ホワイトボックス・スイッチを用いた
In-Network Computing
トヨタ自動車株式会社
コネクティッド先行開発部 InfoTech DCインフラG
プリンシパル・リサーチャー 海老澤 健太郎
2020年11月9日
MPLS Japan 2020

ホワイトボックス・スイッチが広げる 「ネットワークの可能性」
データプレーン プログラミング 「P4の動向」「In-Network Computing の研究動向」
ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」

ホワイトボックス・スイッチを用いた In-Network Computing | Kentaro Ebisawa (TOYOTA)MPLS Japan 2020

ホワイトボックス・スイッチが広げる 「ネットワークの可能性」
データプレーン プログラミング 「P4の動向」「In-Network Computing の研究動向」
ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」

ホワイトボックス・スイッチを用いた In-Network Computing | Kentaro Ebisawa (TOYOTA)MPLS Japan 2020

ホワイトボックス・スイッチが広げる 「ネットワークの可能性」

ホワイトボックス・スイッチ ユースケース分類
分類

Switching / Routing

Network Functions

Computation

機能例

Layer 2 / Layer 3 Switch
Packet Transponder

CGN, Load Balancer, DDoS, INT,
Service Chaining, Packet Broker

Data Base (KVS), Aggregation,
Consensus, Calculation

（商用）

（商用）

ArcOS (Arrcus)
Cumulus(NVIDIA)OcNOS (IP Infusion)

NoviFlow
Kulcloud（オープンソース）（オープンソース）

SONiC
RARE

Transparent Security (CableLabs)(Router for Academia Research & Education)

論文の参照実装

実装例

論文の参照実装前半
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ホワイトボックス・スイッチが広げる 「ネットワークの可能性」

ホワイトボックス・スイッチ ユースケース分類
分類

Switching / Routing

Network Functions

Computation

機能例

Layer 2 / Layer 3 Switch
Packet Transponder

CGN, Load Balancer, DDoS, INT,
Service Chaining, Packet Broker

Data Base (KVS), Aggregation,
Consensus, Calculation

（商用）

（商用）

ArcOS (Arrcus)
Cumulus(NVIDIA)OcNOS (IP Infusion)

NoviFlow
Kulcloud（オープンソース）（オープンソース）

SONiC
RARE

Transparent Security (CableLabs)(Router for Academia Research & Education)

論文の参照実装

実装例

論文の参照実装

ネットワークの新しい可能性ホワイトボックス・スイッチを用いた In-Network Computing | Kentaro Ebisawa (TOYOTA)MPLS Japan 2020

ホワイトボックス・スイッチが広げる 「ネットワークの可能性」
データプレーン プログラミング 「P4の動向」「In-Network Computing の研究動向」
ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」

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データプレーン プログラミング 「P4の動向」 （プラットフォーム）

Tofino ASIC 搭載スイッチ （ODM / White Box Switch）• Accton/Edgecore https://www.edge-core.com/• Delta Networks, Inc./DNI http://www.dninetworks.com/• Foxconn/UfiSpace https://www.ufispace.com/• Interface Masters Technologies https://interfacemasters.com/• Inventec Corporation https://www.inventec.com/• STORDIS GmbH https://stordis.com/• NETBERG https://netbergtw.com/

Tofino ASIC（ODM / White Box Switch）
は浸透済み（変化無し）

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データプレーン プログラミング 「P4の動向」 （プラットフォーム）

Cisco Silicon One ... Router ASIC with P4 support
https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/service-provider/innovation/silicon-one.html

どうすればP4を試せるのか？
詳細求む！
https://blogs.cisco.com/sp/cisco-8000-series-powering-the-internet-for-the-future
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データプレーン プログラミング 「P4の動向」 （プラットフォーム）

Netcope P4 Compiler => Intel P4 Compiler for FPGA
2020年6月に Netcope からインテルが P4 Compiler を部門買収

https://www.intel.com/content/www/us/en/programmable/products/boards_and_kits/dev-kits/altera/intel-fpga-pac-n3000/overview.html

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データプレーン プログラミング 「P4の動向」 （プラットフォーム）

Pensando ... P4 + ARM on SmartNIC
P4 + ARM Core による分散処理への P4 の活用
Distributed Services Card (DSC)

https://p4.org/p4/pensando-joins-p4.html
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データプレーン プログラミング 「P4の動向」 （プラットフォーム）

