隨著P4語言正逐漸成為可編程交換機(jī)事實(shí)上的可編程語言標(biāo)準(zhǔn)，越來越多的人希望打造屬于自己的支持P4語言的可編程交換機(jī)或智能網(wǎng)卡或DPU，因此支持P4語言的編譯器的開發(fā)至關(guān)重要。P4編譯器負(fù)責(zé)如何將邏輯查找表映射到物理表，同時(shí)要滿足程序中的數(shù)據(jù)和控制依賴關(guān)系，這里面涉及到數(shù)學(xué)的最優(yōu)化問題。拋開最優(yōu)化問題不談，能否打造一款不是最優(yōu)的但也能支持P4語言的編譯器呢？打造編譯器的過程中會(huì)遇到什么問題呢？有沒有可以參考的開源資源？或許2022年8月26日arvix網(wǎng)站上的一篇文章會(huì)告訴你答案。本文將該文的部分內(nèi)容進(jìn)行了翻譯。

P4語言已成為編程基于可重構(gòu)匹配動(dòng)作表的可編程交換機(jī)的主要選擇。V1Model架構(gòu)是匹配動(dòng)作架構(gòu)最廣泛可用的實(shí)現(xiàn)。P4聯(lián)盟開發(fā)的開源編譯器前端可以執(zhí)行語法分析，并導(dǎo)出使用最新版本的P4（也稱為P416）編寫的程序的硬件獨(dú)立表示。但是還需要后端編譯器將此硬件表示映射到V1Model交換機(jī)的硬件資源。然而，沒有開源后端編譯器可用于檢查P416程序在V1Model交換機(jī)上的可實(shí)現(xiàn)性。不同硬件供應(yīng)商提供的專有工具完成上述映射過程。但是，它們是封閉源代碼，我們看不到內(nèi)部的映射機(jī)制。這抑制了針對(duì)可重構(gòu)匹配動(dòng)作表架構(gòu)的新映射算法和創(chuàng)新指令集的實(shí)驗(yàn)。此外，專用后端編譯器成本高昂，并附帶各種保密協(xié)議。這些因素對(duì)可編程交換機(jī)相關(guān)研究提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在這項(xiàng)工作中，我們?yōu)榛赩1Model架構(gòu)的可編程交換機(jī)提供了一個(gè)開源P416后端編譯器。它使用基于啟發(fā)式的映射算法將P416程序映射到V1Model交換機(jī)的硬件資源上。它允許開發(fā)人員快速原型化不同的映射算法。它還提供了P416程序的各種資源使用統(tǒng)計(jì)信息，從而能夠在多個(gè)P416方案之間進(jìn)行比較。

01 引言

RMT體系結(jié)構(gòu)和P4語言：近年來，基于可重構(gòu)匹配動(dòng)作表（RMT）［1］體系結(jié)構(gòu)的可編程交換機(jī)越來越流行，并得到了廣泛部署。P4語言已經(jīng)成為對(duì)這些交換機(jī)進(jìn)行編程的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)語言。自引入［2］以來，P4編程語言經(jīng)歷了幾次架構(gòu)變化。其最新版本（版本16［3］，也稱為P416）是該語言最初版本（P414［4］）的主要重新設(shè)計(jì)。它被設(shè)計(jì)為支持具有不同架構(gòu)的各種目標(biāo)交換機(jī)（即，軟件交換機(jī)［5］、smartNIC［6］、eBPF［7］、FPGA［8］、RMT［9］、dRMT［10］等）進(jìn)行分組處理。

圖1:V1Model交換機(jī)P4編譯器的高級(jí)工作流程

基于RMT架構(gòu)［1］的交換機(jī)被設(shè)計(jì)為多級(jí)流水線，其中包含可重新配置的解析器、多個(gè)匹配動(dòng)作階段、逆解析器和一些其他固定模塊（例如，數(shù)據(jù)包復(fù)制引擎和流量管理器等［1、9、11］）。P4提供了描述這些交換機(jī)架構(gòu)和運(yùn)行時(shí)行為的語言結(jié)構(gòu)。交換機(jī)的體系結(jié)構(gòu)描述包括流水線的高層結(jié)構(gòu)、功能和接口。硬件支持的功能作為單獨(dú)的目標(biāo)特定庫(kù)提供。它們都由硬件供應(yīng)商提供。數(shù)據(jù)平面程序開發(fā)人員使用目標(biāo)特定庫(kù)和P4核心庫(kù)來描述RMT交換機(jī)作為P4程序的運(yùn)行時(shí)行為。

