P4 (langage)

Le premier atelier sur le langage P4 a eu lieu le 4 juin 2015[1] à l'Université de Stanford, il était présidé par Nick McKeown de cette même université et Jennifer Rexford, de l'Université de Princeton. Le consortium P4.org a publié la spécification finale de la nouvelle version du langage dénommée P4₁₆, en mai 2017[2], remplaçant la première version du langage, appelée P4₁₄.

Considéré comme une évolution du Software Defined Networking (SDN)[3], P4 permet de programmer la façon dont le flux est traité par l’acheminement de paquets sur du matériel de transmission de paquets réseaux[3] tels que des routeurs, des commutateurs ou des pare-feux[4], qu'ils soient matériels ou logiciels[3]. Comme son nom « Programmation de processeurs indépendants des protocoles » l’indique, le langage ne tient pas compte du format d’un paquet. En effet, les développeurs déclarent le traitement d’un paquet dans un programme écrit en langage P4, et le compilateur le met par la suite au format souhaité selon le matériel cible[5]. La programmation en langage P4 est notamment utilisée pour mettre en œuvre les fonctions de transfert de niveau 3 et les fonctions INT[5]. La technologie In-Band Network Telemetry permet à de commutateurs de mesurer de fournir des informations détaillées sur la charge du réseau et de les utiliser pour fournir des mécanismes de contrôle de la congestion et donc mieux gérer la stabilité du réseau à très haut débit.
Il existe deux versions de ce langage : P4₁₄ et P4₁₆[6]. P4₁₆ apporte des changements importants et n'est pas rétrocompatible avec P4₁₄. Ainsi, de nombreuses fonctionnalités ont été supprimées du langage de base P4₁₄ et sont déjà ou sont destinées à être implémentées dans des bibliothèques externes[7].

Schéma de base P4

state parse_ethernet {
    packet.extract(headers.ethernet) {
    transition select(headers.ethernet.ethertype) {
        0x8100: parse_vlan;
        0x9100: parse_vlan;
        0x0800: parse_ipv4;
        0x86dd: parse_ipv6;
        
        default: reject;
    }
}

#include <core.p4>
#include <v1model.p4>
struct metadata {}
struct headers {}

parser  MyParser(packet_in packet,
    out headers hdr,
    inout metadata meta,
    inout standard_metadata_t standard_metadata) {
    
      state start { transition accept; }
 }
 control MyVerifyChecksum(inout headers hdr, inout metadata meta) { apply { } }
 
 control MyIngress (inout headers hdr,
    inout metadata meta,
    inout standard_metadata_t standard_metadata) {
apply {
        if (standard_metadata.ingress_port ==1) {
            standard_metadata.egress_spec =2;
            } else if (standard_metadata.ingress_port ==2) {
                standard_metadata.egress_spec =1;
                }
             }
     }
     
     control MyIngress(inout headers hdr,
        inout metadata meta,
        inout standard_metadata_t standard_metadata) {
        apply { }
        }
control MyComputeChecksum (inout headers hdr, inout metadata meta) {
    apply {}
    }
    control MyComputeChecksum(inout headers hdr, inout metadata meta) {
        apply { }
    control MyDeparser(packet_out packet, in headers hdr){
        apply { }
        }
        
        V1Switch(
            MyParser(),
            MyVerifyChecksum(),
            MyIngress(),
            MyEgress(),
            MyComputeChecksum(),
            MyDeparser(),
        ) main;

Le langage P4 a été conçu pour répondre à trois objectifs[16] :

• Il offre une possibilité de mise à niveau ou de modification sur site : Une fois déployé sur le matériel, le programme peut être modifié dans le cas où le traitement des paquets doit évoluer[16].
• De plus le langage: P4 n'est lié à aucun protocole réseau et aucun traitement de packet spécifique, il n'a donc pas de notion prédéterminée du format d'un paquet. Cela permet de définir de nouveaux protocoles si nécessaire et élimine les contraintes sur la façon dont les paquets individuels peuvent être corrélés[4].
• La cible ne bénéficie d'aucune obligation sur le plan matériel: Lors de l'écriture du programme P4, les développeurs définissent les fonctionnalités du traitement des paquets sans se préoccuper des spécificités du matériel cible sur lequel le programme doit être implémenté[16].