NVIDIA (Mellanox) BlueField-2 DPU
https://www.nvidia.com/en-us/networking/products/data-processing-unit/

P4 Support !?
（SmartNIC）

https://www.nvidia.com/content/dam/en-zz/Solutions/Data-Center/documents/datasheet-nvidia-bluefield-2-dpu.pdf

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データプレーン プログラミング 「P4の動向」 （言語仕様と標準化動向）

p4.org （本家） Updates• 運営体制の変更• Technical Steering Team (TST) の交代• P4 Advisory Board の新設• P4言語と関連仕様： https://p4.org/specs/• （P4 Language and Related Specifications）• P4言語 ： P4_16 v1.2.0 (2019/10/30), v1.2.1 (2020/07/11)• P4Runtime ： v1.2 release (2020/07/13)• In-Band Network Telemetry (INT) ： ｖ2.1 (2020/06/15)• Telemetry Report Format ： v2.0 (2020/06/15)

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データプレーン プログラミング 「P4の動向」 （言語仕様と標準化動向）

https://p4.org/p4/tst-elections.html

P4 TST 2020 - 2021

P4 Advisory Board （新設）

P4 Technical Steering Team

Andy Fingerhut (new)Nate Foster
Stefan Heule (new)Larry Peterson (ex-officio)
Robert Soule (new)Amin Vahdat

Nate Foster
Nick McKeown
Guru Parulkar
Jen Rexford
Amin Vahdat

若返り？によりさらに活性化
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データプレーン プログラミング 「P4の動向」 （言語仕様と標準化動向）

P4_16 v1.2.0 解説BLOG： https://p4.org/p4/p4-16-v1.2.0/

https://p4.org/p4-spec/docs/P4-16-v1.2.1.html#sec-revision-history
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データプレーン プログラミング 「P4の動向」 （言語仕様と標準化動向）

P4Runtime v1.2 解説BLOG： https://p4.org/p4/p4runtime-v1.2-release.html

https://p4.org/p4runtime/spec/v1.2.0/P4Runtime-Spec.html#sec-revision-history

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データプレーン プログラミング 「P4の動向」 （言語仕様と標準化動向）

https://github.com/p4lang/p4-applications/blob/master/docs/INT_v2_1.pdf

https://github.com/p4lang/p4-applications/blob/master/docs/telemetry_report_v2_0.pdf

INT-XD: Each node exports metadata

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データプレーン プログラミング 「P4の動向」 （言語仕様と標準化動向）

Telemetry Report Format Specification Version 2.0
https://github.com/p4lang/p4-applications/blob/master/docs/telemetry_report_v2_0.pdf

INT-MX: Embed only Instructions in the pkt

INT-MD: Embed Instructions & Metadata in the pkt

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データプレーン プログラミング 「P4の動向」 （商用での活用）

Kaloom ... 5G UPF に P4 を活用 （モバイル）

https://www.kaloom.com/blog/kalooms-startup-journey-2

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データプレーン プログラミング 「P4の動向」 （商用での活用）

Bell Canada / NoviFlow ... Service Chaining (SRv6) using Tofino (P4)Powered by NoviFlow CyberMapper

https://www.youtube.com/watch?v=035VgMt-9b0

LAYWER123 World Congress 2020
“Service programming with SRv6 - NoviFlow/Bell Canada”
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ホワイトボックス・スイッチが広げる 「ネットワークの可能性」
データプレーン プログラミング 「P4の動向」「In-Network Computing の研究動向」
ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」

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「In-Network Computing の研究動向」「パケット転送」以外のユースケースへの適用
Key-value store
NetCache : Balancing Key-Value Stores with Fast
In-Network Caching Key-value stores power
online services.
Jin, Xin; Li, Xiaozhou; Zhang, Haoyu; Soule, Robert; Lee, Jeongkeun; Foster, Nate; Kim, Changhoon; Stoica, I.
(2017). Sosp, (Figure 1), 121?136. https://doi.org/10.1145/3132747.3132764

Map Reduce

コンセンサス（合意）Paxos Made Switch-y.
Dang, H. T., Canini, M., Pedone, F., & Soule, R. (2016).
ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 46(1), 18~24. https://doi.org/10.1145/2935634.2935638

Eris: Coordination-Free Consistent Transactions
Using In-Network Concurrency Control.
Li, J., Michael, E., K Ports, D. R., & K, D. R. (2017).
Sosp. https://doi.org/10.1145/3132747.3132751

NetPaxos: Consensus at Network Speed.