RMT交換機(jī)的P4編譯器：P4語言本質(zhì)上與目標(biāo)硬件無關(guān)，只提供高級(jí)命令式結(jié)構(gòu)來表達(dá)各種數(shù)據(jù)包處理架構(gòu)的數(shù)據(jù)包處理邏輯。因此，P4程序和RMT架構(gòu)的組件之間沒有直接映射。將給定P4程序轉(zhuǎn)換為目標(biāo)交換機(jī)執(zhí)行的特定可執(zhí)行程序（二級(jí)制的硬件配置），P4編譯器就是十分必要的。P4編譯器（圖1）通常由三個(gè)主要組件組成［12］：a）負(fù)責(zé)語法分析的獨(dú)立于目標(biāo)的前端，驗(yàn)證目標(biāo)無關(guān)約束（例如，P4所需的無環(huán)控制流），并將P4程序轉(zhuǎn)換為目標(biāo)無關(guān)中間表示（IR），表示一系列邏輯匹配動(dòng)作表之間的控制流。b） 用于獨(dú)立于體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化的中間端［13］，以及c）基于目標(biāo)硬件的后端編譯器，負(fù)責(zé)生成可被目標(biāo)硬件執(zhí)行的可執(zhí)行程序。它需要資源分配機(jī)制（圖1中的后端編譯器映射階段）來將IR組件映射到目標(biāo)硬件資源上。它計(jì)算P4程序的報(bào)頭字段到RMT硬件的包報(bào)頭向量（PHV）映射、包報(bào)頭解析器狀態(tài)機(jī)（在IR中表示為解析圖）到RMT軟件的狀態(tài)表映射以及P4程序控制流（表示為邏輯匹配動(dòng)作表的圖）到RM硬件的物理匹配動(dòng)作表映射。這些映射需要符合目標(biāo)相關(guān)約束（即，報(bào)頭向量容量、縱橫寬度、匹配動(dòng)作表維度等）。如果P4程序可以成功地映射到目標(biāo)硬件上；以可執(zhí)行硬件配置二進(jìn)制文件的形式從映射（圖1中的后端編譯器配置生成階段）生成相應(yīng)的硬件配置。該可執(zhí)行配置由控制平面加載到目標(biāo)硬件中，并由目標(biāo)硬件執(zhí)行。

RMT交換機(jī)的開源P4編譯器：P4C［14］是P4語言的參考編譯器。它由P4語言聯(lián)盟開發(fā)，并遵循圖1所示的工作流程［12，14］。它支持兩種不同的基于RMT架構(gòu)的交換機(jī)：a）廣泛稱為V1Model架構(gòu)的simple_switch模型［15］和b）P4語言協(xié)會(huì)開發(fā)的便攜式交換機(jī)架構(gòu)（PSA）［16］（尚未完全實(shí)現(xiàn)）。然而，P4C沒有為這兩種體系結(jié)構(gòu)的實(shí)際目標(biāo)硬件提供任何后端編譯器。P4C前端+中端將中間表示作為獨(dú)立于硬件的JSON文件發(fā)送，參考軟件交換實(shí)現(xiàn)（BMV2［17］）在各自硬件架構(gòu)的CPU仿真上執(zhí)行它們。它沒有考慮實(shí)際目標(biāo)交換機(jī)中存在的實(shí)際硬件資源限制。因此，P4C不能決定給定P4程序在這些RMT交換機(jī)的特定實(shí)例上的可實(shí)現(xiàn)性。除了P4C，文獻(xiàn)中還提供了其他幾種用于基于RMT架構(gòu)的交換機(jī)的開源編譯器。然而，其中一些［18］與P4語言的舊版本（P414［4］）一起使用，這在架構(gòu)上與P4的當(dāng)前版本（P416［3］）不同。其他一些工作側(cè)重于不同的分組處理語言（例如，Domino［19，20］）、不同的架構(gòu)（drmt［10］）或不同的硬件平臺(tái)（例如，F(xiàn)PGA［8］）。因此，研究人員需要使用專有后端編譯器［21］來決定是否可以使用RMT交換機(jī)實(shí)現(xiàn)P4程序。然而，這些系統(tǒng)是封閉源代碼的，價(jià)格昂貴，并且通常附帶額外的保密協(xié)議［9］。

