P4学习(六)实验三:a Control Plane using P4Runtime

一. 实验目的

In this exercise, we will add support for a basic tunneling protocol to the IP router that you completed in the previous assignment. The basic switch forwards based on the destination IP address. Your jobs is to define a new header type to encapsulate the IP packet and modify the switch code, so that it instead decides the destination port using a new tunnel header

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需求提取;

1.编译隧道规则
2. 采用P4Runtime下发表项

二.阅读MyController.py文件

1.导入P4Runtime的库

sys.path.append(
  os.path.join(
	os.path.dirname(
	  os.path.abspath(__file__)),
	  '../../utils/'))

sys.path 是一个字符串列表，表示解释器在导入模块时会搜索的路径集合。
__file__ 是一个特殊变量，它包含了当前执行的 Python 脚本的路径。
所以这行代码的意思是将P4Runtime的utils库导入到项目中

2.main部分

1. P4InfoHelper 实例化

p4info_helper = 
p4runtime_lib.helper.P4InfoHelper(p4info_file_path)

在 P4Runtime 环境中，它创建了一个 P4InfoHelper 实例。这个实例用于简化和协助处理 P4Info 文件中的数据。让我们分解这个命令，以及涉及的相关概念。

• P4Info 文件
  定义:P4Info 是一个由 P4 编译器生成的文件，包含了 P4 程序的元数据。这些元数据包括但不限于表、动作、计数器等的定义。
  作用：P4Info 文件为 P4Runtime 控制器提供必要的信息，以便它可以正确地与 P4 编程的交换机交互。它是控制器理解 P4 编程网络设备的关键。

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• P4Runtime Lib Helper
  定义：一个 Python 库，提供了与P4Runtime操作相关函数
  作用：它包装了一些复杂的 P4Runtime 操作，使得在 Python 中编写控制器代码更加简单和直观，用于简化在 P4Runtime 中操作 P4Info 数据和与 P4Runtime 交换机交互的过程。

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• P4InfoHelper 类
  定义：p4runtime_lib 中的一个类，用来处理 P4Info 文件。
  作用：P4InfoHelper 类通过 P4Info 文件的路径初始化。它读取文件内容，并解析其中的元数据，使这些信息可以在后续操作中轻松使用。

所以这行代码创建个P4InfoHelper 对象充当了 P4 程序定义和控制器之间的桥梁。通过解析 P4Info 文件，它提供了一种高效的方式来访问和操作 P4 程序中定义的各种网络实体。

当然，我会详细解释脚本中 main 函数的内容。main 函数是这个脚本的核心，主要负责设置 P4Runtime 环境并在交换机上配置隧道规则。让我们分步骤详细解释：

2. 创建交换机连接

s1 = p4runtime_lib.bmv2.Bmv2SwitchConnection(
    name='s1',
    address='127.0.0.1:50051',
    device_id=0,
    proto_dump_file='logs/s1-p4runtime-requests.txt')
-------省略

• 这两段代码分别创建了两个 Bmv2SwitchConnection 对象，分别代表两个虚拟交换机（s1 和 s2）。这些对象负责管理与交换机的 P4Runtime 通信。
• name 参数指定了交换机的名称。
• address 是交换机的 gRPC 地址。
• device_id 是交换机的设备ID。
• proto_dump_file 参数指定了一个文件，用于记录与交换机通信的所有 P4Runtime 消息。

3. 设置主控制器

s1.MasterArbitrationUpdate()
s2.MasterArbitrationUpdate()

• 这两行代码为两个交换机发送主仲裁更新消息。在 P4Runtime 中，控制器需要成为主控制器才能对交换机进行编程。

4. 安装 P4 程序

s1.SetForwardingPipelineConfig(p4info=p4info_helper.p4info,
                               bmv2_json_file_path=bmv2_file_path)

• 这两行代码在交换机 s1 和 s2 上安装 P4 程序。它们通过 gRPC 设置转发管线配置。
• p4info 参数是之前解析的 P4Info 数据。
• bmv2_json_file_path 是 P4 编译器生成的 BMv2 JSON 文件的路径，该文件包含了 P4 程序的实现细节。

