Содержание:

Если вы когда-либо задумывались, как современные коммутаторы умеют это делать это с умом, с программируемой точностью, то PSA — это как раз тот GPS, который направит вас по этой сложной сетевой дороге. Представьте, что PSA — это супернабор инструкций и инструментов, благодаря которым можно создавать коммутаторы будущего, которые легко переучиваются и адаптируются к любым сетевым условиям.

Что такое PSA и зачем она нужна?

PSA (Portable Switch Architecture) — это архитектура, описывающая, как должен работать программируемый коммутатор, который обрабатывает и пересылает пакеты через множество портов. Она похожа на библиотеку стандартных инструментов, которые разработчики используют, чтобы создавать программы на языке P4, которые потом можно запускать на разных аппаратных платформах.

Если представить сетевой коммутатор как фабрику по обработке посылок (пакетов), PSA описывает и стандартизирует этапы работы этой фабрики — как посылка приходит, как ее разбирают, маркируют, проверяют и отправляют дальше.

Главные блоки PSA — кто за что отвечает?

В PSA есть 6 программируемых блоков и 2 фиксированных:

  • IngressParser — анализирует входящий пакет, извлекает нужные заголовки и метаданные.
  • Ingress — основной блок обработки пакета при входе, где принимаются решения о маршрутизации, фильтрации и др.
  • IngressDeparser — собирает пакет обратно после входной обработки, готовит к передаче дальше.
  • EgressParser — анализирует пакет перед выходной обработкой (полезно для клонирования, модификаций).
  • Egress — выходной блок обработки, где можно, например, обновить поля пакета.
  • EgressDeparser — финальная сборка пакета перед отправкой в порт.

Плюс есть:

  • PacketReplicationEngine (PRE) — машина для репликации и клонирования пакетов (например, мультикаст).
  • BufferingQueueingEngine (BQE) — машина очередей и буферизации перед выходом.

Такой конвейер обработки пакетов похож на цепочку в конвейере завода — каждый блок выполняет свою работу над пакетом, а результат передается дальше.

Как пакеты путешествуют через PSA?

Пакет приходит на вход и получает метаданные — откуда он пришёл, по какому пути пойдёт дальше и прочее. Входной парсер разбирает заголовки, затем пакет идёт в основной входной блок, где происходит принятие решений (например, какой порт назначить, должен ли пакет быть отброшен или клонирован).

В конце входной обработки пакет собирается обратно и попадает либо в очередь на выход, либо в механизм клонирования, который может создать копии для разных портов.

Есть два интересных процесса:

  • Повторное представление (resubmit) — когда пакет нужно обработать заново на входе, например, после изменения метаданных.
  • Рециркуляция (recirculate) — когда пакет после выходной обработки возвращается обратно на вход, например, для многоуровневой обработки.

Таким образом, PSA позволяет строить гибкие и мощные схемы обработки пакетов.

Что такое типы данных и метаданные в PSA?

В PSA используются специальные типы для описания полей метаданных и заголовков, которые обеспечивают совместимость между разными аппаратными платформами.

Например, тип PortId_t — это идентификатор порта, размер которого может варьироваться, но для программиста P4 это как enum, которому нельзя просто так делать арифметику. Такая строгость гарантирует, что при переносе программы на другую платформу поведение останется стабильным.

Разнообразие таблиц поиска и сопоставления

PSA поддерживает различные типы ключей для поиска:

  • exact — точное совпадение;
  • lpm — наибольший префикс;
  • ternary — маска с приоритетами;
  • range — диапазон;
  • selector — динамический выбор действия через селектор действий.

Такой набор позволяет гибко строить правила обработки пакетов — от простых фильтров до сложных маршрутизирующих решений.

Механизмы клонирования и мультикаста

PSA описывает, как создавать копии пакетов:

  • Клоны могут создаваться на входе и на выходе конвейера.
  • Можно задавать группы портов для мультикаста, куда пакет будет реплицирован.
  • Для контроля над клонами используются сессии клонирования с параметрами, такими как количество байт, которые нужно клонировать (например, можно клонировать только заголовок).

Клонирование — это как сделать фото с посылкой, отправить копии этого фото разным получателям, при этом основной пакет отправляется дальше.

