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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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