玩P4超強技巧！搭配Barefoot Tofino達到極速網絡處理

目錄

• 簡介
• Tofino 裝置的性能提升
• Tofino 的架構特點
• 如何實現並行處理
• 資料解析器的設計
• 匹配與動作處理的平行處理
• 抽出指令的處理
• 相關優化和設計考慮
• Tofino裝置的應用案例
• 結論

簡介

歡迎大家再次回來！我是 Vlad Malevich，今天我代表 Barefoot Networks 將為大家介紹 Tofino 裝置以及如何在 Tofino 上實現 P4 程序的並行處理。在此之前，人們普遍認為可編程交換機和設備比固定功能設備更慢，造價更高，耗電量更大。然而，我們的目標是挑戰這一智慧並打破限制，建造一個與固定功能設備在速度、功能和能源效率方面相當甚至更優的裝置。本次演講中，我將概述實現這一目標的一些基本思想。如果你對此感興趣，我們還有一些論文供你參考。其中一篇是 2013 年由 Sikkim 提出的 RMT 論文，該論文開啟了這一領域的研究。此外，還有一些關於這一設計的更多公開論文。

Tofino 裝置的性能提升

傳統上，可編程設備被認為比固定功能設備更慢、更昂貴且耗電量更大。然而，通過對硬件設計的優化，我們成功地實現了與固定功能設備相當甚至更優的性能。Tofino 是一款6.5 Tbps的高性能設備，採用16納米技術製造，並通過了業界的認可。它擁有可編程的流水線架構，支持多種端口配置，例如 100GbE，50GbE，25GbE，並擁有標準的介面，如 PCIe。

Tofino 的架構特點

Tofino 裝置具有一個與設備架構相對應的統一流水線。數據包進入解析器，解析器提取標頭，然後將數據送入匹配和動作單元進行處理。同時，剩餘的數據包通常會繼續到達並直接進入發送階段，最終組裝成完整的數據包，然後進入隊列機制進行排隊。解析後的數據包經過匹配和動作流水線後，流經發送模塊進行最終組裝，然後發送出去。這種統一的流水線架構為我們的程序提供了極高的靈活性和優化可能性。

如何實現並行處理

在 Tofino 中實現並行處理有兩個關鍵技術，即並行查找和並行動作執行。通過利用硬件的並行處理能力，我們可以同時進行多個查找操作，從而實現更大的程序處理能力。此外，我們還可以同時執行多個動作，並且可以將相同的指令應用於多個內容上。這些技術使得 Tofino 可以實現高度並行的處理，從而大大提高了效率和性能。

資料解析器的設計

Tofino 使用可編程的解析器進行數據解析。解析器使用 SRAM 和 Tcam 進行匹配，然後將記錄的結果傳遞給其他模塊進行進一步處理。解析器本身不需要知道具體的協議，它只是根據預定義的解析規則進行操作。這種設計使得解析過程非常靈活且容易實現。

匹配與動作處理的平行處理

Tofino 的匹配和動作處理單元採用了並行處理技術，這使得它可以同時處理多個匹配操作。我們利用了硬件的並行處理能力，在單個時間步長內執行多個匹配操作，從而大大提高了處理速度。同時，我們還可以將多個動作同時應用於不同的數據包，從而實現更高效的程序處理。

抽出指令的處理

Tofino 在匹配和動作處理過程中使用一種稱為 Very Long Instruction WORD（VLIW）的指令格式。每個 VLIW 包含一組指令，每個指令對應一個容器，用於進一步操作數據包。這種設計使得 Tofino 可以同時執行多個指令，從而實現更高效的程序處理。

相關優化和設計考慮

Tofino 在硬件和軟件層面上都進行了優化和設計考慮，以實現最佳性能和效率。在硬件方面，我們利用並行處理能力和可重用的模塊來提高效率。在軟件方面，我們利用編譯器優化和程序設計技巧來提高程序性能和可擴展性。

Tofino裝置的應用案例

Tofino 裝置的應用非常廣泛，可以用於數據中心、電信和企業網絡等各種環境。它不僅可以加速數據包的處理速度，還可以提高網絡的靈活性和可管理性。Tofino 的特點使其成為一個理想的選擇，無論是在傳統的網絡環境中還是在新興的雲計算和軟件定義網絡（SDN）環境中。

結論

通過 Tofino 裝置的引入，我們實現了可編程數據平面的高性能處理。透過合理的硬件設計和程序優化，我們能夠實現與固定功能設備相當甚至更優的性能。我們的目標是通過 P4 編程語言實現高效、靈活且可管理的網絡處理，並且 Tofino 裝置已經將這一目標變為現實。隨著科技的不斷發展和需求的不斷變化，我們期待進一步提升可編程數據平面的性能和功能，並在網絡世界中發揮更重要的作用。

資源：

• Tofino 裝置官網