Контрольные суммы и хэширование

Контрольные суммы (например, IPv4, TCP) считаются с помощью встроенных блоков, которые поддерживают инкрементальный расчет — можно обновить сумму при изменении пакета, не считая заново весь заголовок. Хэширование применяется для равномерного распределения нагрузки и других целей.

Счётчики, измерители и регистры — глаза и память коммутатора

  • Счётчики (Counters) — считаются пакеты и байты, можно считать количество трафика по разным критериям.
  • Измерители (Meters) — позволяют классифицировать трафик по скорости, цвета пакетов (green, yellow, red) помогают реализовать QoS.
  • Регистры (Registers) — память для хранения состояний и метаданных между пакетами, например, для отслеживания сессий.

Все эти элементы используются в P4 для сбора статистики и управления поведением сети.

Управление действиями через профили и селекторы действий

Профили действий и селекторы дают возможность управлять действиями программ P4:

  • Профили позволяют совместно использовать одно действие для многих записей таблиц.
  • Селекторы обеспечивают динамический выбор действий на основе хэширования.

Это мощный механизм для оптимизации ресурсов устройства и управления сложными политиками.

Временные метки и телеметрия

PSA предусматривает временные метки на входе и выходе конвейера, что помогает измерять задержки и производить точный мониторинг трафика. Также можно создавать дайджесты — компактные сообщения о событиях для передачи контроллеру.

Атомарность операций — чтобы всё было честно и без сбоев

PSA требует, чтобы изменения в таблицах и действиях были атомарными — либо операция полностью выполнена, либо не выполнена вовсе. Это исключает неконсистентность и ошибки при обновлениях конфигурации.

Входной и выходной сборщики/анализаторы — почему они нужны?

PSA разделяет этапы разбора и сборки пакетов для лучшей переносимости и контроля. Такое разделение позволяет:

  • Четко контролировать какие данные идут дальше и как они изменяются.
  • Эффективно работать с мультикастом и клонами.
  • Управлять сложной логикой обработки пакетов.

Многопроцессорные системы и многопоточная обработка

В современных ASIC часто несколько параллельных конвейеров, каждый обрабатывает пакеты для своего набора портов. PSA позволяет работать с такой архитектурой, обеспечивая изоляцию и согласованность данных.

Рекомендации по упорядочению пакетов

Чтобы не устроить в сети хаос и не испортить работу протоколов, PSA рекомендует:

  • Сохранять порядок пакетов на входе и выходе.
  • Обеспечивать последовательность в обработке групповых пакетов.
  • Избегать беспорядочной маршрутизации, чтобы не портить TCP-сессии.

Краткие советы для разработчиков и администраторов

Совет Объяснение
Используйте PSA для создания переносимых программ PSA помогает создавать программы P4, которые работают на разных платформах
Контролируйте клонирование и мультикаст Используйте сессии клонирования и multicast-группы для оптимальной репликации
Применяйте атомарные операции управления Обновления конфигурации должны быть атомарными для предотвращения ошибок
Следите за порядком пакетов Соблюдайте порядок для предотвращения проблем с протоколами уровня выше
Используйте счётчики и измерители для QoS Они помогают реализовать политику качества обслуживания и мониторинг
Пользуйтесь временными метками и дайджестами Для точного мониторинга и телеметрии сети

FAQ

Что такое PSA?
PSA — это архитектура программируемого коммутатора, описывающая, как обрабатывать пакеты с помощью программ на языке P4.

Зачем нужны клонирование и мультикаст?
Для отправки копий пакетов на несколько портов одновременно без избыточной нагрузки на процессор.

Что такое повторное представление и рециркуляция?
Повторное представление — повторная входная обработка без изменений пакета; рециркуляция — повторная обработка после выхода с возможными изменениями.

Почему важна атомарность операций?
Чтобы избежать ошибок и рассогласований при обновлении таблиц и политик в процессе работы сети.

Как PSA поддерживает QoS?
Через измерители, счётчики, приоритеты в метаданных и классы обслуживания.

PSA — как дирижёр в оркестре сетевого трафика: управляет каждым инструментом, чтобы звучание было чётким, слаженным и красивым. Понимание её архитектуры и возможностей — ключ к созданию гибких и мощных сетей завтрашнего дня!