為什么選擇開源后端編譯器：后端編譯器負(fù)責(zé)將P4程序映射到目標(biāo)硬件，在P4生態(tài)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。它負(fù)責(zé)測(cè)量RMT管道中P4項(xiàng)目的資源消耗?？删幊探粨Q機(jī)包含有限的硬件資源。因此，具有實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)所需的最少硬件資源的P4程序更具資源效率。近年來，大量研究工作使用了BMV2［17］模擬器，將P4C編譯器作為其目標(biāo)平臺(tái)，該模擬器缺乏能夠考慮目標(biāo)硬件中存在的實(shí)際資源約束的后端編譯器。沒有這樣的后端編譯器，研究人員無法測(cè)量其方案的資源需求，也無法比較多個(gè)方案的資源使用效率。在最壞情況下，如果沒有后端編譯器，這些P4程序不能被實(shí)現(xiàn)為P4硬件。因此，這些P4程序是否可以通過現(xiàn)實(shí)生活中的RMT交換機(jī)直接執(zhí)行，這一點(diǎn)值得商榷。

后端編譯器需要解決幾個(gè)計(jì)算上難以解決的問題［18，22］，以找到P4程序到目標(biāo)硬件的映射。優(yōu)化算法通常需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成［18，22］。隨著網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計(jì)算［23］范式的不斷興起，各種研究工作［24–28］也將重點(diǎn)放在數(shù)據(jù)平面中的不同網(wǎng)絡(luò)功能的開發(fā)上。在這些情況下，研究人員不需要安裝具有各種功能的成熟交換機(jī)所需的大型P4程序。當(dāng)數(shù)據(jù)平面程序員需要將如此大的P4程序適配到目標(biāo)硬件中時(shí)，最佳映射算法是很重要的。另一方面，使用基于啟發(fā)式算法的開源后端編譯器可以為研究人員提供關(guān)于使用目標(biāo)硬件實(shí)現(xiàn)較小P4程序的快速?zèng)Q策。

后端編譯器使用的映射算法對(duì)P4程序的資源（TCAM/SRAM存儲(chǔ)、ALU數(shù)量、縱橫寬度等）要求以及目標(biāo)交換機(jī)中的可用資源非常敏感［18］。P4程序的資源需求可以在運(yùn)行時(shí)改變（例如，IPv4轉(zhuǎn)發(fā)表的大小增加），這可能使先前計(jì)算的映射無效。隨著網(wǎng)絡(luò)虛擬化［29］和網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)［30］范式的快速擴(kuò)散，按需網(wǎng)絡(luò)功能部署的需求也在快速增長(zhǎng)。它需要在短時(shí)間內(nèi)快速自動(dòng)部署定制的數(shù)據(jù)平面算法。因此，開發(fā)更快、更有效的啟發(fā)式/近似映射算法具有重大意義。使用封閉源代碼后端編譯器，研究人員無法嘗試不同的映射算法。除此之外，在RMT體系結(jié)構(gòu)中開發(fā)支持復(fù)雜指令的硬件單元（P4語言中的extern［3］）越來越受到關(guān)注［31–33］。

沒有開源后端編譯器，研究人員無法將新開發(fā)的外部程序集成到P4程序中并測(cè)試其有效性。從頭開始獨(dú)立開發(fā)后端編譯器需要各種與映射計(jì)算無關(guān)的常見和重復(fù)任務(wù)（即IR解析、使用圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示解析的IR、建模硬件資源等）。開源后端編譯器可以讓研究人員專注于開發(fā)高效的映射算法，而不是專注于重復(fù)的任務(wù)。

