超越P4的智能網(wǎng)卡編程技術(shù)

如今，BittWare的SmartNIC Shell的解析器組件是使用Xilinx HLS C++開發(fā)環(huán)境構(gòu)建的。但BittWare的SmartNIC Shell的早期版本雖然使用Xilinx SDNet工具，但使用了P4語言。

使用P4的一個(gè)原因是，它是一種新興的標(biāo)準(zhǔn)，受到在商品英特爾服務(wù)器上擁抱軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的人們的歡迎。然而，Xilinx后來限制了SDNet的可用性。我們對(duì)P4的使用是專門針對(duì)SmartNIC Shell的終端用戶的，所以這種限制使我們不得不尋找更開放的解決方案。在我們使用HLS成功實(shí)現(xiàn)RSS之后，我們被激勵(lì)使用同樣的HLS方法（特別是Xilinx HLS C++環(huán)境）重新實(shí)現(xiàn)SmartNIC Shell解析器。

什么是“Tuple”？

在網(wǎng)絡(luò)中，tuple是指從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中提取的字段，并組合在一起。最常見的是“5-tuple”，它結(jié)合了源和目的IP地址、源和目的IP端口（如果IP協(xié)議有這些端口的話）以及IP協(xié)議號(hào)。

SmartNIC產(chǎn)品中的BittWare解析器會(huì)檢查數(shù)據(jù)包，并在可用的情況下提取最多4個(gè)數(shù)據(jù)包。它將這些數(shù)據(jù)放入添加到數(shù)據(jù)包元數(shù)據(jù)的96位字段中。該字段寬度為IPv4源和目標(biāo)地址以及源和目標(biāo)端口提供了足夠的位數(shù)。我們的解析器為數(shù)據(jù)包中不可用的字段提供零。如果一個(gè)數(shù)據(jù)包不包括任何IP有效載荷，那么完整的96位元組字段為零。

一個(gè)完整的5-tuple需要額外的8位來適應(yīng)協(xié)議號(hào)。使用BittWare解析器的HLS用戶只需稍加修改源代碼就能輕松適應(yīng)這一變化。

BittWare的RSS是一個(gè)可能在數(shù)據(jù)包流水線中跟隨解析器并消耗96位元組數(shù)據(jù)的塊的例子。在我們的應(yīng)用筆記中閱讀關(guān)于該塊的內(nèi)容，比較RTL和HLS C++。

在 BittWare 的 Loopback 示例中，Parser 的使用方式有所不同。Loopback 使用了 Parser 的三個(gè)副本，而不是擴(kuò)展元數(shù)據(jù)的一個(gè)副本。之所以采取這種方法，是因?yàn)镻arser實(shí)際上相當(dāng)小。

在基本上創(chuàng)建了兩個(gè)版本的數(shù)據(jù)包解析器后，我們注意到使用P4與HLS C++的一些差異?？偟膩碚f，HLS流的抽象性不如P4，但工具卻遠(yuǎn)比P4成熟。

資源使用情況詳見下表。

你可以看到，在所有的FPGA資源中，HLS不是相似就是更好。雖然源代碼確實(shí)需要更多的行數(shù)，但其中一部分是受注釋和格式的影響。然而，HLS的C++實(shí)現(xiàn)確實(shí)總是要比P4需要更多的代碼行數(shù)。但這是針對(duì)數(shù)據(jù)包解析器/分類器而言的，屬于 P4 所能描述的范圍，而 HLS C++ 可以做得更多。HLS是非常通用的，幾乎可以做任何事情。P4是非常專業(yè)的。

更妙的是，既然有了HLS的實(shí)現(xiàn)，那么后續(xù)修改它以消化以太網(wǎng)協(xié)議的變化就和用P4語言修改差不多了。這是因?yàn)槲覀兊腍LS C++實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)是對(duì)我們創(chuàng)建的低級(jí)解析函數(shù)的調(diào)用序列。這種方法類似于直接操作位于P4語言下的運(yùn)行時(shí)。

如前所述，回環(huán)實(shí)例的源代碼，包括它的解析器塊，可以通過BittWare開發(fā)者網(wǎng)站免費(fèi)提供給Ultrascale++的用戶。它很好地說明了如何在HLS C++代碼中使用AXI接口。想看但沒有BittWare FPGA卡？請(qǐng)與我們聯(lián)系，了解哪里可以購買。

