P4 环境搭建

P4 的概念已经了解了，现在动手搭建开发环境，跑通第一个 P4 程序。

一、P4 开发环境概述

P4 程序需要两个核心组件：

组件	作用	类比
p4c	P4 编译器，把 `.p4` 源码编译成 JSON	类似 `gcc` 编译 C 语言
BMv2 (Behavioral Model v2)	P4 软件交换机，运行编译后的程序	类似 Mininet 中的交换机

1.1 两种安装方式

方式	优点	缺点
Docker	省心，一键启动，不污染系统	需要 Docker，性能略低
Ubuntu 直装	性能好，调试方便	步骤多，可能踩坑

推荐先用 Docker 跑通流程，后续需要深入调试再考虑直装。

二、Docker 方式安装（推荐）

2.1 前置条件

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# 确认 Docker 已安装
docker --version

# 如果没装，Ubuntu 下快速安装
sudo apt update
sudo apt install -y docker.io
sudo usermod -aG docker $USER
# 重新登录终端生效

2.2 拉取 P4 官方镜像

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# P4 官方提供的 Docker 镜像（包含 p4c + BMv2）
docker pull p4lang/p4c

# 查看镜像
docker images | grep p4

2.3 启动容器

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# 启动一个交互式容器，挂载当前目录
docker run -it --rm \
  -v $(pwd):/workdir \
  -w /workdir \
  --name p4-dev \
  p4lang/p4c bash

进入容器后，验证两个核心组件：

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# 验证 p4c 编译器
p4c --version
# 输出类似：p4c from https://github.com/p4lang/p4c.git ...

# 验证 BMv2 软件交换机
simple_switch --version
# 输出类似：BMv2 simple_switch ...

两个命令都能正常输出版本号，说明环境搭建成功。

三、Ubuntu 直装方式

如果不想用 Docker，也可以直接在 Ubuntu 24.04 上安装。

3.1 安装依赖

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sudo apt update
sudo apt install -y \
  build-essential \
  cmake \
  g++ \
  libgmp-dev \
  libboost-dev \
  libboost-thread-dev \
  libboost-filesystem-dev \
  libevent-dev \
  libtool \
  libboost-program-options-dev \
  libboost-test-dev \
  libboost-all-dev \
  automake \
  pkg-config \
  libelf-dev \
  libffi-dev \
  python3 \
  python3-pip \
  python3-dev

3.2 安装 BMv2

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# 安装 PI (Protocol Independent) API
git clone https://github.com/p4lang/PI.git
cd PI
git submodule update --init --recursive
./autogen.sh
./configure
make -j$(nproc)
sudo make install
sudo ldconfig
cd ..

# 安装 BMv2
git clone https://github.com/p4lang/behavioral-model.git
cd behavioral-model
./autogen.sh
./configure
make -j$(nproc)
sudo make install
sudo ldconfig
cd ..

3.3 安装 p4c

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git clone --recursive https://github.com/p4lang/p4c.git
cd p4c
mkdir build && cd build
cmake ..
make -j$(nproc)
sudo make install
cd ../..

3.4 验证安装

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p4c --version
simple_switch --version

四、跑通第一个 P4 程序

4.1 获取官方示例

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# 克隆 P4 官方教程仓库
git clone https://github.com/p4lang/tutorials.git
cd tutorials/exercises/basic

4.2 认识 basic.p4

打开 basic.p4，核心结构分三段：

// 1. Parser（包解析器）：定义如何从原始字节中提取字段
parser MyParser(packet_in packet, ...) {
    state start {
        transition parse_ethernet;
    }
    state parse_ethernet {
        packet.extract(tmp_hdr.ethernet);
        transition select(tmp_hdr.ethernet.etherType) {
            0x0800: parse_ipv4;
            default: accept;
        }
    }
    state parse_ipv4 {
        packet.extract(tmp_hdr.ipv4);
        transition accept;
    }
}

