构建BittWare的数据包解析器

超越P4的智能网卡编程技术

如今，BittWare的SmartNIC Shell的解析器组件是使用Xilinx HLS C++开发环境构建的。但BittWare的SmartNIC Shell的早期版本虽然使用Xilinx SDNet工具，但使用了P4语言。

使用P4的一个原因是，它是一种新兴的标准，受到在商品英特尔服务器上拥抱软件定义网络（SDN）的人们的欢迎。然而，Xilinx后来限制了SDNet的可用性。我们对P4的使用是专门针对SmartNIC Shell的终端用户的，所以这种限制使我们不得不寻找更开放的解决方案。在我们使用HLS成功实现RSS之后，我们被激励使用同样的HLS方法（特别是Xilinx HLS C++环境）重新实现SmartNIC Shell解析器。

什么是“Tuple”？

在网络中，tuple是指从网络数据包中提取的字段，并组合在一起。最常见的是“5-tuple”，它结合了源和目的IP地址、源和目的IP端口（如果IP协议有这些端口的话）以及IP协议号。

SmartNIC产品中的BittWare解析器会检查数据包，并在可用的情况下提取最多4个数据包。它将这些数据放入添加到数据包元数据的96位字段中。该字段宽度为IPv4源和目标地址以及源和目标端口提供了足够的位数。我们的解析器为数据包中不可用的字段提供零。如果一个数据包不包括任何IP有效载荷，那么完整的96位元组字段为零。

一个完整的5-tuple需要额外的8位来适应协议号。使用BittWare解析器的HLS用户只需稍加修改源代码就能轻松适应这一变化。

BittWare的RSS是一个可能在数据包流水线中跟随解析器并消耗96位元组数据的块的例子。在我们的应用笔记中阅读关于该块的内容，比较RTL和HLS C++。

在 BittWare 的 Loopback 示例中，Parser 的使用方式有所不同。Loopback 使用了 Parser 的三个副本，而不是扩展元数据的一个副本。之所以采取这种方法，是因为Parser实际上相当小。

在基本上创建了两个版本的数据包解析器后，我们注意到使用P4与HLS C++的一些差异。总的来说，HLS流的抽象性不如P4，但工具却远比P4成熟。

资源使用情况详见下表。

你可以看到，在所有的FPGA资源中，HLS不是相似就是更好。虽然源代码确实需要更多的行数，但其中一部分是受注释和格式的影响。然而，HLS的C++实现确实总是要比P4需要更多的代码行数。但这是针对数据包解析器/分类器而言的，属于 P4 所能描述的范围，而 HLS C++ 可以做得更多。HLS是非常通用的，几乎可以做任何事情。P4是非常专业的。

更妙的是，既然有了HLS的实现，那么后续修改它以消化以太网协议的变化就和用P4语言修改差不多了。这是因为我们的HLS C++实现的结构是对我们创建的低级解析函数的调用序列。这种方法类似于直接操作位于P4语言下的运行时。

如前所述，回环实例的源代码，包括它的解析器块，可以通过BittWare开发者网站免费提供给Ultrascale++的用户。它很好地说明了如何在HLS C++代码中使用AXI接口。想看但没有BittWare FPGA卡？请与我们联系，了解哪里可以购买。

什么是数据包解析器？

在以太网上使用的协议对硬件来说是一个挑战，要利用这些协议。这种挑战的存在是因为协议有许多可选字段。例如，这些选项使查找IP头的开始变得很复杂。 为什么这么说呢？在IP头的情况下，前面可以有零、一个或两个VLAN标签。 也可以有MPLS标签。因此硬件需要了解协议，刚好可以找到IP头。硬件需要IP头才能找到IP地址，而IP地址经常被用于硬件过滤器和表。类似的问题在下一级也存在，因为IP头本身有可选的字段。

BittWare的HLS C++包解析器可以处理。

0至2个VLAN标签（旧的SDNet代码允许0或1）。

0到5个MPLS标签（BittWare的旧SDNet代码不识别MPLS）。

IP碎片

IPv4头文件（不是IPv6

它假设在这些IP协议中找到端口ID。TCP、UDP、DCCP和STCP。

P4会不会成为FPGA硬件的通用？

P4语言是为了使用软件定义“包转发数据平面”（或网络交换机）而创建的。该语言尤其与硬件厂商Barefoot Networks有关。P4语言与谷歌帮助推广的名为“P4 Runtime”的东西不同。P4 Runtime提出了一个标准的运行时API，可以操纵由P4编译的解决方案的控制平面。

P4确实可以很容易的为一个新协议定义一个数据包分类器/解析器。P4还指定了一套完整的表查找功能，它可以重写流过的数据包，例如消除VLAN标签。

这是否意味着P4的灵活性将导致FPGA的采用？我们认为有几个理由反对这种情况发生。

在FPGA硬件上提供P4子集的商业选项是存在的，但是它们目前的范围有限。此外，如前所述，由于商业条款的限制，BittWare很难利用这些条款来创建一个我们可以随产品免费提供的示例程序。

需要注意的是，没有任何真实世界的FPGA应用可以完全用P4编写。例如，在一些例子中，跟随我们的解析器的接收端缩放（RSS）块不能用P4编写。然而，HLS C++可以用来编写任何一个块，甚至是结合两个功能的单个块。

另外，P4表查询函数基本上是用RTL或HLS C++编写的硬件专用运行库的封装器。程序员可以直接从HLS C++中调用这样的运行库，而不会受到任何惩罚。

最重要的是，在使用P4和HLS C++两种方法实现解析器后，我们实际上更倾向于HLS C++的方法。目前还不清楚FPGA上对P4的需求是否会增长到足以支持一个成熟的工具。HLS C++可以做得更多，也更成熟。

HLS的便携性和结论

我们希望对FPGA上的两个数据包解析器的实现进行解释，一个是用P4语言，另一个是用HLS C++，希望对你评估正确的方法有所帮助。

最后一点是关于我们FPGA卡之间的可移植性。在基于Xilinx FPGA的卡之间，HLS提供了一个简单的方法，几乎不需要任何改变。如果要移植到基于英特尔的卡上，比如我们的520N-MX，则需要修改源代码，特别是在兼容器的实用性方面。然而，基本概念是相同的。在这两种情况下，我们都是基于我们对FPGA翻译挑战的了解来构建C++。任意的C++代码在FPGA内运行效果会很差。然而，经过结构化并涂抹了实用程序的C++代码却能很好地运行。Xilinx或Intel所需要的改变非常相似，只是表达方式有些不同。

作为BittWare的SmartNIC Shell的一部分，我们的Parser可以帮助团队快速上手，在我们的FPGA卡上构建网络数据包处理应用。了解更多关于我们的卡的SmartNIC的信息，或与我们联系，讨论您的应用需求。

BittWare的Loopback例子重新部署了我们可以免费提供的SmartNIC shell的一个子集。这个子集包括我们的Parser库。

审核编辑：郭婷