5. 写入隧道规则

writeTunnelRules(p4info_helper, ingress_sw=s1, egress_sw=s2, tunnel_id=100,
                 dst_eth_addr="08:00:00:00:02:22", dst_ip_addr="10.0.2.2")

writeTunnelRules(p4info_helper, ingress_sw=s2, egress_sw=s1, tunnel_id=200,
                 dst_eth_addr="08:00:00:00:01:11", dst_ip_addr="10.0.1.1")

• 这两个 writeTunnelRules 函数调用配置了隧道规则。第一个调用设置了从 s1 到 s2 的隧道，第二个则相反。
• 参数包括 p4info_helper（用于构建 P4 表项），ingress_sw 和 egress_sw（入口和出口交换机），tunnel_id（隧道标识符），目标以太网地址和目标 IP 地址。

6. 读取表项和计数器（注释掉的部分）

# readTableRules(p4info_helper, s1)
# readTableRules(p4info_helper, s2)

• 它们会读取并打印交换机 s1 和 s2 上的表项。

7. 定时打印隧道计数器

while True:
    sleep(2)
    print('\n----- Reading tunnel counters -----')
    # ... (省略了打印计数器的代码)

• 这个循环每 2 秒打印一次隧道计数器的值，显示通过隧道发送的数据包和字节的数量。

8. 异常处理

except KeyboardInterrupt:
    print(" Shutting down.")
except grpc.RpcError as e:
    printGrpcError(e)

• 这部分处理了两种异常。一种是用户中断（如按 Ctrl+C），另一种是 gRPC 错误。

9. 关闭交换机连接

ShutdownAllSwitchConnections()

• 脚本结束时，关闭与所有交换机的连接。

二. 实验过程

1. Topo

2. 观察初始的工程

首先我们分别把服务起来后，可以看到只有s1的1端口接收到了数据包，这是因为我们只给s1的port2和s2的port1下发了表项，而隧道规则并没有下发，所以数据包会被drop，即只会有s1连接h1的那个端口会有packet接收，其它端口没有。

3.S1与S2的隧道建立

1. p4info_helper.buildTableEntry(...): 这个函数用于创建一个表项。这个函数的参数包括：
   • table_name: 指定要配置的表的名称。
   • match_fields: 定义了需要匹配的字段。
   • action_name: 当匹配成功时，将要执行的动作。
   • action_params: 与动作相关的参数。
2. ingress_sw.WriteTableEntry(table_entry): 将上面创建的表项写入到交换机的入口交换。

4. rules的打印

这段代码是用于从使用P4语言编程的交换机中读取并打印配置的表项（table entries）。代码的每部分功能如下：

三. 实验结果

四.知识总结

翻译自官网

这个 p4runtime_lib 目录包含了几个Python文件，每个文件都承担着特定的角色以支持P4网络设备的控制和管理。以下是每个文件的概要说明：

1. helper.py

   • 包含 P4InfoHelper 类，用于解析p4info文件。
   • 提供从实体名称到ID号以及从ID号到实体名称的转换方法。
   • 构建与P4程序相关的P4Runtime表项的部分。

2. switch.py

   • 包含 SwitchConnection 类，负责获取gRPC客户端存根并建立与交换机的连接。
   • 提供辅助方法来构造P4Runtime协议缓冲消息，并执行P4Runtime gRPC服务调用。

3. bmv2.py

   • 包含 Bmv2SwitchConnection 类，它扩展了 SwitchConnection 类，并提供BMv2特有的设备负载来加载P4程序。

4. convert.py

   • 提供方便的方法来实现友好字符串和数字与协议缓冲消息所需的字节字符串之间的编码和解码。
   • 被 helper.py 使用。

这些文件共同工作，为P4Runtime环境下的网络设备（如基于BMv2的交换机）提供了一个完整的控制和配置框架。通过这个库，开发人员可以更方便地与P4Runtime兼容的设备交互，包括配置网络转发规则、读取设备状态、以及管理设备连接等。