// 2. Control（控制逻辑）：定义转发行为
control MyIngress(inout headers hdr, ...) {
    action ipv4_forward(macAddr_t dstAddr, ...) {
        hdr.ethernet.dstAddr = dstAddr;
        standard_metadata.egress_spec = port;
    }
    table ipv4_lpm {
        key = { hdr.ipv4.dstAddr: lpm; }
        actions = { ipv4_forward; NoAction; }
    }
    apply {
        ipv4_lpm.apply();
    }
}

// 3. Deparser（包组装器）：定义输出顺序
control MyDeparser(packet_out packet, ...) {
    apply {
        packet.emit(hdr.ethernet);
        packet.emit(hdr.ipv4);
    }
}

4.3 编译并运行

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# 编译 P4 程序
make run

# 这个命令会：
# 1. 用 p4c 编译 basic.p4 → basic.json
# 2. 启动 BMv2 软件交换机
# 3. 启动 Mininet 拓扑（2 台主机）
# 4. 配置转发表

4.4 验证转发

在 Mininet 中测试：

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# 测试连通性
mininet> pingall
*** Ping: testing ping reachability
h1 h2
h1 -> h2
h2 -> h1
*** Results: 0% dropped (8/8 received)

pingall 成功，说明 P4 程序正确实现了 IP 转发。

4.5 查看流表

打开另一个终端，查看 BMv2 的转发表：

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# 查看当前流表
simple_switch_CLI --thrift-port 9090 <<EOF
table_dump ipv4_lpm
EOF

输出类似：

mafia@2d98f85d5c27:/workdir/tutorials/exercises/basic$ simple_switch_CLI --thrift-port 9090 <<EOF
> table_dump ipv4_lpm
> EOF
Dumping entry ipv4_lpm 0 { 10.0.2.2/32 => port=2 (10 bytes) }

五、Docker 调试技巧

5.1 容器内网络问题

如果 Docker 容器内 Mininet 无法创建网络：

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# 检查是否需要特权模式
docker run -it --rm --privileged \
  -v $(pwd):/workdir \
  -w /workdir \
  p4lang/p4c bash

5.2 端口映射

BMv2 的 Thrift 控制端口（默认 9090）需要映射出来：

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docker run -it --rm \
  -p 9090:9090 \
  -v $(pwd):/workdir \
  -w /workdir \
  p4lang/p4c bash

5.3 保存容器状态

如果想保存调试环境：

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# 查看容器 ID
docker ps -a

# 提交为新镜像
docker commit <container_id> my-p4-dev

六、踩坑记录

问题	原因	解决方案
`p4c: command not found`	PATH 未配置	Docker 镜像已内置，直装需 `sudo make install`
`simple_switch: error while loading shared libraries`	动态库未刷新	`sudo ldconfig`
Mininet `pingall` 全部丢包	转发表未配置	检查 `make run` 是否成功，查看 `s1-app.log`
Docker 容器内无法创建 veth pair	权限不足	加 `--privileged` 参数
`make run` 报错 `sudo: mininet: command not found`	容器内未装 Mininet	安装：`apt install mininet`

七、今日学习总结

项目	内容
环境搭建	Docker 方式安装 p4c + BMv2
验证	`p4c --version` 和 `simple_switch --version`
首个程序	编译并运行 basic.p4，pingall 验证成功
流表查看	使用 `simple_switch_CLI` 查看转发表
下一篇预告	P4 实验 1：深入理解 basic 程序的 parser / 控制流 / deparser 结构

一、P4 开发环境概述#

1.1 两种安装方式#

二、Docker 方式安装（推荐）#

2.1 前置条件#

2.2 拉取 P4 官方镜像#

2.3 启动容器#

三、Ubuntu 直装方式#

3.1 安装依赖#

3.2 安装 BMv2#

3.3 安装 p4c#

3.4 验证安装#

四、跑通第一个 P4 程序#

4.1 获取官方示例#

4.2 认识 basic.p4#

4.3 编译并运行#

4.4 验证转发#

4.5 查看流表#

五、Docker 调试技巧#

5.1 容器内网络问题#

5.2 端口映射#

5.3 保存容器状态#

六、踩坑记录#

七、今日学习总结#