How to run P4 BMv2

How to Run
P4 Behavior Model v2
~ An P4 Software Switch Reference Implementation ~
Twitter: @ebiken
How to Run P4 Behavior Model v2 | 2017/08/06 1

• data plane 記述言語である “P4” 対応のハードウェア実装（ASIC, SmartNIC etc.）が増え
つつあるが、数十万～数百万円と、P4とは何かをまず試してみるにはコスト的に敷居が
高い。
• また、各ハードウェア実装（以降ターゲット）によってサポートされるP4機能が異なるため、
P4言語そのものを試すには制約が少ないソフトウェア実装が好ましい。
• そのため、P4を初めて試す際や、P4を用いたアプリケーションのPOC等を実施する際に
は、P4コミュニティで実装がすすめられているリファレンス実装である “P4 BMv2
(Behavior Model version 2)” を用いると有効である。
• 本文書では、P4 BMv2 を用いてP4のコンパイルおよびP4スイッチを動作させるための手
順を紹介する。
About this document

• 既存パケット処理専用ASICの課題（P4のモチベーション）
• パケット処理を高速（Tbps）かつ安価に実施する場合、専用ASICが利用される。
• 新しいプロトコル・処理方法に対応したASICの開発には２～３年必要。
• 標準化完了～対応製品利用可能まで５年程度必要。
• ネットワーク製品の進化がユーザーニーズに追い付かなくなっていた。
P4について
Reference:
• “The P4 Language Specification”
• Version 1.0.3 | November 2, 2016
• プログラム可能なパケット処理専用ASICの開発
• パケット処理（Dataplane）の基本動作（Parse/Match/Action）を
プログラム可能なASICとプログラム言語（P4）を設計。
• P4 : Programming Protocol-Independent Packet Processors
• 仕様提唱企業：Barefoot Networks
• P4は「データプレーン定義言語」であるため、様々なターゲット
プラットフォームへコンパイル可能
• P4対応 Ethernet Switch (ASIC)
• SmartNIC (NPU, FPGA)
• Software (CPU)

• Ethernet Switch は通常 “parser”, “match/action”, “de-parser” で構成され
るが、match/actionのパイプラインがいくつあるか (Input only, In/Out
etc.）、利用可能なaction、メタデータやレジストリなどの違いがある。
• de-parser => 送信前にパケットヘッダを組み立てるコンポーネント
• P4 BMv2 ではこれらのアーキテクチャの変更が可能となっている。
• アーキテクチャは C++11 でプログラムする。
• サンプルとして以下３つのアーキテクチャが付属している。
• l2_switch | simple_router | simple_switch
• P4言語を試すときは、上記付属アーキテクチャから１つを選んで使用。
Switch Architecture

• P4仕様には現在２つのバージョンが存在する。
• それぞれ2014年、2016年にリリースされた仕様となるが、どちらとも現在（2017年7月）も
メンテナンスが継続されており、定期的に修正版がリリースされている。バージョン番号
はそれぞれ独立して version x.y.z の形式でアサインされているため、"P4_14 Version
1.0.4", "P4_16 Version 1.0.0" のように P4_14 / P4_16 を明確に記載する必要がある。
• P4バージョンと仕様書の場所
• https://p4lang.github.io/p4-spec/
• P4_14：2014年リリースの仕様
• P4_16：2016年リリースの仕様
本文書では、サポートされるハードウェア実装の多い “P4_14” を用いる。
P4のバージョンと入手先

• P4はパケット処理のデータプレーンを定義するプログラム言語であり、実際のパ
ケット処理には以下モジュールが必要となる。
P4 動作に必要なモジュール
P4 Source Code パケット処理データプレーンの定義。パーサーやテーブル、アクションなどの定義
P4 Compiler P4をTarget上で実行可能な形式（Dataplane runtime）にコンパイルする。Target毎に提供される。
Target
P4 Dataplane runtime を読み込み、定義された通りにパケット処理を実施する
ASIC(Barefoot), SmartNIC/NPU(Netronome), FPGA(Xilinx, Intel/Altera), Software(BMv2, eBPF) etc.
Notes
• Target実装毎にサポート状況はそれぞれ異なるため注意が
必要である。例えば Netronome SmartNIC (NFP) は現在
（2017年8月）P4_14のみをサポートしている。
• P4_16の仕様書では、P4対応Dataplaneだけでなく Control-
plane を含めて Target と呼んでいる。
• また、P4は「どのようにパケットを解析するか」「どのような
テーブルを持つか」「どのようなアクションが可能か」の定義
であり、スイッチ・ルーターと同様に「アドレス」「テーブルエ
ントリ（ルール）」などの設定を投入するコントロールプレー
ン（Network OS 等）が必要である。
P4 Source Code
Dataplane
runtime
P4 Compiler
P4 対応 Dataplane
Control-plane
(protocol agents)
Target
API definition
参照：P4_16 v1.0.0 Figure 2. Programming a target with P4.