受這些因素的啟發(fā)，在這項(xiàng)工作中，我們?yōu)榛赩1Model［15］架構(gòu)的RMT交換機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)開源P4后端編譯器（僅映射階段）。據(jù)我們所知，它是第一個(gè)基于RMT架構(gòu)的可編程交換機(jī)的開源P416后端編譯器。后端編譯器需要兩個(gè)輸入：a）V1Model交換機(jī)中可用資源的規(guī)范，以及b）P4C前端生成的P4程序的中間表示（IR）。由于P4C不提供任何接口來指定V1Model交換機(jī)的硬件資源，我們開發(fā)了基于JSON格式的硬件規(guī)范語言（HSL）（第3.3節(jié)）來表示V1Model交換機(jī)的硬件資源規(guī)范。在討論了第2節(jié)中的相關(guān)工作之后，我們?cè)诘?節(jié)中簡(jiǎn)要討論了V1Model架構(gòu)以及HSL（第3.3節(jié)）。然后，我們介紹了P4C編譯器前端提供的IR結(jié)構(gòu)（第4節(jié)）。該后端使用各種現(xiàn)有的基于啟發(fā)式的算法來分配V1Model交換機(jī)中的流水線資源并計(jì)算IR到硬件資源的映射。據(jù)我們所知，這是文獻(xiàn)中第一個(gè)考慮P4程序中使用有狀態(tài)內(nèi)存產(chǎn)生的約束及其對(duì)映射決策的影響的方案我們?cè)诘?節(jié)中討論了映射過程的細(xì)節(jié)。一旦找到映射，計(jì)算硬件配置二進(jìn)制文件需要將映射直接轉(zhuǎn)換為硬件指令代碼。由于這項(xiàng)工作不專注于在V1Model switch的任何特定實(shí)例上執(zhí)行P4程序，因此我們將硬件配置二進(jìn)制生成留給未來的工作。我們?cè)诘?節(jié)中討論了后端編譯器的實(shí)現(xiàn)和評(píng)估，并在第5節(jié)中總結(jié)了本文。

為什么選擇V1Model： V1Model是開源P4C編譯器前端完全支持的唯一RMT交換機(jī)。此外，主要可編程交換機(jī)硬件供應(yīng)商都支持V1Model架構(gòu)［9，34］。近年來，大量研究工作［35］將V1Model用作其參考硬件架構(gòu)（通過使用商用硬件或BMV2模擬器）。此外，V1Model類似于P4語言版本14中使用的抽象交換機(jī)模型。因此，所有基于P414的研究工作都可以映射到該模型。最后，P4聯(lián)盟正在標(biāo)準(zhǔn)化的最新可編程交換機(jī)架構(gòu)是PSA［16］，它也類似于V1Model架構(gòu)。本文中介紹的后端編譯器可以通過少量修改擴(kuò)展到PSA體系結(jié)構(gòu)。由于這些原因，V1Model是大量研究工作的代表性硬件架構(gòu)，我們選擇為該架構(gòu)構(gòu)建后端編譯器。

后端編譯器不做什么：本文中介紹的后端編譯器僅支持V1Model架構(gòu)和P4語言（P416）結(jié)構(gòu)的子集，它們涵蓋了廣泛的用例。系統(tǒng)支持的P4結(jié)構(gòu)的完整列表，見［36］。專有硬件可以具有用于數(shù)據(jù)包處理的特殊指令（如extern［3］），并且它們的系統(tǒng)中也可以具有附加約束。我們的后端編譯器不是任何專有系統(tǒng)的完全替代品。它使用啟發(fā)式算法將P4程序映射到V1Model交換機(jī)，盡管存在有效映射，但它可以部分拒絕P4程序（如其他可編程交換機(jī)后端［37］）。此外，由于使用了啟發(fā)式，它不能保證計(jì)算映射的最優(yōu)性。最后，后端編譯器僅覆蓋圖1所示的映射階段，而不覆蓋硬件配置生成階段。