Network Map Reduce.
Song, H., Gong, J., & Chen, H. (2016).
Retrieved from http://arxiv.org/abs/1609.02982

Dang, H. T., Sciascia, D., Canini, M., Pedone, F., & Soule, R. (2015).
Proceedings of the 1st ACM Sigcomm Symposium on SDN Research (SOSR), 5:1--5:7.
https://doi.org/10.1145/2774993.2774999

DAIET ... Data Aggregation In nETwork

NetChain: Scale-Free Sub-RTT Coordination.

https://sands.kaust.edu.sa/daiet/
Poster: Amedeo Sapio, Ibrahim Abdelaziz, Marco Canini and Panos Kalnis.
“DAIET: A System for Data Aggregation Inside the Network.”
In ACM Symposium on Cloud Computing 2017, Santa Clara, California, USA.

Nsdi, 35~49. Retrieved from http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=3132747.3132761

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「In-Network Computing の研究動向」

様々なTargetに対する P4C Backend の開発• p4ubpf: p4c-ubpf: a New Back-end for the P4 Compiler June 1, 2020
• https://p4.org/p4/p4c-ubpf.html
Userland BPF ... can be used in OVS• p4c-ebpf• https://github.com/p4lang/p4c/tree/master/backends/ebpf• p4c-xdp: (by VMware)• https://github.com/vmware/p4c-xdp• https://qiita.com/hibitomo/items/3ed846beb2e504f0ffb6• DPDK (Multi Target P4C)
• http://p4.elte.hu/• https://github.com/P4ELTE/t4p4s

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「In-Network Computing の研究動向」

P4関連論文紹介 パケット転送・オフロード （2019～2020）• Luo, S., Yu, H., Li, K., & Xing, H. (2020). Efficient File Dissemination in Data Center Networks With Priority-Based
Adaptive Multicast. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 38(6), 1161–1175.
https://doi.org/10.1109/JSAC.2020.2986616• Zhang, K. (2020). Gallium : Automated Software Middlebox Offloading to Programmable Switches. Sigcomm’20, 283–
295.
• Kim, D., Kim, C., & Lee, J. (2020). TEA : Enabling State-Intensive Network Functions on Programmable Switches. 90–106.
https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3387514.3405855• Zhou, D. (2019). Data Structure Engineering for High Performance Software Packet Processing. CMU PHD Thesis.
https://www.cs.cmu.edu/~dongz/proposal.pdf• Zhang, C., Bi, J., Zhou, Y., & Wu, J. (2019). HyperVDP: High-Performance Virtualization of the Programmable Data Plane.
IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 37(3), 556–569. https://doi.org/10.1109/JSAC.2019.2894308• Kundel, R., Nobach, L., Blendin, J., Kolbe, H.-J., Schyguda, G., Gurevich, V., Koldehofe, B., & Steinmetz, R. (2019).
P4-BNG: Central Office Network Functions on Programmable Packet Pipelines. 2019 15th International Conference on
Network and Service Management (CNSM), 1–9. https://doi.org/10.23919/CNSM46954.2019.9012666• Tokusashi, Y., Dang, H. T., Pedone, F., Soul, R., & Zilberman, N. (2019). The case for in-network computing on demand.
Proceedings of the 14th EuroSys Conference 2019. https://doi.org/10.1145/3302424.3303979

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Zhang, K. (2020). Gallium : Automated Software Middlebox Offloading to Programmable Switches. Sigcomm’20, 283–295

C++ => P4 & C++ 変換フロー

Device Code (P4)Server Code (C++)

実行時のコード配置

C++ Mifflebox Source Code をClick Router API
Annotationを元にP4 Targetで動作可能な機能をオフロードするP4 Code を生成
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Zhang, K. (2020). Gallium : Automated Software Middlebox Offloading to Programmable Switches. Sigcomm’20, 283–295ab

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Zhang, K. (2020). Gallium : Automated Software Middlebox Offloading to Programmable Switches. Sigcomm’20, 283–295

Source Code 削減割合
Output(Total)
1095
1124
909
571
989

Code
Reduction
35%
MazuNAT
28%
Load Balancer
21%
Firewall
40%
Proxy
-12%
Trojan Detector

This part added by Kentaro Ebisawa

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「In-Network Computing の研究動向」