• P4 source code はスイッチのパイプライン（パーサー、テーブル構成やアクション）を定義
しているのに対し、それらを設定（エントリを投入・変更・削除）するAPIが存在する。
• BMv2 API (現状)
• BMv2 APIとして “Thrift API” が用意されている
• BMv2用のCLIが付属しており、Thrift API経由でBMv2を操作する
• https://github.com/p4lang/behavioral-model/blob/master/tools/runtime_CLI.py
• BMv2 API (将来プラン)
• Target に依存しない gRPC / protobuf を利用した API が検討されている
• Target に依存しないため、その上で開発したCLIなどはBMv2以外の実装（Switch ASIC, SmartNIC
など）でも利用可能になる予定である
• https://github.com/p4lang/PI
• https://github.com/p4lang/PI/blob/master/proto/p4/p4runtime.proto
CLI / API (Configuration Interface)

（各モジュールの説明は以降のスライドに記載）
• P4コミュニティのレポジトリは以下GitHubに保存されている。
• https://github.com/p4lang/
• P4 Compiler
• p4c: https://github.com/p4lang/p4c
• Target
• bmv2 : https://github.com/p4lang/behavioral-model.git
• P4 Source Code
• samples : https://github.com/p4lang/tutorials
各モジュールの入手場所

各モジュールの入手場所 (P4 Compiler)
p4c-bm
• https://github.com/p4lang/p4c-bm
• P4_14 対応のオフィシャルコンパイラ
.
p4c
• https://github.com/p4lang/p4c
• P4_16, P4_14 対応のコンパイラ
• （p4c-bmより新しい）
• p4c ... 標準コンパイラ
• p4c-ebpf ... eBPFへコンパイル可能なC
をP4から出力する
• .p4 ファイルを入力とし .json (dataplane runtime) を出力する
• p4c-bm, p4c の２種類存在
新しいプロジェクトでは
p4c を利用していくことを推奨

• P4 Software Switch (Behavior Model)
• bmv2 : https://github.com/p4lang/behavioral-model.git
• BMv2には以下３つのTarget実装のサンプルが付属する。
• https://github.com/p4lang/behavioral-model/tree/master/targets
• simple_router : 最も簡単な実装。
• l2_switch : Multicast 対応のためのレプリケーションエンジンを含む
• simple_switch : 標準 P4 target
• （参考）
• 古いBM（メンテ停止済み）も p4lang レポに存在しているが、古いチュートリアル実行等
以外では利用しないことを推奨
• https://github.com/p4lang/p4c-behavioral
各モジュールの入手場所 (Target)

• P4 Source Code
• チュートリアル等で利用されたサンプルを入手可能
• https://github.com/p4lang/tutorials
• 各ターゲットの下にも存在する
各モジュールの入手場所 (P4 Source Code)

• Protocol Agent
• 例えば Layer 2 switch (MAC Learning) を動作させるためには、未学習のパ
ケットを解釈し、MAC Table にエントリを追加する Agent (CPUで動作) が必要
• P4 Source Code と同じ場所にサンプルが存在する。
• https://github.com/p4lang/behavioral-
model/tree/master/targets/l2_switch/learn_client
• CLI
• runtime_CLI (python) が各 Target の下、および以下場所に存在
• https://github.com/p4lang/behavioral-model/blob/master/tools/runtime_CLI.py
• （各 Target 下の runtime_CLI と同じ実装）
各モジュールの入手場所（その他）

Install/Build 手順
Ubuntu 16.04 を用いて確認した Install/Build 手順

• README.md に記載されている手順にて実施：
• https://github.com/p4lang/p4c/blob/master/README.md
作業内容
1. apt をアップデート
2. 依存パッケージをインストール
3. GitHub から p4c repository をクローン
4. ビルド
5. compiler と P4 shared headers をインストール (optional)
• p4c: /usr/local/bin
• P4 headers: /usr/local/share/p4c
p4c (compiler)

p4c (compiler) 作業ログ
1. apt をアップデート
$ sudo apt update
$ sudo apt upgrade
$ sudo apt-get install g++ git automake libtool libgc-dev bison flex libfl-dev libgmp-dev
libboost-dev libboost-iostreams-dev pkg-config python python-scapy python-ipaddr tcpdump
> For documentation building:
> $ sudo apt-get install -y doxygen graphviz texlive-full
> Google Protocol Buffers. Install newest tag in the 3.0 series.
$ sudo apt-get install autoconf automake libtool curl make g++ unzip
$ git clone https://github.com/google/protobuf.git
$ cd protobuf/
> under ~/protobuf$
$ git checkout v3.0.2
$ ./autogen.sh
$ ./configure
$ make
$ make check
$ sudo make install
$ sudo ldconfig # refresh shared library cache.
> If required: $ sudo apt autoremove
3. GitHub から p4c repository をクローン
> Clone p4c repository from GitHub
$ mkdir p4lang
$ cd p4lang
~/p4lang$ git clone --recursive https://github.com/p4lang/p4c.git
4. ビルド
> build p4c
$ ./bootstrap.sh
$ cd build
$ make -j4
$ make check -j4
5. compiler と P4 shared headers をインストール (optional)
> Install
$ sudo make install

