан в качестве стандартного способа управления работающими элементами пересылки P4, например для добавления и удаления записей в таблицах пересылки. До выпуска P4Runtime большинство элементов пересылки P4 управлялось с использованием пользовательских или фирменных (proprietary) API уровня управления. Спецификация языка P4 не включает API уровня управления, оставляя программистам и производителям возможность использования своих решений. Это с неизбежностью привело к появлению множества несовместимых API и приложения, использовавшие разные API не могут быть перенесены в другие системы даже если базовые элементы пересылки определены с открытом и независимом от производителя P4.

P4Runtime пытается решить эту проблему путем определения стандартного, открытого и аппаратно-независимого (для устройств с фиксированной и программируемой функциональностью) API, позволяющего контролировать работу произвольных уровней пересылки P4.

P4Runtime одинаково хорошо подходит для локальных и удаленных уровней управления (независимо от RPC). На рисунке показан типичный вариант развертывания SDN с P4Runtime. В примере коммутатор использует операционную системы Stratum на основе Open Networking Linux (ONL).

P4Runtime не зависит от конвейера обработки. При добавлении новых функций на уровне пересылки P4 интерфейс P4Runtime API не меняется и не требуется заново компилировать программы уровня управления (и даже перезагружать его).

Для достижения независимости от конвейера P4Runtime отделяет формат обмена сообщениями Protobuf от формата данных, передаваемых в этих сообщениях, так же, как gNMI определяет фиксированный сервис gRPC и фиксированный формат сообщений Protobuf, которые могут применяться для передачи любых структурированных в форме дерева данных, часто моделируемых с помощью YANG. В P4Runtime сама модель данных описывается сообщением Protobuf, называемым P4Info, которое выводится из программы P4. С другой стороны интерфейс является фиксированным и не зависит от программы P4, что способствует расширяемости (т. е. добавлению протоколов и действий) и оптимизирует реализации клиентов и серверов.

В приведенной выше таблице сообщение P4Info (средняя колонка) является моделью данных, задающей содержимое сообщений P4Runtime (справа). Например, запись P4Info для ipv4_lpm диктует, что каждая запись сопоставления, добавляемая в таблицу, обеспечивает должным образом форматированные значения для двух полей сопоставления (hdr.ipv4.dstAddr и hdr.meta.vrf_id) и должна выбирать из 2 действий (drop или set_nhop).

P4Runtime v1.0.0 – результат взаимодействия профессионалов

Разработка P4Runtime началась в середине 2016 г. и ускорилась в 2017 после создания рабочей группы P4 API. Параллельно разрабатывалось множество реализаций и с 2017 г. результаты были показаны на разных мероприятиях.

В ноябре 2017 г Google Cloud, Barefoot Networks и ONF продемонстрировали первую физическую сеть на базе P4Runtime во время конгресса SDN NFV World Congress (видео).
В феврале 2018 г. на MWC фонд ONF продемонстрировал фабрику коммутации от нескольких производителей, управляемую контроллером ONOS через P4Runtime.
В марте 2018 г. на саммите OCP компания Google показала видео о реализации P4Runtime на основе коммутатора с ONL, управляемого контроллером P4 SDN (видео).
В ноябре 2018 г. на ONS Europe и в декабре 2018 г. на ONF Connect фонд ONF показал фабрику коммутации от нескольких производителей, управляемую контроллером ONOS с использованием P4Runtime и OF-DPA. Коммутаторы (white-box), управляемые P4Runtime, работали на основе ОС Stratum.

После двух лет разработок и прототипирования выпуск P4Runtime 1.0.0 достиг готовности. Этот выпуск обеспечивает гарантии совместимости с прежними выпусками – все новые библиотеки будут совместимы с предшественниками, если только не будет увеличен старший номер (с 1 до 2). Предполагается, что такое увеличение будет происходить редко и, следуя рекомендациям Google для версий облачных API, старший номер версии кодируется в имени пакета Protobuf для устранения возможности рассогласования версий между клиентом и сервером, а также обеспечения конечным точкам возможности одновременно поддерживать несколько версий.

Представление четкого и однозначного интерфейса API с полной спецификацией облегчит разработчикам программ и оборудования реализацию совместимой продукции.

Что интересного в P4Runtime?

Арбитраж. Интерфейс P4Runtime позволяет подключить несколько контроллеров к серверу P4Runtime на устройстве для обеспечения резервирования и отказоустойчивости. Наличие нескольких контроллеров позволяет одному или нескольким работать в режиме резервного с переключением при отказе основного.
Разделение ролей. P4Runtime поддерживает совместное использование уровня данных P4 с разными ведущими (возможно и резервными) контроллерами. Это делает возможными неоднородные системы с комбинацией локального и одного или нескольких удаленных уровней управления (например, локальный для L2 и удаленный для L3).
Настраиваемость уровня данных. Независимая от конвейера природа P4Runtime позволяет «вталкивать» совершенно новый уровень пересылки (с другим P4Info) через сам интерфейс. Это позволяет уровню управления использовать программируемость уровня данных, когда она поддерживается.
Ввод-вывод пакетов. P4Runtime поддерживает потоки пакетов между клиентом и сервером благодаря двухстороннему потоку gRPC. К пакету можно привязать произвольные метаданные (согласно P4Info).
Пакетирование. P4Runtime поддерживает пакетное чтение и запись данных на уровне протокола, что позволяет клиенту и серверу амортизировать стоимость RPC при удаленном управлении и обеспечить высокую производительность. Поддерживаются разные режимы делимости для создания пакетов, что позволяет приложениям использовать расширенные возможности сетевого устройства, такие как транзакции.
Отчеты об ошибках. P4Runtime обеспечивает полнофункциональный механизм информирования клиента об ошибках. Каждое сообщение содержит канонический код ошибки и необязательный специфический для устройства код. Спецификация включает подробные рекомендации об использовании канонических кодов в разных ситуациях, что может быть использовано приложением для подобающего отклика на ошибки и расширения возможностей отладки программ уровня управления.
Расширяемость архитектуры. P4Runtime использует любые сообщений protobuf для поддержки произвольных фирменных расширений, которые могут оставаться закрытыми. Новые сообщения Protobuf могут определяться для настройки внешних или потоковых уведомлений между сервером и клиентами.

Могут P4Runtime и SAI дополнять друг друга?

Различие между SAI и P4Runtime описано в статье. Интерфейс SAI был создан для локального управления коммутаторами и, в отличие от P4Runtime, предполагает наличие определенного набора протоколов на базовом уровне пересылки. Основная ценность SAI заключается в наличии унифицированной и независимой от производителя семантики API локальным приложениям уровня управления, что позволяет интегрировать его со стандартными стеками протоколов (например, FRRouting). SAI проще в использовании, чем P4Runtime, но менее расширяем.

Считается, что SAI и P4Runtime хорошо дополняют друг друга. В проекте flexsai уже реализовано использование описания P4 для SAI API с целью создания «соглашения» между уровнями управления и пересылки. Но flexsai базируется на генерации API вместо предоставления приложениям независимого от конвейера интерфейса и не поддерживает функциональность RPC.

Предполагается, что взаимодополняющая природа SAI и P4Runtime может использоваться для расширения P4Runtime в SAI.

Перевод на русский язык

Николай Малых

nmalykh@protokols.ru

Анонс выпуска P4Runtime v1.0