P4関連論文紹介 P4を活用したアプリケーション （2019～2020）
In-Network Computing / ML / AI / Deep Learning （ネットワーク内でのデータ処理）• Jepsen, T., Alvarez, D., Foster, N., Kim, C., Lee, J., Moshref, M., & Soule, R. (2019). Fast String Searching on PISA.
SOSR 2019 - Proceedings of the 2019 ACM Symposium on SDN Research, 21–28.
https://doi.org/10.1145/3314148.3314356• Chen, J., & Ran, X. (2019). Deep Learning With Edge Computing: A Review. Proceedings of the IEEE, 107(8),1655–1674. https://doi.org/10.1109/JPROC.2019.2921977• Lin, L., Liao, X., Jin, H., & Li, P. (2019). Computation Offloading Toward Edge Computing. Proceedings of the IEEE,
107(8), 1584–1607. https://doi.org/10.1109/JPROC.2019.2922285• Sapio, A., Canini, M., Ho, C.-Y., Nelson, J., Kalnis, P., Kim, C., Krishnamurthy, A., Moshref, M., Ports, D. R. K., &Richtárik, P. (2019). Scaling Distributed Machine Learning with In-Network Aggregation.
http://arxiv.org/abs/1903.06701• Xiong, Z., & Zilberman, N. (2019). Do Switches Dream of Machine Learning? 25–33.
https://doi.org/10.1145/3365609.3365864• Zhu, H., Bai, Z., Li, J., Michael, E., Ports, D. R. K., Stoica, I., & Jin, X. (2019). Harmonia: Near-Linear Scalability for
Replicated Storage with in-Network Conflict Detection. Proc. VLDB Endow., 13(3), 376–389.
https://doi.org/10.14778/3368289.3368301
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Jepsen, T., Alvarez, D., Foster, N., Kim, C., Lee, J., Moshref, M., & Soule, R. (2019). Fast String Searching on PISA. SOSR 2019

Fast String Searching on PISA
• CPUで検索を実行する場合 “PCIe” 経由 ⇒ 帯域は狭く遅延は大きい（*1）• （*1） PCIe 4.0 x8 => 128Gbps• ASICで検索を実行する場合 “SERDES” 経由 ⇒ 広帯域・低遅延 （*2）• （*2） Tofino ASIC => 100Gbps x32/65 ports• パケットペイロードの状態で文字列（String）を検索する• キーワードを “決定性有限オートマトン（DFA）” 表現に変換• DFA を Match/Action Table (TCAM) を用いて実装• パケットペイロードの先頭（x bytes）を Match/Action Table で検索• 検索済み領域を省いたパケットを再循環（recirculate）して検索• （ペイロードなくなるまで継続）

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Jepsen, T., Alvarez, D., Foster, N., Kim, C., Lee, J., Moshref, M., & Soule, R. (2019). Fast String Searching on PISA. SOSR 2019

Fast String Searching on PISA

Jepsen, T., Alvarez, D., Foster, N., Kim, C., Lee, J., Moshref, M., & Soule, R. (2019). Fast String Searching on PISA.
SOSR 2019 - Proceedings of the 2019 ACM Symposium on SDN Research, 21–28. https://doi.org/10.1145/3314148.3314356
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ホワイトボックス・スイッチが広げる 「ネットワークの可能性」
データプレーン プログラミング 「P4の動向」「In-Network Computing の研究動向」
ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」

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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」

Network Function / Computation の実装
Routing
Daemon

CLI / API

FIB
mngmnt

MAC
Learning

BMC

Management Plane
Data Plane Pipeline (P4)
ComputeNF#1「実装したいもの」 以外の必要な共通パーツが多い

PacketBroker
LAG

VLAN

ACL
Data
Base

L3 FIB
Load
Balancer

bridge

ECMP

NF#n

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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （オープンソース状況）

Intel/Barefoot Tofino ASIC 向け P4 プログラムの公開[P4-announce] Publishing Code Developed for Intel(R) Tofino
Barefoot FASTER research at barefootnetworks.com
Fri May 22 12:50:06 EDT 2020
Dear P4 Community:

2020年5月22日

I am excited to share some incredible news!
What is the announcement?

http://lists.p4.org/pipermail/p4-announce_lists.p4.org/2020/000252.html
http://lists.p4.org/pipermail/p4-discuss_lists.p4.org/2020-May/000544.html

Q: What are Intel’s longer-term plans and vision for being more open about
Tofino?
A: Intel intends to open Tofino in the long term. As it is the case withgeneral purpose CPUs, we believe that people should be able to learn about
the architecture and interfaces, teach about them and write the code
openly. This announcement is just the first step. Stay tuned!

