白皮書
構建BittWare的數據包解析器，HLS與P4實現
概述
BittWare的SmartNIC Shell和BittWare的Loopback Example的功能之一是數據包解析器/分類器，可以從數據包中提取協定字段。在本白皮書中，我們不僅想描述我們的解析器，還解釋了使用 HLS 構建和配置它如何比使用 P4 語言產生更好的實現。解析器代碼在 BittWare 開發人員網站上免費提供給 Xilinx UltraScale+ 擁有者，作為我們的環回示例的一部分（2020 年 1 月可用）
超越 P4 對智慧 NIC 進行程式設計
如今，BittWare的SmartNIC Shell的解析器元件是使用Xilinx HLS C++開發環境構建的。但是BittWare的SmartNIC Shell的早期版本通過Xilinx SDNet工具使用了P4語言。
使用 P4 的一個原因是，它是一種新興標準，在商用英特爾伺服器上採用軟體定義網路 （SDN） 的人們中很受歡迎。然而，Xilinx後來限制了SDNet的可用性。我們對 P4 的使用是專門針對 SmartNIC Shell 的最終使用者的，因此這種限制促使我們尋找更開放的解決方案。在使用 HLS 成功實現 RSS 之後，我們被激勵使用相同的 HLS 方法（特別是 Xilinx HLS C++ 環境）重新實現 SmartNIC Shell 解析器。
什麼是數據包解析器？
通過乙太網使用的協議對硬體來說具有挑戰性。存在此挑戰是因為協定具有許多可選欄位。例如，這些選項使查找IP標頭的開頭變得複雜。為什麼？在IP報頭情況下，它前面可以有零個、一個或兩個 VLAN 標記。也可以有 MPLS 標籤。因此，硬體需要瞭解協議，剛好可以找到IP報頭。硬體需要IP標頭才能查找硬體篩選器和表中經常使用的IP位址。下一級也存在類似的問題，因為IP標頭本身具有可選欄位。
BittWare的HLS C++數據包解析器可以處理：
- 0 到 2 個 VLAN 標記（舊的 SDNet 代碼允許 0 或 1）
- 0 到 5 個 MPLS 標籤（BittWare 的舊 SDNet 代碼無法識別 MPLS）
- IP 片段
- IPv4 標頭（非 IPv6）
它假定埠ID位於以下IP協定中：TCP、UDP、DCCP和 STCP。
在基本上創建了兩個版本的數據包解析器之後，我們注意到使用 P4 與 HLS C++之間的一些差異。總體而言，HLS流程沒有P4那麼抽象，但該工具要成熟得多。
資源使用方式的詳細資訊如下表所示：
| 特徵 | P4/SDNet | HLS C++ |
|---|---|---|
| 負載均衡 | 3,185 | 3,391 |
| 布拉姆 | 22 | 0 |
| 寄存 器 | 10,361 | 5,975 |
| 代碼行數 | 206 | 1,154 |
您可以看到，在所有 FPGA 資源中，HLS 要麼相似，要麼更好。雖然原始程式碼確實需要更多行，但其中一部分會受到註釋和格式的影響。但是，HLS C++實現確實需要比 P4 更多的代碼行。不過，這是針對數據包解析器/分類器，它屬於 P4 可以描述的範圍——HLS C++可以做更多的事情。HLS是非常通用的，幾乎可以做任何事情。P4非常專業。
更好的是，既然 HLS 實現已經存在，任何修改它以消化乙太網協定變體的後續工作都與使用 P4 語言進行修改大致相同。這是因為我們的 HLS C++實現被構造為對我們創建的低級解析器函數的一系列調用。此方法類似於直接操作位於 P4 下的運行時。
如前所述，環回示例的原始程式碼，包括其解析器塊，可通過BittWare Developer網站免費提供給Ultrascale++擁有者。它很好地說明瞭如何在 HLS C++代碼中使用 AXI 介面。想看它但沒有BittWare FPGA卡嗎？請與我們聯繫以了解購買地點。
什麼是元組？
