[发明专利]一种基于P4可编程交换机的意图驱动网络测量方法及系统

说明书

本发明提出一种基于P4交换机的意图驱动网络测量方法和系统，包括：测量系统的编译器获取用户端下发的基于测量原语编写的测量任务，并将其编译为数据面P4代码和控制面配置文件；测量系统的运行时环境根据控制面配置文件，将转发处理表下发至P4交换机，以对P4交换机的运行时环境进行交互；P4交换机的P4编译器将数据面P4代码编译部署到P4交换机的交换芯片；P4交换机的运行时环境作为测量系统的运行时环境的驱动，连接测量系统与交换芯片的桥梁；数据包经过交换芯片时，触发转发处理表，记录相关统计信息到指定存储空间，存储空间中相关信息作为网络测量结果，经由P4交换机的运行时环境和测量系统的运行时环境返回给用户端。

技术领域

本发明涉及网络测量和可编程网络技术领域，并特别涉及一种基于P4可编程交换机的意图驱动网络测量方法及系统。

背景技术

P4(Programming Protocol-independent Packet Processors)是一种面向网络设备的领域专用语言，主要用于数据面设备，比如交换机、网卡、路由器、防火墙等，来表达这些数据面设备如何处理转发数据包。在P4出现之前，网络硬件设备厂商对网络设备的功能拥有绝对的控制，网络设备的迭代、新功能的推出、对新的网络协议的支持等等全部依赖硬件厂商。在这种转发芯片决定了设备所有出厂功能的情况下，实际网络中想要支持新的特性(比如vxlan、RDMA等)，就必须等待硬件厂商的产品迭代更新，这个过程通常需要以年为单位，这在互联网上层应用繁荣、流量复杂的当下就难以满足底层网络同步快速迭代的需求。P4的出现颠覆了传统的网络进化模式，互联网上层应用开发者和网络工程师可以使用P4语言来定义实现网络数据面的特定处理转发行为，实现可编程网络。因为网络设备的可编程性，网络迭代更新的速度从以年为单位，直接跨越到以分钟为单位。

P4诞生于2013年，由斯坦福大学的Nick Mckeown教授提出，2014年发布了P4语言的第一个正式规范，称为P4_14。第一届P4研讨会于2015年6月在斯坦福大学举行。之后，2016年发布了更新的规范P4_16。P4最初是为可编程交换机设计的，即P4交换机，现在P4已经扩展到许多场景，可以支持不同的硬件设备(ASIC、FPGA、NIC)，通常使用术语“目标target”来指代这些数据面设备。

P4可编程交换机就是可部署P4代码的可编程交换机，目前已经成为可编程交换机的主流与代号，相比于传统交换机主要有两种不同：1)交换机的数据面不再是固定的。P4程序能够定义描述数据平面的功能，这些功能在P4程序到硬件ASIC芯片编译时配置。而且P4本身是协议独立的，它允许程序员表达各种丰富的数据平面行为而不拘泥于某种网络协议。通过P4驱动的可编程交换机甚至可以不支持最常见的协议，如IP、TCP、VxLAN或MPLS。相反，程序员可以使用P4程序描述自定义协议的头格式和字段名，并定义相应的转发或者处理表、操作，然后由编译后的程序和目标设备解释和处理。因此，P4可编程交换机允许用户开发定制新的协议、功能，删除不必要的表和操作以降低复杂性、资源占用率，同时提供更高的系统可见性，包括诊断、遥测、资源占用情况等。2)控制平面使用与传统交换机相同的通道继续与数据平面交互，但是，驱动数据平面行为的表和表项集不再是固定的，而是取决于用户可自定义的P4程序。P4编译器生成API，控制平面使用该API与P4程序中的数据平面通信，增删查改特定表项、读写寄存器。P4可编程交换机的可编程性意味着P4能够在交换机ASIC上定义包头解析逻辑和匹配字段、动作和表。然后，可以使用另一种控制平面协议(如OpenFlow)或使用P4标准编译器生成的API来填充这些表中的条目。

相比P4语言标准，P4交换机硬件面世时间较晚，于2017年发布的Barefoot Tofino交换芯片是业内第一个支持PISA架构的以太网交换ASIC，也是目前主流的P4交换机芯片。发展至今，P4交换机在学术界、工业界已经被用来做许多场景下的网络优化，比如实时网络监测、四层负载均衡、在网DDoS检测、DNS缓存、防火墙、隧道网关、网络代理等等。P4交换机让网络拥有了一定的计算能力，可以完成部分计算卸载，减轻网络负担，提高系统整体性能。