什么是數(shù)據(jù)包解析器？

在以太網(wǎng)上使用的協(xié)議對(duì)硬件來說是一個(gè)挑戰(zhàn)，要利用這些協(xié)議。這種挑戰(zhàn)的存在是因?yàn)閰f(xié)議有許多可選字段。例如，這些選項(xiàng)使查找IP頭的開始變得很復(fù)雜。 為什么這么說呢？在IP頭的情況下，前面可以有零、一個(gè)或兩個(gè)VLAN標(biāo)簽。 也可以有MPLS標(biāo)簽。因此硬件需要了解協(xié)議，剛好可以找到IP頭。硬件需要IP頭才能找到IP地址，而IP地址經(jīng)常被用于硬件過濾器和表。類似的問題在下一級(jí)也存在，因?yàn)镮P頭本身有可選的字段。

BittWare的HLS C++包解析器可以處理。

0至2個(gè)VLAN標(biāo)簽（舊的SDNet代碼允許0或1）。

0到5個(gè)MPLS標(biāo)簽（BittWare的舊SDNet代碼不識(shí)別MPLS）。

IP碎片

IPv4頭文件（不是IPv6

它假設(shè)在這些IP協(xié)議中找到端口ID。TCP、UDP、DCCP和STCP。

P4會(huì)不會(huì)成為FPGA硬件的通用？

P4語言是為了使用軟件定義“包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)平面”（或網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)）而創(chuàng)建的。該語言尤其與硬件廠商Barefoot Networks有關(guān)。P4語言與谷歌幫助推廣的名為“P4 Runtime”的東西不同。P4 Runtime提出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行時(shí)API，可以操縱由P4編譯的解決方案的控制平面。

P4確實(shí)可以很容易的為一個(gè)新協(xié)議定義一個(gè)數(shù)據(jù)包分類器/解析器。P4還指定了一套完整的表查找功能，它可以重寫流過的數(shù)據(jù)包，例如消除VLAN標(biāo)簽。

這是否意味著P4的靈活性將導(dǎo)致FPGA的采用？我們認(rèn)為有幾個(gè)理由反對(duì)這種情況發(fā)生。

在FPGA硬件上提供P4子集的商業(yè)選項(xiàng)是存在的，但是它們目前的范圍有限。此外，如前所述，由于商業(yè)條款的限制，BittWare很難利用這些條款來創(chuàng)建一個(gè)我們可以隨產(chǎn)品免費(fèi)提供的示例程序。

需要注意的是，沒有任何真實(shí)世界的FPGA應(yīng)用可以完全用P4編寫。例如，在一些例子中，跟隨我們的解析器的接收端縮放（RSS）塊不能用P4編寫。然而，HLS C++可以用來編寫任何一個(gè)塊，甚至是結(jié)合兩個(gè)功能的單個(gè)塊。

另外，P4表查詢函數(shù)基本上是用RTL或HLS C++編寫的硬件專用運(yùn)行庫的封裝器。程序員可以直接從HLS C++中調(diào)用這樣的運(yùn)行庫，而不會(huì)受到任何懲罰。

最重要的是，在使用P4和HLS C++兩種方法實(shí)現(xiàn)解析器后，我們實(shí)際上更傾向于HLS C++的方法。目前還不清楚FPGA上對(duì)P4的需求是否會(huì)增長到足以支持一個(gè)成熟的工具。HLS C++可以做得更多，也更成熟。

HLS的便攜性和結(jié)論

我們希望對(duì)FPGA上的兩個(gè)數(shù)據(jù)包解析器的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行解釋，一個(gè)是用P4語言，另一個(gè)是用HLS C++，希望對(duì)你評(píng)估正確的方法有所幫助。

最后一點(diǎn)是關(guān)于我們FPGA卡之間的可移植性。在基于Xilinx FPGA的卡之間，HLS提供了一個(gè)簡單的方法，幾乎不需要任何改變。如果要移植到基于英特爾的卡上，比如我們的520N-MX，則需要修改源代碼，特別是在兼容器的實(shí)用性方面。然而，基本概念是相同的。在這兩種情況下，我們都是基于我們對(duì)FPGA翻譯挑戰(zhàn)的了解來構(gòu)建C++。任意的C++代碼在FPGA內(nèi)運(yùn)行效果會(huì)很差。然而，經(jīng)過結(jié)構(gòu)化并涂抹了實(shí)用程序的C++代碼卻能很好地運(yùn)行。Xilinx或Intel所需要的改變非常相似，只是表達(dá)方式有些不同。

作為BittWare的SmartNIC Shell的一部分，我們的Parser可以幫助團(tuán)隊(duì)快速上手，在我們的FPGA卡上構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理應(yīng)用。了解更多關(guān)于我們的卡的SmartNIC的信息，或與我們聯(lián)系，討論您的應(yīng)用需求。

BittWare的Loopback例子重新部署了我們可以免費(fèi)提供的SmartNIC shell的一個(gè)子集。這個(gè)子集包括我們的Parser庫。

審核編輯：郭婷