通過乙太網使用的協議對硬體來說具有挑戰性。存在此挑戰是因為協定具有許多可選欄位。例如，這些選項使查找IP標頭的開頭變得複雜。為什麼？在IP報頭情況下，它前面可以有零個、一個或兩個 VLAN 標記。也可以有 MPLS 標籤。因此，硬體需要瞭解協議，剛好可以找到IP報頭。硬體需要IP標頭才能查找硬體篩選器和表中經常使用的IP位址。下一級也存在類似的問題，因為IP標頭本身具有可選欄位。
BittWare的HLS C++數據包解析器可以處理：
- 0 到 2 個 VLAN 標記（舊的 SDNet 代碼允許 0 或 1）
- 0 到 5 個 MPLS 標籤（BittWare 的舊 SDNet 代碼無法識別 MPLS）
- IP 片段
- IPv4 標頭（非 IPv6）
它假定埠ID位於以下IP協定中：TCP、UDP、DCCP和 STCP。
P4 會在 FPGA 硬體中普及嗎？
創建 P4 語言是為了使用軟體定義「資料包轉發數據平面」（或網路交換機）。該語言特別與硬體供應商Barefoot Networks相關聯。P4語言不同於Google幫助推廣的“P4 Runtime”。P4 運行時提供了一個標準的運行時 API，可用於操作 P4 編譯的解決方案的控制平面。
P4 確實可以輕鬆為新協定定義數據包分類器/解析器。P4 還指定了一組完整的表查找功能，並且可以重寫流經的數據包，例如消除 VLAN 標記。
這是否意味著P4的靈活性將導致FPGA的採用？我們認為反對這種情況發生有幾個原因。
在FPGA硬體上提供P4子集的商業選項是存在的，但是它們目前的範圍有限。此外，如前所述，商業條款使BittWare難以利用這些條款來創建我們可以免費提供的示例程式。
需要注意的是，沒有一個實際的FPGA應用可以完全用P4編寫。例如，在某些範例中，我們的解析器後面的接收器端縮放 （RSS） 塊不能在 P4 中創作。但是，HLS C++可用於創作任一塊，甚至是組合這兩個函數的單個塊。
此外，P4 表查找函數基本上是用 RTL 或 HLS C++編寫的特定於硬體的運行時庫的包裝器。程式師可以直接從HLS C++調用這樣的運行時，而不會受到任何懲罰。
最重要的是，在使用 P4 和 HLS C++來實現解析器之後，我們實際上更喜歡 HLS C++ 方法。目前尚不清楚FPGA上對P4的需求是否會增長到足以支援成熟的工具。HLS C++可以做得更多，也更成熟。
HLS的可移植性和結論
我們希望對 FPGA 上數據包解析器的兩種實現（一種是 P4 語言，然後是使用 HLS C++）的解釋有助於評估適合您的方法。
最後一點是關於我們的FPGA卡之間的便攜性。在我們基於 Xilinx FPGA 的卡之間，HLS 提供了一種簡單的方法，幾乎不需要更改（如果有的話）。要遷移到基於英特爾的卡，例如我們的 520N-MX，需要更改原始程式碼，尤其是在編譯指示方面。但是，基本概念是相同的。在這兩種情況下，我們都根據我們對FPGA轉換挑戰的了解來構建C++。任意C++代碼在FPGA中運行得非常糟糕。但是，C++代碼重組並帶有編譯指示，效果很好。Xilinx 或 Intel 所需的更改非常相似，只是表達方式略有不同。
作為BittWare的SmartNIC Shell的一部分，我們的解析器可幫助團隊快速上手，在我們的FPGA卡上構建網路數據包處理應用程式。瞭解更多關於我們卡的 SmartNIC 的資訊，或與我們聯繫以討論您的應用需求。
BittWare的Loopback示例重新部署了我們可以免費提供的SmartNIC shell子集。該子集包括我們的解析器庫。
還有更多內容要閱讀：獲取應用說明
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您在此頁面上看到的是解析器的基本概述，它是SmartNIC Shell的一部分。SmartNIC 外殼的完整應用說明中有更多細節，最重要的是可以免費下載！填寫表格以請求訪問完整應用筆記的PDF版本。
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