[论文解读] Toward an Abstract Model of Programmable Data Plane Devices

Debobroto Das Robin, Javed Khan|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2020

Software-Defined Networks and 5G参考文献 42被引用 5

一句话总结

本文提出 AVS（抽象虚拟交换机），一种用于可编程数据平面设备的正式、模块化硬件抽象层，通过扩展有限状态机（EFSM）建模组件，实现与硬件无关的可移植数据平面编程。通过在异构架构间标准化数据包处理状态和功能接口，AVS 支持性能基准测试、形式化验证以及基于网络代数的建模，其主要贡献在于统一可编程特性，并支持跨架构测试与延迟分析。

ABSTRACT

SDN divides the networking landscape into 2 parts: control and data plane. SDN expanded it's foot mark starting with OpenFlow based highly flexible control plane and rigid data plane. Innovation and improvement in hardware design and development is bringing various new architectures for data plane. Data plane is becoming more programmable then ever before. A common abstract model of data plane is required to develop complex application over these heterogeneous data plane devices. It can also provide insight about performance optimization and bench-marking of programmable data plane devices. Moreover, to understand and utilize data plane's programmability, a detailed structural analysis and an identifiable matrix to compare different devices are required. In this work, an improved and structured abstract model of the programmable data plane devices is presented and features of its components are discussed in detail. Several commercially available programmable data plane devices are also compared based on those features.

研究动机与目标

• 为解决异构可编程数据平面（PDP）设备缺乏通用抽象模型的问题，该问题阻碍了可移植性、测试与性能基准测试。
• 使用扩展有限状态机（EFSM）形式化描述 PDP 组件的结构与行为，实现一致的、与硬件无关的建模。
• 建立统一框架，用于比较 DPDK、P4、VPP 和 FBOSS 等 PDP 设备的可编程特性。
• 通过在抽象层中嵌入带时间戳的元数据和功能转移函数，支持网络代数与细粒度延迟建模。
• 为形式化验证、网络功能虚拟化以及从高层抽象模型出发的未来芯片设计奠定基础。

提出的方法

• 提出 AVS 作为模块化硬件抽象层，使用扩展有限状态机（EFSM）对每个 PDP 组件（如入口、出口、缓冲区、调度器）进行建模。
• 定义整个交换机的功能转移函数 τ 为组件函数 fc 的复合，实现与硬件无关的网络功能表示。
• 通过组合链路层函数 Γ（表示数据链路层行为）与交换机函数 τ，引入拓扑函数 ψ，以建模端到端网络行为。
• 在数据包头部嵌入带时间戳的元数据，以计算组件级延迟（D_C = timestamp_exit - timestamp_entry），实现细粒度延迟分析。
• 使用形式化功能结构表示介质访问逻辑（如 CSMA、CSMA/CD）与配置参数，实现在不同类型网络间的一致建模。
• 通过定义一组统一的数据包处理状态与组件边界，建立 PDP 编程栈的统一接口，减少厂商特定的歧义。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一个通用的、形式化的抽象模型，以统一多样化的可编程数据平面架构？
• RQ2 何种形式化结构能够实现在不同硬件厂商之间对组件行为（如缓冲区、调度器）的一致建模？
• RQ3 如何标准化数据包处理状态与转换，以实现可移植的数据平面程序？
• RQ4 该抽象层在支持性能基准测试、形式化验证与延迟建模方面有哪些方式？
• RQ5 是否能够通过硬件无关的功能表示，实现网络代数与复杂数据平面系统拓扑级分析？

主要发现

• AVS 提供了基于 EFSM 的 PDP 组件正式模型，标准化了数据包处理状态与转换，减少了不同硬件实现之间的歧义。
• 功能表示 τ 与拓扑函数 ψ 支持整个网络的硬件无关建模，支持形式化分析与网络代数。
• 在组件入口与出口处嵌入时间戳元数据，可精确计算排队、处理、传输与传播延迟。
• 该抽象支持在异构设备（如 DPDK、P4、FBOSS）之间对数据平面程序进行一致的基准测试与测试，通过统一组件行为与状态定义实现。
• 该模型支持可移植网络功能的开发，并通过将逻辑与硬件特定细节解耦，促进形式化验证。
• 作者证明，通用抽象层可作为未来芯片设计与从抽象模型进行高层次综合的基础。