• README.md に記載されている手順にて実施：
• https://github.com/p4lang/behavioral-model/blob/master/README.md
1. GitHub から bmv2 (behavioral-model) repository をクローン
• packages: thrift / nanomsg / nnpy
• Ubuntu の場合、`install_deps.sh` script を利用して一括インストール可能
3. ビルド
4. テスト実行
bmv2 (behavior model)

bmv2 (behavior model)
1. GitHub から bmv2 (behavioral-model) repository をクローン
$ git clone https://github.com/p4lang/behavioral-model.git bmv2
$ cd bmv2
> under ~/bmv2$
$ ./install_deps.sh script
3. ビルド
> Build
$ ./autogen.sh
$ ./configure
$ make -j2
$ sudo make install # if you need to install bmv2
4. テスト実行
> Run test
$ make check

サンプル（Layer 2 switch の実行）

• P4 Program のコンパイル、Agentの利用、設定の投入、等、P4 Applicationを動作させる
ために必要な基本的な手順すべてが含まれるため、サンプルとして ”Target: l2_switch”
を用いた Layer 2 (mac learning) switch の動作手順を記載します。
Layer 2 switch using P4 BMv2
host1 host2
l2_switch (BMv2)
veth0: 172.20.0.1/24
vtap1vtap0
veth1: 172.20.0.1/24
learn_client runtime_CLI
Notes
• Two veth/vtap pair are created.
• host1/host2 are network
namespace (netns) to emulate
hosts connected to switch.
• learn_client runs outside of
l2_switch (BMv2) and receives
packets from l2_switch / update
table entries dynamically.
• runtime_CLI are used to set initial
table entries on l2_switch, and
check table entries on runtime.

1. veth/vtap pair, netns hosts の作成
2. l2_switch の起動
3. learn_client の起動
4. CLI の起動・設定の投入
5. host 間で ping による疎通確認
6. Table Entry の確認
Layer 2 switch using P4 BMv2 (steps)

Layer 2 switch using P4 BMv2 （作業ログ）
1. veth/vtap pair, netns hosts の作成
# Create netns hosts
ip netns add host0
ip netns add host1
# Create veth
ip link add veth0 type veth peer name vtap0
ip link add veth1 type veth peer name vtap1
# Connect veth between host0 and host1
ip link set veth0 netns host0
ip link set veth1 netns host1
ip link set dev vtap0 up
# Link up loopback and veth
ip netns exec host0 ip link set veth0 up
ip netns exec host0 ifconfig lo up
ip netns exec host1 ip link set veth1 up
ip netns exec host1 ifconfig lo up
# Set IP address
ip netns exec host0 ip addr add 172.20.0.1/24 dev veth0
ip netns exec host1 ip addr add 172.20.0.2/24 dev veth1
2. l2_switch の起動
$ cd bmv2/targets/l2_switch
~/bmv2/targets/l2_switch$ sudo ./l2_switch l2_switch.json -i 0@vtap0 -i 1@vtap1 --nanolog ¥
ipc:///tmp/bm-0-log.ipc --log-console -L debug --notifications-addr ¥
ipc:///tmp/bmv2-0-notifications.ipc
3. learn_client の起動
~/bmv2/targets/l2_switch/learn_client$ sudo ./learn_client
4. CLI の起動・設定の投入
~/bmv2/targets/l2_switch$ ./runtime_CLI
table_set_default smac mac_learn
table_set_default dmac broadcast
mc_mgrp_create 1
mc_node_create 0 1
mc_node_create 1 2
mc_node_associate 1 0
mc_node_associate 1 1

Layer 2 switch using P4 BMv2 （作業ログ）
5. host 間で ping による疎通確認
# ip netns exec host0 ping 172.20.0.2
# ip netns exec host1 ping 172.20.0.1
6. Table Entry の確認
RuntimeCmd: table_dump smac
==========
TABLE ENTRIES
**********
Dumping entry 0x0
Match key:
* ethernet.srcAddr : EXACT 32e7c817d3c5
Action entry: _nop -
**********
Dumping entry 0x1
Match key:
* ethernet.srcAddr : EXACT fe698f981f3b
Action entry: _nop -
==========
Dumping default entry
Action entry: mac_learn -
==========
RuntimeCmd: table_dump dmac
==========
TABLE ENTRIES
**********
Dumping entry 0x0
Match key:
* ethernet.dstAddr : EXACT 32e7c817d3c5
Action entry: forward - 00
**********
Dumping entry 0x1
Match key:
* ethernet.dstAddr : EXACT fe698f981f3b
Action entry: forward - 01
==========
Dumping default entry
Action entry: broadcast -
==========

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