02 相關(guān)工作

在［2］中，作者介紹了一種基于RMT架構(gòu)的抽象交換轉(zhuǎn)發(fā)模型，并提出了P4編程語言，以與協(xié)議無關(guān)的方式對(duì)交換機(jī)進(jìn)行編程。作者還介紹了兩級(jí)P4語言編譯器的高級(jí)結(jié)構(gòu)。雖然這項(xiàng)工作簡(jiǎn)要地討論了解析器和TDG映射問題，但缺少一個(gè)完整的后端編譯器開源系統(tǒng)。在［38］中，作者解決了將數(shù)據(jù)包解析邏輯映射到基于CAM的硬件的問題。然而，它的主要重點(diǎn)是合成解析器硬件電路。因此，它不能直接用于P416后端編譯器。在［18］中，作者討論了將RMT交換機(jī)的邏輯匹配動(dòng)作表映射到物理匹配動(dòng)作表的計(jì)算復(fù)雜性。他們提出了一種基于整數(shù)線性規(guī)劃的方法（用于最優(yōu)解）以及一些基于啟發(fā)式的映射計(jì)算方法

該系統(tǒng)是一個(gè)開源項(xiàng)目。然而，它不能支持P4程序中的狀態(tài)存儲(chǔ)器，這是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計(jì)算范式的關(guān)鍵要求。上面提到的所有工作都是為了支持P4語言的初始版本（又稱P414［4］），并且沒有一個(gè)提供完整的后端編譯器。此外，最新版本的P4語言（又稱P416）在架構(gòu)上與P414不同。因此，這些工作不能直接用于編譯P416程序

P4語言聯(lián)盟開發(fā)的P416語言的參考編譯器是P4C［14］。其前端可以為各種目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)（包括RMT體系結(jié)構(gòu)）編譯P416程序。它通過基于CPU的仿真為兩個(gè)RMT架構(gòu)交換機(jī)提供后端支持：V1Model［15］和PSA［16］。這些仿真后端在CPU上執(zhí)行P4程序的中間表示。它沒有規(guī)定對(duì)RMT交換機(jī)的硬件資源進(jìn)行建模。在決定P416程序是否可以映射到真實(shí)的目標(biāo)硬件時(shí)，無法考慮硬件資源限制約束。在［8］中，作者為基于FPGA的平臺(tái)提供了一個(gè)開源P416后端編譯器。然而，該系統(tǒng)的基本塊與RMT體系結(jié)構(gòu)中使用的物理匹配動(dòng)作表不同。這里，基本塊可以執(zhí)行匹配和分支指令；并且基于它們的結(jié)果，可以執(zhí)行一些動(dòng)作。因此，與原始RMT架構(gòu)相比，它在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中提供了更靈活的匹配動(dòng)作能力。 RMT體系結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)中幾乎沒有其他開源編譯器編譯器［37，39］。然而，它們［37］要么不支持P416中編寫的程序作為輸入，要么是為基于非RMT架構(gòu)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)的［39］。除了這些開源系統(tǒng)，還存在一些能夠支持RMT交換機(jī)的P416語言的專有后端編譯器［21，40］。然而，它們本質(zhì)上是封閉源代碼，不提供對(duì)其內(nèi)部機(jī)制的訪問。

03 V1Model架構(gòu)

V1Model是可重構(gòu)匹配動(dòng)作（RMT）體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例。其分組處理流水線（圖2）由多個(gè)布置在多個(gè)階段中的組件組成。本節(jié)描述其組件、不同資源類型的規(guī)范以及它們?nèi)绾翁幚頂?shù)據(jù)包。最后，在第3.3節(jié)中，我們提出了一種硬件規(guī)范語言來表示V1Model交換機(jī)的資源。

圖2 V1Model的流水線結(jié)構(gòu)

