面向时间敏感网络流量生成的PIPO-TG

论文标题：Towards Time-Sensitive Networking Traffic Generation with PIPO-TG

中文标题：面向时间敏感网络流量生成的PIPO-TG

作者信息：

• Filipo Gabert Costa, Francisco Germano Vogt, Fabricio Rodriguez - 坎皮纳斯州立大学（UNICAMP）
• Marcelo Luizelli - 帕玛联邦大学（Unipampa）
• Christian Esteve Rothenberg - 坎皮纳斯州立大学（UNICAMP）

论文出处：该论文由UNICAMP和Unipampa的研究人员撰写，具体的发表信息未在文档中提供。

摘要： 本文讨论了在现代网络环境中，为了评估网络性能、安全性和效率，进行现实流量模拟的重要性。现有的解决方案难以同时满足高性能、可扩展性、精确性、灵活性和成本效益的需求。PIPO-TG作为一种基于Tofino的流量生成器，旨在克服这些限制，为高性能参数化流量实验提供支持。研究者扩展了PIPO-TG的功能，以支持纳秒级延迟分布的更具挑战性场景，通过复制商业TSN桥中测量的时间敏感网络（TSN）延迟迹线，展示了PIPO-TG的灵活性、准确性和性能，使其成为网络研究和实验中网络测试的理想工具。

1. 引言： 适当的流量生成对于评估网络性能、效率和安全性至关重要。随着可编程网络的进展，这些工具能够控制生成现实流量并模拟真实世界场景，为网络系统行为提供宝贵的见解。此外，流量生成在容量规划中发挥关键作用，支持预测和扩展网络容量以满足当前和未来的流量需求，确保网络性能的一致性。PIPO-TG是一种基于Tofino的流量生成器，能够复制各种场景，如拥塞、微突发和分布式拒绝服务（DDoS）攻击。本文中，研究者介绍了PIPO-TG的新功能，以支持更具挑战性的场景，并使用DETERMINISTIC6G项目共享的真实延迟迹线，展示了硬件基础的PIPO-TG能够复制这些极低延迟的场景。

2. 相关工作： 本节讨论了主要关注流量生成器的相关研究。现有的努力分为基于软件和基于硬件两种实现方式。传统的开源软件工具如Iperf3、Netperf、Netcat和Httperf通常用于带宽测量，支持多种协议和流量生成与测量模式。然而，它们的准确性通常不可靠，难以在不同场景中复制测试。更具体的解决方案如TRex和MoonGen，提供了高速性能测试场景的理想选择。此外，一些流量生成器采用了Tofino交换机，如HyperTester和P4TG，它们结合了软件和硬件进行流量复制，展示了高性能和精确的速率控制。

3. PIPO-TG: 参数化高性能流量生成： PIPO-TG是一个强大的流量生成解决方案，利用Tofino的流量生成能力与Python和P4处理相结合，实现每端口高达100 Gbps的速度，所有这些都可以根据用户偏好进行定制。该工具提供了类似于Scapy的用户友好脚本接口，允许用户定义复杂的流量模式，包括协议、数据包大小分布和吞吐量参数。此外，PIPO-TG支持并发执行额外的P4代码，使得在单个P4交换机上进行综合测试场景成为可能，而无需外部服务器进行流量生成。

3.1 架构： PIPO-TG的架构提供了模块、组件及其连接的概览。PIPO-TG接收流量模式定义和用户提供的P4代码，用户通过编写简单的Python脚本来定义生成的流量，包括输出端口、吞吐量、常见或自定义协议等配置参数。预处理模块负责解析、分析和准备输入数据以供进一步处理，确保用户定义的流量符合Tofino的限制。处理模块利用配置的数据结构执行必要的操作，生成必要的配置文件。生成的文件包括PIPO-TG P4代码和Python脚本，用于添加必要的表项以激活流量生成器、配置计量器和定义所需的数据包流。执行模块协调PIPO-TG的执行，包括P4代码编译、交换机初始化、端口配置、添加表项和启动流量生成。

3.2 主要特点： PIPO-TG提供了一些特点和功能，允许用户生成不同类型的流量并模拟现实网络场景。它能够生成基本的以太网数据包，用户可以指定期望的流量传输速率，支持常见的协议如以太网、IP、TCP和UDP，并允许用户定义特定字段值或随机值变化。此外，PIPO-TG还支持自定义协议，用户可以创建任何自定义协议，包括字段定义和分布。用户还可以控制数据包大小，指定固定大小或所需分布。PIPO-TG还支持用户定义的P4代码，允许在PIPO-TG内执行自定义P4代码，实现生成流量的无缝接收。

4. 6G/TSN用例： 由于PIPO-TG提供的功能和参数变化的灵活性，它能够复制大量的流量场景。在这项工作中，研究者进一步扩展了PIPO-TG的流量生成能力，以支持一个新的用例：6G/TSN网络中的延迟分布。TSN是一套旨在以太网网络上实现确定性通信的标准集，它通过同步设备和保证可靠的数据传输，确保精确的时序和低延迟通信，这对于时间关键型应用（如工业自动化和汽车系统）至关重要。PIPO-TG的目标是复制DETERMINISTIC6G项目提供的真实TSN通信数据。通过开发能够在商业可编程交换机（如Tofino）上复制这种流量模式的工具，研究者希望能够鼓励该领域的更多研究。为此，他们更新了PIPO-TG，使其能够理解DETERMINISTIC6G测量生成的直方图，并根据直方图定义的模式复制流量。

4.1 场景：复制时间敏感网络延迟： 研究者寻求复制由DETERMINISTIC6G项目测量和提供的真实TSN通信数据。DETERMINISTIC6G项目旨在解决6G带来的端到端确定性通信的新挑战，该项目旨在开发一种新的6G系统架构，提供可预测的性能，并将其与TSN和DetNet端到端集成，从而弥合有线确定性通信标准与当前无线网络基础设施之间的差距。

4.2 实验： 实验设置包括使用Tofino交换机（Edgecore Wedge 100BF-32X）和一台服务器（配置有Intel Xeon E5-2620v2、双端口10G Intel X540-AT2 NIC和64GB内存，运行Ubuntu 20.04），通过10G SFP+接口连接。实验方法涉及评估PIPO-TG生成的期望和实际延迟的准确性，范围从100纳秒到100万纳秒。实验结果显示，较小的值和增量显示出期望和生成延迟之间的较大差异，而较大的值则显示出更接近的结果。对于较小的延迟变化，PIPO-TG在生成接近理想值的延迟方面存在困难，但对于稍高的值，它能够生成非常接近理想的值。

5. 文档、代码和演示： PIPO-TG是一个开源项目，可在GitHub上找到。该项目正在进行中，功能更新频繁，可能存在bug修复。项目也欢迎贡献者提供想法、bug报告甚至新功能。文档提供了所有流量生成特性的完整使用说明，包括数据包特性和延迟分布。此外，还提供了一个视频教程，展示了不同流量模式下流量生成器的配置和执行。视频可在Google Drive上找到。

演示将重点展示第4节中描述的用例，展示PIPO-TG在高保真度复制TSN场景方面的潜力。参与者将能够观察PIPO-TG在其他场景中的应用，提出不同的流量模式，并利用PIPO-TG提供的灵活性。

6. 结论： 本文展示了基于Tofino的开源PIPO-TG流量生成器的高级功能。通过一个新的用例：复制不同的TSN延迟分布和创建纳秒级延迟的数据包，展示了PIPO-TG的改进能力和效率。PIPO-TG的未来计划包括支持有状态连接（例如TCP、QUIC）和开发监控工具。