P4 est un langage qui est peu utilisé mais qui fait tout de même l'objet d'expérimentations ayant divers objectifs.

Dans le cadre des expérimentations d’implémentation qui ont eu lieu, il a été démontré que le langage P4 dispose de plusieurs avantages.
Ainsi, il améliore la sécurité du réseau[4] grâce à la mise en place des en-têtes et des règles de traitement des flux qui permettent d’éviter la congestion.
De plus, le langage apporte une certaine flexibilité au niveau des matériels réseaux. En effet, il permet de programmer le traitement des paquets en utilisant uniquement des requêtes et des consultations de tables, indépendamment du matériel sur lequel il est implémenté, contrairement aux matériels réseaux traditionnels qui disposent d’un langage propriétaire.
Le langage offre également la possibilité d’analyser des trames et, à l’aide du compilateur, gèrent les détails de bas niveau tels que l’allocation de ressources, car il permet de décomposer les ressources de stockage, et l’ordonnancement.
Avec la version P416 du langage, les créateurs du langage ont mis à disposition des librairies, ce qui est un avantage pour le développement de certaines fonctions spécifiques au matériel.

En 2020, le langage P4 est supporté par très peu de matériel ce qui limite son utilisation. Ceci peut être expliqué par le fait que le langage P4 est en développement actif, les fournisseurs de matériels attendent que le langage se stabilise et se démocratise avant de proposer du matériel adapté. P4 laisse aussi beaucoup de détails non spécifiés[21].
P4 augmente également les risques d'encourir des bugs d'exécution après le déploiement des programmes P4[22], ou bien des erreurs d'implémentation de protocoles par exemple[23]. L'absence de runtime, logiciel responsable de l'exécution des programmes informatiques, rendent difficile le dépannage de ces bugs[22].
De plus, selon l'architecture du réseau, il est parfois difficile de traduire les spécificités en P4[24]. Le langage P4 ne définit pas l'interface entre le plan de données et le plan de contrôle, il s'agit d'une spécificité liée au matériel cible[7]. P4 ne permet d’exécuter des actions qu'à l'intérieur des trames réseaux ou lorsqu'une correspondance table+action a été trouvée les tables de correspondance de P4 ne peuvent pas effectuer de correspondance sur des champs de longueur variable[25]. Ainsi, la comparaison entre plusieurs variables peut être compliquée, notamment lorsque l'on souhaite trouver la plus petite valeur, car P4 ne peut comparer que des valeurs entre elles dans les objets de contrôle et peut les modifier uniquement s'il y a une correspondance dans une table. De plus les tables de correspondance de P4 ne peuvent pas effectuer de correspondance sur des champs de longueur variable[25].

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• (en) Belma Turkovic, Fernando Kuipers, Niels van Adrichem et Koen Langendoen, « Fast network congestion detection and avoidance using P4 », ACM (Association for Computing Machinery) - Proceedings of the 2018 Workshop on networking for emerging applications and technologies,‎ août 2018, p. 1-8 (ISBN 9781450359078, DOI 10.1145/3229574.3229581). 

• (en) Joseph Hill, Mitchel Aloserij et Paola Grosso, « Tracking Network Flows with P4 », 2018 IEEE/ACM Innovating the Network for Data-Intensive Science (INDIS),‎ novembre 2018, p. 36-43 (ISBN 9781728101941, DOI 10.1109/INDIS.2018.00006). 

