Lab 2：IPv4 单跳处理¶

在本节实验中，实验者需要补全 Tofino P4 程序，实现 IPv4 最长前缀匹配、Ethernet header 改写、TTL 递减、TTL 过期丢弃以及 IPv4 header checksum 更新。

实验目标¶

使用 LPM 表根据 IPv4 destination address 选择出口端口；
在转发时修改 Ethernet source/destination MAC；
将 IPv4 TTL 减 1，并丢弃 TTL 小于等于 1 的报文；
使用 TNA Checksum extern 重新计算 IPv4 header checksum。

实验环境¶

Lab 2 实验拓扑

主机	IPv4 地址	MAC 地址	Device port
Host A	`192.168.1.2/24`	`02:00:00:00:00:01`	`132`
Host B	`192.168.2.2/24`	`02:00:00:00:00:02`	`133`

控制面向 IPv4 LPM 表写入以下规则：

Prefix	处理动作
`10.0.0.0/8`	转发至 device port `133`
`10.1.0.0/16`	丢弃
Default	丢弃

目的地址 10.1.2.3 同时匹配 /8 和 /16。LPM 表应选择长度更大的 /16 表项，因此该报文最终被丢弃。

数据平面处理流程¶

IPv4 报文进入 ingress pipeline 后，按照以下顺序处理：

检查 IPv4 header 是否有效；
检查 TTL 是否允许继续转发；
使用 destination address 查询 LPM 表；
设置 egress port，并改写 Ethernet header；
将 TTL 减 1；
在 ingress deparser 中重新计算 IPv4 header checksum。

TTL 小于等于 1 的报文直接丢弃。本实验不生成 ICMP Time Exceeded。

实验步骤¶

代码框架已经提供 LPM 表 ti_ipv4_lpm 和转发动作 ai_ipv4_forward，转发动作会设置 egress port 并改写 Ethernet source/destination MAC。需要完成的逻辑在代码中以 TODO (TASK 2.x) 标出：

Task	内容	文件
2.1	添加 `10.1.0.0/16` drop 表项	`ctrl/switch_config.h`
2.2	TTL 递减与过期丢弃	`switch/ipv4_action.p4`
2.3	IPv4 checksum 更新	`switch/parser.p4`（ingress deparser）

各步骤的记录要求见实验目录中的 README.md，报告模板为同目录下的 report.md。

1. 实现 TTL 处理（TASK 2.2）¶

转发动作中使用以下语句递减 TTL：

hdr.ipv4.ttl = hdr.ipv4.ttl - 8w1;

执行 LPM 查询前，应先判断 TTL。TTL 大于 1 时才允许查询 LPM 表，TTL 小于等于 1 时直接丢弃。

2. 更新 IPv4 Checksum（TASK 2.3）¶

TTL 位于 IPv4 header 中，修改 TTL 后原有 header checksum 不再有效。转发动作已经将 ig_md.update_ipv4_checksum 置为 1；需要在 ingress deparser 中根据该标志调用 TNA Checksum extern，按照 IPv4 header 的字段顺序计算新的 checksum。

3. 添加 LPM 表项（TASK 2.1）¶

控制面框架中只有 10.0.0.0/8 转发表项。先只保留这一条表项，按“实验验证”完成第一轮 LPM 测试，观察发往 10.1.2.3 的 drop-16 报文被转发；再在 ctrl/switch_config.h 中加入 10.1.0.0/16 drop 表项，确认相同目的地址改为命中 /16 并被丢弃。

4. 编译与运行¶

完成 TASK 2.2 和 TASK 2.3 后，在 Tofino 交换机上进入 p4-ipv4-action 目录：

make
./contrl

控制面完成端口开启和 LPM 表项下发后，应输出以下日志（仅有 /8 表项时不出现第二行）：

[LPM] prefix=10.0.0.0/8 action=FORWARD egress=133
[LPM] prefix=10.1.0.0/16 action=DROP
[CONTROL] status=READY

修改 P4 程序或控制面表项后，先按 Ctrl-C 停止当前控制面，再重新运行 make 和 ./contrl。

5. 配置实验主机¶

在 Host A 上运行：

ip link set eth0 down
ip link set eth0 address 02:00:00:00:00:01
ip link set eth0 up
ip addr replace 192.168.1.2/24 dev eth0
ip route replace default via 192.168.1.1 dev eth0
ip -br link show dev eth0

在 Host B 上运行：

ip link set eth0 down
ip link set eth0 address 02:00:00:00:00:02
ip link set eth0 up
ip addr replace 192.168.2.2/24 dev eth0
ip route replace default via 192.168.2.1 dev eth0
ip -br link show dev eth0

两个接口都应显示 UP 和 LOWER_UP。MAC 地址需要与控制面表项和测试脚本中的配置保持一致。

实验验证¶

先在 Host B 运行接收脚本：

python3 scripts/verify_packets.py

再在 Host A 发送四个测试报文：

python3 scripts/send_tests.py

测试脚本使用以下测试用例：

Case	Destination	TTL	预期结果
`route-8`	`10.2.3.4`	64	Host B 收到，TTL 为 63，checksum 正确
`drop-16`	`10.1.2.3`	64	命中 `/16`，丢弃
`drop-miss`	`172.16.0.1`	64	LPM miss，丢弃
`drop-ttl`	`10.2.3.4`	1	TTL 过期，丢弃

正确实现后，Host B 输出如下：

received case=route-8 dst=10.2.3.4 ttl=63 checksum=correct ...
PASS: LPM, TTL, checksum, and drop behavior are correct

也可以在 Host B 使用 tcpdump 检查收到的 Ethernet 和 IPv4 header：

tcpdump -ni eth0 -e -vvv -XX 'ip and udp dst port 9000'

按以下顺序完成测试：

验证 LPM：仅有 /8 表项时运行一轮测试，验证脚本会因收到 drop-16 报 FAIL，这是该轮的预期现象。加入 /16 表项后停止旧实例、重新编译运行，再测试一轮。记录每轮测试前后 9/0 RX 和 9/1 TX 端口计数器的增量。增量中可能包含 Host 自动发出的 IPv6 邻居发现报文（Neighbor Solicitation、Router Solicitation）、MLD 组播监听报告和 ARP 请求等非测试报文，需结合同一时段两端不加过滤条件的抓包核对。
验证 TTL 边界：保持两条 LPM 表项，对照 Host A 发送记录与 Host B 接收记录检查 route-8 和 drop-ttl。
制造 checksum 错误：在 Host A 和 Host B 同时抓取测试报文，以记录输入、输出 IPv4 checksum 的具体数值。把 ai_ipv4_forward 中的 ig_md.update_ipv4_checksum = 1w1; 临时改为 1w0，停止旧实例后重新编译运行。此时报文的 TTL 仍会变为 63，但 Host B 的验证脚本会将 IPv4 checksum 标记为 bad。
恢复 checksum 更新：将该行改回 1w1，重新编译运行，应得到 checksum=correct 和最终的 PASS。

作者：Zizhi Shang (85.62%), Haochen Zhang (14.37%)