“我OpenBox又(yòu)回来了！”
沉寂了16个月，终于又(yòu)提筆(bǐ)开始写《硬件二层交换设计与实现》。从软件设计到硬件设计需要这么長(cháng)时间吗？答(dá)案是肯定的，不仅需要，而且这点时间还只能(néng)初入Verilog代码编程之门。
但从网络实验教學(xué)的角度来看，这是不可(kě)接受的。故我们想换个思路，走走捷径。然而这一走，便走了整整16月有(yǒu)余。
所幸略有(yǒu)小(xiǎo)成，与君分(fēn)享，共勉自學(xué)、自研、自证之艰辛与快乐。
A）P4与Tofino
书上或网上能(néng)找到的内容请大家自行查找了解。见：https://p4.org
B）FAST全软件可(kě)编程平台
FAST架构在我们之前的文(wén)章中有(yǒu)介绍，该平台也是一种典型的SDN架构设计，硬件数据平面主要包括FPGA OS和UM两部分(fēn)，核心逻辑处理(lǐ)在UM模块中。UM又(yòu)分(fēn)成了5个不同逻辑功能(néng)流水線(xiàn)，
用(yòng)户可(kě)以针对此流水線(xiàn)进行改造升级或扩展新(xīn)的流水级功能(néng)。然而，使用(yòng)Verilog语言来开发FPGA芯片功能(néng)着实是一件比较有(yǒu)难度的事情，至少在成為(wèi)一个合格的Verilog代码工程师之前来说，确实有(yǒu)比较漫長(cháng)和艰辛的路程要走。
受P4编程思想的启发，我们决定将FAST架构中的UM部分(fēn)更换成具备P4开发能(néng)力的硬件逻辑部件。故该平台依然采用(yòng)多(duō)核CPU加FPGA架构，P4逻辑全采用(yòng)FPGA编写，所有(yǒu)功能(néng)和指令逻辑全在硬件实现。
C）基本功能(néng)
1.分(fēn)组前96字节内，小(xiǎo)于128的任意bit位，任意多(duō)个PHV对象定义；
2.支持32字节Metadata对象编程，含16字节用(yòng)户自定义Metadata内容；
3.分(fēn)组前60字节内，任意bit位对象查表匹配，精确匹配与带掩码匹配，匹配字段支持输入端口等Metadata字段；
4.每动作支持14条指令，支持加、减、与、或、异或、取反等操作；
5.每个指令执行器中含16个临时寄存器，支持临时变量暂存与读取，位宽支持1到64位；
6.支持有(yǒu)状态的存储寄存器对象定义与操作，存储寄存器位宽支持1到64位，最大个数支持128个。支持多(duō)个寄存器对象编程；
7.支持对分(fēn)组进行协议插入与删除，長(cháng)度支持1到16字节；
8.动作与指令均支持参数化配置，即可(kě)运行前实例化，也可(kě)运行时调整；
9.支持32种不同逻辑业務(wù)处理(lǐ)功能(néng)在線(xiàn)编译、在線(xiàn)加载、在線(xiàn)配置、在線(xiàn)卸载，不影响其他(tā)业務(wù)逻辑；
10.提供P4后端编译器，支持用(yòng)户P4代码编译；
11.提供P4运行时配置管理(lǐ)工具，支持用(yòng)户流表配置、动作配置和寄存器初始配置。
拥有(yǒu)上述平台编程功能(néng)后，对硬件的设计要求便会变得较為(wèi)简单。原来要花(huā)较長(cháng)时间，写较多(duō)代码的功能(néng),现在可(kě)以简单、快速的实现。
A）设计原理(lǐ)
从交换机的几个功能(néng)步骤开始，先实现源MAC地址的學(xué)习。从平台功能(néng)分(fēn)析，使用(yòng)寄存器部件比较合适。
拟定义一个端口与MAC地址的映射表，存储在寄存器对象中，使用(yòng)源MAC地址作為(wèi)寄存器对象的索引，分(fēn)组输入端口号作為(wèi)该索引位置的值。在使用(yòng)目的MAC查表时，亦使用(yòng)MAC地址作為(wèi)索引进行查找，即可(kě)获取该地址學(xué)习存储的端口号。
由于MAC地址為(wèi)48位，本平台支持寄存器的深度有(yǒu)限，故本案例中仅取MAC地址的后4位作為(wèi)索引。故实验演示时，要求测试主机的MAC地址尾数不同。
单播地址可(kě)以采用(yòng)上述思路进行设备，那组播与广播地址呢(ne)，我们本案例拟采用(yòng)全泛洪的方式先来实现一个基础版本。
想要做组播功能(néng)可(kě)以将组播协议配置规则送CPU处理(lǐ)，CPU學(xué)习到入组和退组信息后，通过P4的运行时工具进行组播MAC与相应端口号的规则配置即可(kě)。
B）代码实现
action learn_forward()
{
MAC_PORT.regwrite((u8)hdr.eth.smac&0xF,std_meta.ioport);
std_meta.ioport = MAC_PORT.regread((u8)hdr.eth.dmac&0xF);
}
单播自學(xué)习与转发
action mb_cast()
{
MAC_PORT.regwrite((u8)hdr.eth.smac&0xF,std_meta.ioport);
std_meta.ioport = ~std_meta.ioport;
}
多(duō)播泛洪
以上為(wèi)硬件二层交换机（原型系统）全部业務(wù)逻辑功能(néng)代码。是的，就是这四行代码！！！！
A）软件核心代码
B）编译器结果
C）硬件配置
D）Ping通测试
C:\Users\Administrator>ping 192.168.1.198
正在 Ping 192.168.1.198 具有(yǒu) 32 字节的数据:
来自 192.168.1.198 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=127
来自 192.168.1.198 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=127
来自 192.168.1.198 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=127
来自 192.168.1.198 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=127
物(wù)质守恒、能(néng)力守恒，苦难亦然守恒。
為(wèi)了让學(xué)生们在我们平台编写硬件逻辑少些痛苦，我们艰苦奋斗了16个月，对P4的原理(lǐ)、代码和编译器进行了仔细琢磨、分(fēn)析和领悟。我们认為(wèi)P4是一门较為(wèi)优秀的编程语言，更是一种硬件编程的创新(xīn)思路和具體(tǐ)表达形式。我们无法去破解P4的硬件实现，固然也无从参考，而是领悟P4编程方式的精髓理(lǐ)念后，采用(yòng)了原有(yǒu)FAST架构和部分(fēn)逻辑调整，并配置P4后端编译适配，打造了现如今的支持P4的FAST架构可(kě)编程平台。
本平台结合了FAST架构与P4可(kě)编程的双重优势。支持用(yòng)户在最底层硬件到最高层软件全方便的编程与验证，而且编程语言均使用(yòng)C语言和类似C的P4语言，进一步降低了學(xué)习与使用(yòng)难度。
下一步，做个硬件路由器？或者您有(yǒu)更美好的想法，我们可(kě)以试一试！
有(yǒu)需要开发可(kě)编程硬件（FPGA、ASIC等）的P4后端编译器，或获得本平台介绍相关源码的客户，请与15116127200(微信同号）联系，阅读更多(duō)FAST相关文(wén)章请进入以下公众号。