• (en) Jehandad Khan et Peter Athanas, « Query language for large-scale P4 network debugging », ACM (Association for Computing Machinery) - Proceedings of the 2018 Symposium on architectures for networking and communications systems,‎ juillet 2018, p. 162-164 (ISBN 9781450359023, DOI 10.1145/3230718.3232108)

• (en) Christian Wernecke, Helge Parzyjegla, Gero Muhl, Peter Danielis et Dirk Timmermann, « Realizing Content-Based Publish/Subscribe with P4 », 2018 IEEE Conference on Network Function Virtualization and Software Defined Networks (NFV-SDN),‎ novembre 2018, p. 1-7 (DOI 10.1109/NFV-SDN.2018.8725641). 

• (en) Regis F.T Martins, Fabio L Verdi, Rodolfo Villaca et Luis Fernando U Garcia, « Using Probabilistic Data Structures for Monitoring of Multi-tenant P4-based Networks », 2018 IEEE Symposium on Computers and Communications (ISCC),‎ juin 2018, p. 204-207 (ISBN 9781538669501, DOI 10.1109/ISCC.2018.8538352). 

• (en) Anirudh Sivaraman, Kim Changhoon, Ramkumar Krishnamoorthy, Advait Dixit et Mihai Budiu, « DC.p4: programming the forwarding plane of a data-center switch », Proceedings of the 1st ACM SIGCOMM Symposium on software defined networking research,‎ juin 2015, p. 1-8 (ISBN 9781450334518, DOI 10.1145/2774993.2775007). 

• (en) Elie F Kfoury, Jorge Crichigno, Elias Bou-Harb, David Khoury et Gautam Srivastava, « Enabling TCP Pacing using Programmable Data Plane Switches », IEEE Conference Publications - 42nd International Conference on Telecommunications and Signal Processing (TSP),‎ juillet 2019, p. 273-277 (ISBN 9781728118642, DOI 10.1109/TSP.2019.8768888)

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• (en) Rui Miguel, Salvatore Signorello et Fernando M. V Ramos, « Named Data Networking with Programmable Switches », IEEE 26th International Conference on Network Protocols (ICNP),‎ septembre 2018, p. 400-405 (ISBN 9781538660430, DOI 10.1109/ICNP.2018.00055). 

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• (en) Radu Stoenescu, Dragos Dumitrescu, Matei Popovici, Lorina Negreanu et Costin Raiciu, « Debugging P4 programs with vera », Proceedings of the 2018 Conference of the ACM Special Interest Group on data communication,‎ août 2018, p. 518-532 (ISBN 9781450355674, DOI 10.1145/3230543.3230548)

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• (en) Pavel Benáček, Viktor Puš, Hana Kubátová et Tomáš Čejka, « P4-To-VHDL: Automatic generation of high-speed input and output network blocks », Microprocessors and Microsystems, vol. 56,‎ février 2018, p. 22-33 (ISBN 978-1-7281-0194-1, DOI 10.1016/j.micpro.2017.10.012)

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• (en) Miguel Neves, Lucas Freire, Alberto Schaeffer-Filho et Marinho Barcellos, « Verification of P4 programs in feasible time using assertions », ACM Digital Library (Association for Computing Machinery) - Proceedings of the 14th International Conference on emerging networking experiments and technologies,‎ décembre 2018, p. 73-85 (ISBN 9781450360807, DOI 10.1145/3281411.3281421)

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• (en) Jed Liu, William Hallahan, Cole Schlesinger, Milad Sharif, Jeongkeun Lee, Robert Soulé, Han Wang et Călin Caşcaval, « p4v: practical verification for programmable data planes », Proceedings of the 2018 Conference of the ACM Special Interest Group on data communication,‎ août 2018, p. 490-503 (ISBN 9781538671856, DOI 10.1145/3230543.3230582)

• (en) « Site officiel P4 - Spécifications »

• (en) « GitHub P4 »

• (en) « Tutorial Language P4 »

• (en) « 1st P4 Workshop ». 

• (en) « P416 Language Specification ». 

• (en) « P4 Code ». 

• (en) « P4C C++ ». 

• (en) « P4C bmv2 ». 

• (en) « P4C ebpf ». 

• (en) « P4C graphs ». 

• (en) « P4C test ». 

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