3.1解析器和包頭向量

在V1Model架構(gòu)中，傳入數(shù)據(jù)包首先通過基于TCAM的［38］可編程解析器（圖3），該解析器執(zhí)行以狀態(tài)機(jī)形式提供的解析邏輯（由后端編譯器轉(zhuǎn)換為狀態(tài)表）。解析器包含兩個(gè)主要構(gòu)建塊：

a）報(bào)頭識(shí)別單元：它包含一個(gè)PB位寬的緩沖區(qū)，用于在數(shù)據(jù)包中查找并在每個(gè)周期識(shí)別最多H個(gè)包頭。它還包含一個(gè)TCAM，能夠存儲(chǔ)PTL條目以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)表。每個(gè)TCAM條目包含當(dāng)前解析狀態(tài)的信息和要匹配的頭字段的值（作為位序列）。在每個(gè)周期，可以在TCAM中查找最大f TC查找字段值（每個(gè)字段具有最大查找寬度f TW b）和當(dāng)前狀態(tài)。TCAM條目為PTW b寬，用于存儲(chǔ)查找字段值和當(dāng)前狀態(tài)值。每個(gè)條目還包含指向RAM單元的指針，用于存儲(chǔ)下一個(gè)解析狀態(tài)和要由提取單元提取的報(bào)頭字段的位置。

b） 提取單元：在TCAM中匹配數(shù)據(jù)包后，存儲(chǔ)在SRAM的匹配索引單元中的信息被加載到提取單元中。該單元可以提取最大PEW位寬數(shù)據(jù)作為報(bào)頭字段，并將其存儲(chǔ)在字段緩沖器中。在每個(gè)循環(huán)中，提取幾個(gè)報(bào)頭字段，并將下一個(gè)解析狀態(tài)饋送到報(bào)頭識(shí)別單元，以便在下一個(gè)循環(huán)中在TCAM中進(jìn)行匹配。報(bào)頭識(shí)別單元可以向前移動(dòng)到分組中的最大PMA位，以開始識(shí)別下一報(bào)頭字段。每個(gè)解析器單元都設(shè)計(jì)為具有最大解析速率（PRate）吞吐量。V1Model交換機(jī)可以并行部署多個(gè)解析器單元，以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)包解析速率。

完成解析后，所有提取的報(bào)頭字段從字段緩沖器發(fā)送到分組報(bào)頭向量（PHV）。PHV可以存儲(chǔ)不同類型的字段；類型i的所有f iC報(bào)頭字段均為f iW位寬（i=1至F）。PHV中的多個(gè)字段可以合并在一起以形成更大的標(biāo)題字段。除了解析的頭字段之外，PHV還存儲(chǔ)硬件特定元數(shù)據(jù)（即入口端口、時(shí)間戳等）。PHV通過寬首部總線傳遞到流水線中的后續(xù)組件（圖2的N個(gè)匹配動(dòng)作階段）。

3.2 匹配-動(dòng)作階段

經(jīng)過解析之后，PHV通過N個(gè)匹配動(dòng)作階段進(jìn)行入口階段處理。每個(gè)階段（圖3）包含T個(gè)TW位寬的TCAM塊單元，每個(gè)TCAM塊能夠存儲(chǔ)TL條目。它還包含S個(gè)SW位寬SRAM塊，每個(gè)塊都能夠存儲(chǔ)SL條目。TCAM塊用于實(shí)現(xiàn)三元/范圍/前綴/精確匹配的物理匹配動(dòng)作表（MAT）。一小部分SRAM塊（SM塊）用于實(shí)現(xiàn)基于哈希表（使用HSK-way-Cuckoo哈希表［41，42］）的物理匹配動(dòng)作表以進(jìn)行精確匹配，其余用于存儲(chǔ)其他信息（即動(dòng)作參數(shù)、下一個(gè)MAT地址等）。

這些較小的物理匹配動(dòng)作表可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以分組在一起，以匹配階段中更寬的標(biāo)題字段?？珉A段的MATs可以合并以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的表。頭字段分別通過兩個(gè)交叉開關(guān)TCB（TCBW位寬）和SCB（SCBW位寬度）從PHV提供給基于TCAM和SRAM的物理MA。對(duì)于MATs中的每個(gè)條目，有一個(gè)相應(yīng)的指針指向相應(yīng)的動(dòng)作信息（動(dòng)作參數(shù)，動(dòng)作指令，地址和下一個(gè)MAT地址等）。

