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P4 路由器实验：数据平面

在本节中，实验者需要熟悉 P4 数据平面的基本概念和编程模型，包括 P4 程序的架构、解析器设计、匹配-动作流水线编程，以及基础转发和隧道功能的实现。

在本节中，实验者需要完成 p4-tutorial 中 Introduction and Language Basics 下的两个作业：

  • Basic Forwarding
  • Basic Tunneling

通过这些作业，实验者将熟悉 P4 数据平面的基本编程模型，包括解析器状态机设计、匹配-动作表定义、头部元数据操作，以及基础转发和隧道封装功能的实现。完成这些练习后，实验者可以掌握数据平面程序的结构与流水线处理逻辑，理解数据包解析、转发决策和封装解封装的核心机制，为后续学习更复杂的网络功能和控制平面交互打下基础。

P4 环境安装

请实验者参考 p4-tutorial 中的 Obtaining required software 部分下载、安装虚拟机镜像。

以下部分提供的是使用 Vagrant 配置的终端型虚拟机，未支持图形化界面 (Lab 1.2 需要) 推荐参考原仓库安装 Virtual Box 直接下载相应镜像

安装虚拟机环境

以下脚本完成这些内容：

  • 下载 Vagrant 和 libvirt
  • 下载 vagrant 插件: vagrant-rsync-back
    • vagrant rsync 指令将宿主机上的文件夹覆盖到虚拟机上
    • vagrant rsync-back 指令将虚拟机上的文件夹覆盖回宿主机
  • 将用户添加到 libvirt 和 kvm 组中
#!/bin/bash

echo 'Setup up'

echo 'Update apt dependencies'
sudo apt-get update -y
sudo apt install libelf-dev python-dev -y

echo 'Installing vagrant and libvirt...'
curl -O https://raw.githubusercontent.com/vagrant-libvirt/vagrant-libvirt-qa/main/scripts/install.bash
chmod a+x ./install.bash
./install.bash || exit 1
rm ./install.bash

echo 'Installing vagrant plugins...'
vagrant plugin install vagrant-rsync-back

echo 'Enable the ports used by nfs...'
# 192.168.121.x
if command -v ufw >/dev/null 2>&1; then
    sudo ufw allow from 192.168.121.0/24 || echo "Fail to set ufw rule..."
else
    echo "Please do remember to allow the connections from the private network of VM in your firewall."
fi

echo 'Grant the user privilege... '
sudo usermod -aG kvm "$USER"
sudo usermod -aG libvirt "$USER"

echo 'Set up done.'
echo 'ATTENTION: Please exit and re-login your account to make the privilege take effect.'
echo 'Then run "vagrant up" and "vagrant ssh" to connect to the guest.'

启动虚拟机

请新建一个文件夹，例如 mkdir p4 && cd p4，在当前文件夹下: * git clone https://github.com/p4lang/tutorials.git * 创建 Vagrantfile:

Vagrant.configure("2") do |config|

  config.vm.box = "crystax/ubuntu2404"

  config.vm.synced_folder ".", "/vagrant", disabled: true
  config.vm.synced_folder "./tutorials", "/home/vagrant/tutorials", type: 'rsync'

  config.ssh.insert_key = true
  config.ssh.username = 'vagrant'
  config.ssh.password = 'vagrant'

  config.vm.network "private_network", ip: "192.168.121.5"
  config.vm.define "vm-p4"

  config.vm.provider:"libvirt" do |lv|
      lv.memory = 8192
      lv.cpus = 8
    end

end

以上 Vagrantfile 有如下功能：

  • 创建一个 ubuntu 24.04 的虚拟机
  • 创建 tutorials 文件夹宿主机和虚拟机之间的映射，可以进行 rsync 和 rsync-back 操作
  • 设定虚拟机名称 vm-p4
  • 设定虚拟机 cpu 数和内存大小

通过 vagrant ssh 登录虚拟机

安装 P4 环境

进入虚拟机后，运行如下指令 (注: 运行以下脚本需要使虚拟机能科学上网)：

mkdir src
cd src
../tutorials/vm-ubuntu-24.04/install.sh |& tee log.txt

之后通过 ../tutorials/vm-ubuntu-24.04/clean.sh 减少内存使用

以上过程大概需要 1~2 个小时完成，完成后退出虚拟机重进，进入 tutorials/exercises/basic 文件夹，进行 make run，看是否正常，正常情况出现下面终端显示:

mininet>

P4 基础概念

核心组件说明

组件 功能描述
BMv2 P4 软件交换机实现，提供可编程数据平面
p4c 官方 P4 编译器，将 P4 代码编译为目标特定配置
Mininet 轻量级网络仿真环境，用于测试 P4 程序

P4 编程模型架构

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V1Model 架构详解

V1Model 是 BMv2 Simple Switch 常用的架构，采用经典的"匹配-动作"流水线设计。

数据处理流程

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核心组件功能

组件 功能描述 可编程性
Parser（解析器） 将原始数据比特流解析为结构化数据包和元数据 程序员定义解析逻辑和头部解析顺序
Ingress Pipeline（入端口流水线） 核心匹配-动作处理场所，执行路由查询、ACL检查等操作 完全可编程，定义表查询和动作执行
Traffic Manager（流量管理器） 连接入端口和出端口流水线，处理队列缓冲和组播复制 通常为固定功能，不可编程
Egress Pipeline（出端口流水线） 数据包发出前的最终处理，可进行出端口方向过滤和计数 完全可编程
Deparser（重组器） 将处理后的头部数据重新序列化为字节流 程序员定义输出数据包结构

P4 程序模板（V1Model）

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最后更新: 2025年10月14日
作者：Haochen Zhang

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