Intel has given permission to the P4 community to openly publish the dataand control plane code written for Tofino.

Who is this for?
This is targeted towards all Tofino users, including Academia and Researchorganizations that are using Tofino to conduct networking research.

• 高速プログラマブル・イーサネット ASIC （Tofino） 用
プログラムのオープンソース公開・開発が可能に• 将来的には Intel CPU のように内部情報も公開！？

What can you do with this?
You can publish your P4 or control plane code developed for Tofino.

※ 参考：Intel SDM (Software Developer Manuals)
https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/articles/intel-sdm.html... 略 ...
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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （オープンソース状況）

RARE ... TNA based Open Source Router
https://wiki.geant.org/display/RARE/Home
L2 bridge, L3 routing, VLAN, ACL, MPLS,EVPN MPLS, VXLAN, SR-TE and more...

BMv2 TNA DPDK

Tofino Native Architecture (tna.p4)
ベースのオープンソース実装
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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （オープンソース状況）

RARE ... TNA based Open Source Router
https://wiki.geant.org/pages/viewpage.action?pageId=148093279

抽象化レイヤーにより複数のデータプレーンをサポート

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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （オープンソース状況）

Transparent Security @Cable Labs
INT & Closed Loop Automation を組み合わせた異常検知＆対応
https://github.com/cablelabs/transparent-security/

RESTful API
TNA based code:
https://github.com/cablelabs/transparent-security/blob/master/p4/aggregate/aggregate_tna.p4
https://github.com/cablelabs/transparent-security/blob/master/p4/core/core_tna.p4

RESTful API
P4Runtime
ThriftPacket with INT header
https://www.cablelabs.com/vaccinate-your-network-to-prevent-the-spread-of-ddos-attacks

Transparent Security Architecture

TNA & v1model 両方に対応
抽象化はSDN Controllerを利用
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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （オープンソース状況）

Stratum ... Open Source SDN switch agent
https://github.com/stratum/stratum

https://github.com/opencord/fabric-tofino

近日 TNA ベースのコードをリリース予定（という噂）
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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （オープンソース状況）

P4Runtime Go Client example
https://github.com/antoninbas/p4runtime-go-client

待望の？ Golang によるP4Runtimeサンプル実装

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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （オープンソース状況）

Open Network Linuxhttps://github.com/opencomputeproject/OpenNetworkLinux

http://www.opennetlinux.org/
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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （オープンソース状況）

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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （オープンソース状況）• Network Industry 共通の base OS•

DENT, SONiC, Stratum, 商用NOS等のUpstream• Yocto Project を利用したセキュアで堅牢なOS•

AGL(Automotive Grade Linux) や CGL (Carrier Grade Linux) にも利用されている• CI/CDを考慮した設計や、開発者向けのドキュメントを豊富に用意
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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （オープンソース状況）

Network Grade Linux をサポートするメンバー企業を募集しています！
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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （コミュニティ状況）

日本 P4 ユーザ会 （2020）2020年10月22日

166人 （オンライン）
https://p4users.org/p4usersjp2020/
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https://p4users.org/p4usersjp2020/
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https://p4users.org/p4usersjp2020/
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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （コミュニティ状況）

https://p4users.org/

https://p4users-jp.slack.com/

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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （コミュニティ状況）

9月28日～10月30日｜全10回｜P4の基本 ～ Tofino Native Architecture 詳細
https://www.barefootnetworks.com/barefoot-academy/

Online Hands On

講義＆質疑応答（約40名参加・日本から３名）

Slack で質問

データプレーンプログラミングの裾野拡大中
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ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」 （コミュニティ状況）

p4-lang.slack.com
最近の話題
P4Runtime Client (Go!)
Digest, Register Read
Const table entry
Clone Packet
ARP packet handlingTimer and Aging
ONOS
Packet Test Framework
P4_16 / P4_14 conversion
Workshop and Events
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ホワイトボックス・スイッチが広げる 「ネットワークの可能性」
データプレーン プログラミング 「P4の動向」「In-Network Computing の研究動向」
ホワイトボックス・スイッチ 「今後への期待」
実現できる 「アーキテクチャ」 や 「ユースケース」 は無限大！
ホワイトボックス・スイッチの新しい可能性を探り実装していきましょう

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