在MATs中找到匹配時(shí)，從存儲(chǔ)器加載相應(yīng)的動(dòng)作信息。每個(gè)匹配動(dòng)作階段包含用于PHV的每個(gè)字段的獨(dú)立算術(shù)邏輯單元（ALU），用于并行計(jì)算。兩個(gè)或多個(gè)單元可以組合在一起，以在較大的字段上執(zhí)行計(jì)算。除了每個(gè)報(bào)頭字段ALU單元外，在每個(gè)匹配操作階段，還可以使用固定數(shù)量的外部單元（散列、計(jì)數(shù)器、寄存器、計(jì)量器等）進(jìn)行特殊操作（即散列計(jì)算、計(jì)數(shù)、存儲(chǔ)/加載狀態(tài)等）。

每個(gè)階段可以存儲(chǔ)所有用于物理MATs的Ac個(gè)VLIW指令。每個(gè)VLIW命令都為每個(gè)報(bào)頭字段ALU和外部單元攜帶單獨(dú)的指令。數(shù)據(jù)從PHV通過ACBW位寬交叉開關(guān)（ACB）提供給這些處理單元。與匹配交叉開關(guān)（TCB和SCB）類似，該交叉開關(guān)的每一位都由PHV的所有字段驅(qū)動(dòng)。動(dòng)作信息（除了動(dòng)作指令存儲(chǔ)在專用存儲(chǔ)器中）和外部單元使用的有狀態(tài)存儲(chǔ)器被分配在可用SRAM塊（分別為SA塊和SS SRAM塊）的單獨(dú)塊中。

每一級(jí)包含MP內(nèi)存端口（每一個(gè)MBW位寬），能夠在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)從/讀寫到SRAM單元。這些端口用于從SRAM塊讀取/寫入數(shù)據(jù)，以獲得精確的MATs、動(dòng)作存儲(chǔ)器和狀態(tài)存儲(chǔ)器。每個(gè)基于TCAM的MAT都可以存儲(chǔ)固定數(shù)量的匹配條目（最大容量）。另一方面，基于SRAM的MAT可以存儲(chǔ)可變數(shù)量的條目，因?yàn)橄嗤腟RAM塊被分配用于存儲(chǔ)匹配條目、動(dòng)作條目和有狀態(tài)存儲(chǔ)器。

用于精確匹配MAT、動(dòng)作存儲(chǔ)器和有狀態(tài)存儲(chǔ)器的總SRAM塊（可用總S塊中的SM、SA和SS）的數(shù)量取決于第5.3節(jié)的邏輯到物理MAT映射算法。為了優(yōu)化SRAM使用，RMT架構(gòu)允許字打包，創(chuàng)建多個(gè)SRAM塊的打包單元。

多個(gè)條目（匹配、操作或有狀態(tài)內(nèi)存條目）可以存儲(chǔ)在一個(gè)單元中，以減少SRAM浪費(fèi)。這種可變打包格式不會(huì)影響匹配性能，匹配單元可以將數(shù)據(jù)包與存儲(chǔ)在同一SRAM塊中的多個(gè)字進(jìn)行匹配。

圖3 RMT流水線上的一個(gè)匹配-動(dòng)作階段

數(shù)據(jù)包復(fù)制引擎和流量管理器（PRE&TM）：完成入口階段處理后，數(shù)據(jù)包被提交到出口端口的隊(duì)列。PRE&TM是一個(gè)不可編程的組件，負(fù)責(zé)處理端口隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包生命周期，調(diào)度數(shù)據(jù)包，并在必要時(shí)復(fù)制數(shù)據(jù)包。除了這些，還有兩個(gè)用于計(jì)算和驗(yàn)證數(shù)據(jù)包校驗(yàn)和的固定功能組件。由于它們是固定的功能塊，我們不討論它們的細(xì)節(jié)。

輸出階段：一旦從出口端口的隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)包，它將進(jìn)行出口階段處理。出口級(jí)類似于入口級(jí)，并共享相同的物理組件進(jìn)行處理。后端編譯器在入口線程和出口線程之間分配資源，使它們不會(huì)妨礙彼此的數(shù)據(jù)包處理活動(dòng)

