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Lab 4：复制、重提交与包生成

在本节实验中，实验者需要补全 P4 数据面和控制面程序，使 Host 报文经过 resubmit 后由 PRE 复制到两个出口，并使用 Tofino packet generator 从交换机内部产生测试报文。

实验目标

  • 使用 PRE 将一个报文复制到多个出口端口；
  • 使用 resubmit metadata 在两次 ingress pass 之间传递信息；
  • 配置 one-shot packet generator，一次生成 5 个报文；
  • 根据 ingress counter 和 egress counter 检查报文的处理路径。

实验环境

Lab 4 实验拓扑

实验报文为 Ethernet/IPv4/UDP，UDP destination port 为 10004。UDP payload 的前 8 byte 为：

Field Width Host event Pktgen event
magic 32 bit 0x4c414234（LAB4） 相同
origin 8 bit 1 2
reserved 8 bit 0 0
sequence 16 bit 100 0..4

数据平面处理流程

Host A 发送的 event 经过两次 ingress pipeline：

Host A event
  → ingress pass 1：保存 event 字段并执行 resubmit
  → ingress pass 2：读取 resubmit metadata 并选择 MGID 100
  → PRE：复制到 device port 132 和 133

Packet generator 产生的 event 只经过一次 ingress pipeline：

Pktgen event
  → parser：提取 timer header
  → ingress：将 packet_id 写入 sequence，并选择 MGID 100
  → PRE：复制到 device port 132 和 133

MGID 100 对应的 PRE 配置为：

multicast group 100
  → multicast node（RID 1）
  → device ports 132、133

MGID 是交换机内部使用的组播组编号，不是 IPv4 组播地址。Multicast node 也是 PRE 的配置对象，不是一台网络设备；它保存该组播组使用的出口端口集合。

实验步骤

1. 配置 PRE Multicast

PRE（Packet Replication Engine）位于 ingress pipeline 和 egress pipeline 之间，根据 P4 数据面指定的 MGID 建立报文副本。

在 ctrl/controller.c 中找到 TASK 4.1，完成以下配置：

  1. 在 port bitmap 中加入 device port 132 和 133；
  2. 创建 MGID 为 100 的 multicast group；
  3. 创建 RID 为 1 的 multicast node；
  4. 将 node 关联到 group 100，并提交配置。

在 switch/replication_pktgen.p4 的 TASK 4.1 中，将单播出口设置为无效值，并将 mcast_grp_a 设置为 LAB4_MGID。

PRE 会为两个端口各建立一个 replica。每个 replica 随后独立进入 egress pipeline，并根据实际 egress port 改写 destination MAC。

2. 实现 Resubmit

Resubmit 将报文从 ingress 末端送回 ingress parser。Resubmit metadata 只在交换机内部传递，不会出现在 Host 收到的报文中。

在 switch/replication_pktgen.p4 和 switch/parser.p4 的 TASK 4.2 中完成：

  1. 第一个 pass 将 marker、origin 和 sequence 写入 8-byte resubmit metadata，并设置 resubmit_type；
  2. Parser 根据 resubmit_flag 进入 parse_resubmit，提取 metadata 后继续解析原报文；
  3. 第二个 pass 验证 metadata，并执行 PRE multicast；
  4. 第二个 pass 不再 resubmit，避免形成循环。

3. 配置 Packet Generator

Packet generator 是 Tofino 芯片内部的报文源。控制面将 Ethernet frame 模板写入硬件 buffer，再配置 Pktgen application：

参数 配置值 实际含义
Application ID 1 本实验使用的 application
Trigger one-shot timer 每次启动触发一次
batch_count 0 1 个 batch，使用 N - 1 编码
packets_per_batch 4 每个 batch 生成 5 个报文，使用 N - 1 编码
Device port 196 Pktgen 使用的内部 device port
Local port 68 同一端口在 pipe 1 内的编号

在 ctrl/controller.c 的 TASK 4.3 中写入报文模板并配置 application，初始化完成后保持 application 为 disabled。执行 pktgen start 时再启动一次 one-shot 生成。

Pktgen 会在模板前添加 6-byte timer header。在 switch/parser.p4 和 switch/replication_pktgen.p4 的 TASK 4.3 中完成：

  1. Parser 提取 timer header；
  2. 将 event 的 origin 设置为 2；
  3. 将 packet_id 写入 sequence；
  4. 选择 MGID 100，将 event 复制到两个 Host。

Timer header 不由 deparser 输出，因此不会出现在 Host 收到的报文中。

4. 编译与运行

完成前面的 P4 和控制面修改后，在 Tofino 交换机上进入 p4-replication-pktgen 目录：

make
./contrl

控制面完成端口、PRE 和 Pktgen 配置后，应输出：

[MULTICAST] mgid=100 ports=132,133 status=READY
[PKTGEN] app=1 port=196 count=5 status=READY
[CONTROL] status=READY
lab4>

修改程序后，先输入 quit 或按 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

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

使用 ip -br link show dev eth0 确认两端接口均为 UP 和 LOWER_UP。

实验验证

1. 验证 Host Event

先在控制器中清零 Counter：

lab4> clear counters

在 Host A 和 Host B 分别启动：

# Host A
python3 scripts/verify_host_a.py host

# Host B
python3 scripts/verify_host_b.py host

随后在 Host A 的另一个终端发送一个 event：

python3 scripts/send_host_event.py

两个 Host 均应收到 origin=1、sequence=100 的报文。执行 show counters 后应得到：

[COUNTER] original packets=1 ...
[COUNTER] resubmit packets=1 ...
[COUNTER] pktgen   packets=0 ...
[COUNTER] invalid  packets=0 ...
[COUNTER] replica  packets=2 ...

2. 验证 Packet Generator

再次执行 clear counters，并在两个 Host 分别启动：

# Host A
python3 scripts/verify_host_a.py pktgen

# Host B
python3 scripts/verify_host_b.py pktgen

在控制器中运行：

lab4> pktgen start
lab4> show pktgen
lab4> show counters

每个 Host 应收到 5 个报文，origin=2，sequence 依次为 0 至 4。Counter 应为：

[COUNTER] original packets=0 ...
[COUNTER] resubmit packets=0 ...
[COUNTER] pktgen   packets=5 ...
[COUNTER] invalid  packets=0 ...
[COUNTER] replica  packets=10 ...

Pktgen 产生 5 个 ingress packet，每个报文由 PRE 复制到两个出口，因此共有 10 个 egress replica。

需要检查线上报文时，可在两个 Host 上运行：

tcpdump -ni eth0 -e -vvv -XX 'udp dst port 10004'
作者：Zizhi Shang

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