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P4 实验：Tofino 交换机转发程序

在本节实验中，实验者将通过 Tofino 可编程交换机熟悉 P4 数据平面与控制平面的协作机制，理解如何通过手动下发表项实现基本的二层与三层转发功能，掌握交换机在数据平面和控制平面的包处理逻辑。

实验环境

组件 功能描述
Tofino 交换机 硬件可编程交换芯片，运行编译后的 P4 数据平面程序
控制平面 负责下发表项，可通过 BfRt API 实现
Host A 模拟网络节点 A，配置 IP 192.168.1.2/24，网关 192.168.1.1
Host B 模拟网络节点 B，配置 IP 192.168.2.2/24，网关 192.168.2.1

网络拓扑如下：

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实验目标

  • 理解 Tofino 数据平面的基本转发逻辑；
  • 熟悉控制平面表项下发流程
  • 掌握 ARP 解析与 IP 分组转发机制
  • 通过表项配置实现 A 与 B 的互通

实验内容

连通性测试场景

主机 IP 地址 网关地址
A 192.168.1.2/24 192.168.1.1
B 192.168.2.2/24 192.168.2.1

实验者需实现以下通信流程：

  • 从主机 A 执行 ping 192.168.2.2
  • 确保数据平面能够正确处理 ARP 报文和 IP 分组
  • 确认主机 B 能够正确收到并回复 ICMP Echo Request

报文交互与处理流程

ARP 请求与响应流程

主机 A 的行为：

  1. A 发送 ICMP 时，发现目的地址 192.168.2.2 不在同一子网，故使用默认路由，向默认网关发送；
  2. 根据默认网关配置，A 向网关地址 192.168.1.1 发送 ARP Request，报文内容：询问 “Who has 192.168.1.1? Tell 192.168.1.2”。
  3. A 收到 ARP Reply 后，将网关 MAC 加入 ARP 缓存

Tofino 交换机的行为：

  1. 与 A 相连的端口收到该 ARP Request；
  2. 交换机根据控制平面下发的端口配置（IP 与 MAC 地址），对接收到的 ARP Request 进行修改，将其转换为对应的 ARP Reply 并返回给主机 A。

ICMP Echo Request 与 Reply 流程

  1. A -> Switch：A 发送 ICMP Echo Request 到交换机，目的 MAC 为网关 MAC。
  2. Switch -> B：交换机修改以太网头部，设置正确的源 MAC 和目的 MAC，发送 ICMP Echo Request 给 B。
    • 解析 IP 分组；
    • 查询转发表（控制平面预先下发），转发到连接 B 的端口；
    • 若目的 MAC 地址未知，发送 ARP Request 询问 B 的 MAC 地址；
    • 修改以太网头部，设置正确的源 MAC 和目的 MAC。
  3. B -> Switch：B 收到 ICMP Echo Request，回复 ICMP Echo Reply 给交换机。
  4. Switch -> A：交换机收到 ICMP Echo Reply，查询转发表，修改以太网头部，发送给 A。

注意：

  • 实验中无需实现动态路由算法，只需由控制平面直接下发表项即可。
  • 交换机端口配置的 IP 与 MAC 地址由控制平面预先设置，在数据平面中对应存储端口相关信息的 meta data 为：
meta_data 信息类型
ig_md.port_ip ingress 端口 IP
ig_md.port_mac ingress 端口 MAC
eg_md.port_ip egress 端口 IP
eg_md.port_mac egress 端口 MAC

不同平面职责划分

数据平面

数据平面程序负责解析和处理收到的报文，主要职责包括：

  • 解析以太网、ARP 和 IP 分组；
  • 根据控制平面下发的表项进行匹配和转发决策；
  • 处理 ARP 请求与应答报文；
  • 执行网关功能，转发 IP 分组。

控制平面

控制平面程序负责下发表项，主要职责包括：

  • 配置端口的 IP 地址与 MAC 地址；
  • 配置静态转发表，实现 A与 B 之间的互通；

思考：从与 B 连通的端口转发出去的报文，是否每次都需要发送 ARP 请求查询 B 的 MAC 地址？如果不需要，控制平面应如何下发表项以避免频繁发送 ARP 请求？数据平面需要做哪些修改以支持该功能？

实验验证

步骤 验证方式 期望结果
1 在 A 与 B 分别抓包（tcpdump） 可看到 ARP Request/Reply、ICMP Echo 报文
2 A 执行 ping Host B 可以连通

补充内容

在本实验中，主机 A 和主机 B 位于不同的子网。要实现 A 与 B 的通信，必须通过 网关 (Gateway) 转发。交换机在本实验中扮演网关的角色。

为便于理解，建议同学们参考以下 RFC 文档

主题 RFC 编号
ARP（地址解析协议） RFC 826
ICMP（互联网控制消息协议） RFC 792
IPv4 RFC 791
子网与路由概念 RFC 950
网关与路由选择 RFC 1812
最后更新: 2025年10月21日
作者：Zizhi Shang

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