逆解析器：出口階段處理完成后，數(shù)據(jù)包通過逆解析器塊。它重新組合來自分組報(bào)頭向量字段的數(shù)據(jù)和有效載荷。則分組最終通過輸出信道傳播。

3.3 V1Model硬件規(guī)范語言

后端編譯器需要有關(guān)V1Model交換機(jī)可用資源的信息。然而，公開可用的P4C編譯器不提供任何接口來對(duì)其進(jìn)行建模。包頭向量、可編程解析器和匹配動(dòng)作階段是V1Model架構(gòu)中的主要可編程組件。我們開發(fā)了一種基于JSON格式的硬件規(guī)范語言（HSL），用于指定基于V1Model架構(gòu)的交換機(jī)的可編程組件中的可用資源。該語言允許指定PHV中可以容納多少標(biāo)題字段，以及這些字段的位寬。類似地，它允許指定可編程解析器中使用的各種硬件資源的維度（第3.1節(jié)）。它還允許指定匹配操作階段的數(shù)量和每個(gè)階段中的資源數(shù)量，如第3.2節(jié)所述。附錄B顯示了V1Model交換機(jī)的示例硬件規(guī)范。

因?yàn)槠邢?，中間內(nèi)容請(qǐng)參考原文，此處翻譯略。

07 討論

局限：我們的后端編譯器支持大多數(shù)P4語言結(jié)構(gòu)，涵蓋廣泛的用例。然而，它仍然不支持可變長(zhǎng)度的頭解析和操作中的直接有狀態(tài)內(nèi)存訪問。通過仔細(xì)設(shè)計(jì)P4程序，可以避免這兩種情況。除此之外，它不支持P4語言中可用的原子事務(wù)機(jī)制。我們正在努力支持這些P4語言功能。

擴(kuò)展V1Model體系結(jié)構(gòu)：PSA［16］或Tofino［47］是V1Model架構(gòu)的擴(kuò)展，其中架構(gòu)支持不同的外部。這些架構(gòu)可以在一個(gè)原子指令中組合多個(gè)更簡(jiǎn)單的指令，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。例如，Tofino交換機(jī)［9］中可用的寄存器extern可以執(zhí)行四路分支指令。它可以在一對(duì)寄存器（間接有狀態(tài)內(nèi)存）上執(zhí)行兩個(gè)if-else對(duì)和讀-修改-寫操作。然而，要在P4程序中使用它們（或任何新的外部），P4C編譯器前端需要支持它們。之后，這些外部可以在我們的后端編譯器中得到支持，只需對(duì)P4程序的計(jì)算映射進(jìn)行少量修改。

編寫新的映射算法：我們的后端編譯器以模塊化的方式設(shè)計(jì)。在解析P4程序的中間表示之后，它將預(yù)處理信息（頭信息、解析圖、TDG）存儲(chǔ)在各種方便的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（哈希表、圖等）中。除此之外，它還以各種方便的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（哈希表、數(shù)組等）存儲(chǔ)V1Model交換機(jī)中的資源。作為一個(gè)開源項(xiàng)目，研究人員可以重用這些處理過的信息來編寫用于頭映射、解析圖映射和TDG映射的新算法。關(guān)于源代碼組織的詳細(xì)討論參見［36］。

08 結(jié)論

P4程序的可實(shí)現(xiàn)性給出快速?zèng)Q策。我們相信，這個(gè)開源后端編譯器可以作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的平臺(tái)，用于分析現(xiàn)實(shí)世界V1Model交換機(jī)中P4（版本16）程序的可實(shí)現(xiàn)性和資源消耗。它允許研究人員作為一個(gè)開源平臺(tái)來試驗(yàn)不同的映射算法。通過支持各種外部單元，它可以擴(kuò)展到支持V1Model架構(gòu)的其他派生。這可以為可編程交換機(jī)研究人員提供一個(gè)開放平臺(tái)，用于試驗(yàn)不同的映射算法和V1Model交換機(jī)的不同變體。

—END—

審核編輯 ：李倩