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ToE解決方案

一、 概述

    TCP/IP協(xié)議已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最基本的協(xié)議。傳統(tǒng)方式下,TCP/IP協(xié)議由中央處理器、微處理器以軟件的形式處理。然而,隨著以太網(wǎng)速率從1000Mbits/s提高到10Gbits/s再到40Gbits/s、100Gbits/s,CPU已經(jīng)很難滿足TCP/IP協(xié)議處理的需要了。因此,為了減輕CPU的協(xié)議處理負(fù)擔(dān),TCP/IP協(xié)議處理技術(shù)顯得越來越重要。其中,TCP/IP卸載引擎(TCP/IP Offload Engine,ToE)技術(shù)成為研究的熱點。

二、 傳統(tǒng)TCP的處理

    在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)環(huán)境中,TCP/IP協(xié)議的處理都是通過軟件方式在中央處理器上實現(xiàn)。如圖1所示,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)由網(wǎng)卡進入計算機系統(tǒng),傳統(tǒng)網(wǎng)卡主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,然后將口數(shù)據(jù)包交付CPU操作系統(tǒng) ,CPU操作系統(tǒng)首先對數(shù)據(jù)進行TCP/IP協(xié)議處理,最后將數(shù)據(jù)交付應(yīng)用程序。由于CPU是一個通用的部件,它不是專門針對TCP/IP協(xié)議處理而設(shè)計,因而它處理協(xié)議的能力不強。在吉比特網(wǎng)絡(luò)中,如果TCP/IP協(xié)議處理仍在CPU中執(zhí)行,不但協(xié)議處理的效率不高,而且占用大量的CPU資源,浪費存儲空間和大量的功耗。同時,還使其它的應(yīng)用程序得不到充分的CPU資源,從而影響整個系統(tǒng)性能,導(dǎo)致高速的帶寬資源得不到充分的利用。由于網(wǎng)絡(luò)帶寬增加的速度遠(yuǎn)超過處理器速度的增長,在今后網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的瓶頸不再是帶寬資源,而是處理器的速度面對網(wǎng)絡(luò)帶寬和速度的飛速增長,傳統(tǒng)的通過軟件進行TCP/IP協(xié)議處理的方式已經(jīng)越來越成為高性能網(wǎng)絡(luò)計算的瓶頸。
圖 1 TSN 整體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖
圖 1 網(wǎng)絡(luò)處理的傳統(tǒng)處理流程

三、 ToE的處理流程

    ToE(TCP/IP Offload Engine)是一門使用硬件代替軟件來處理TCP/IP協(xié)議的技術(shù),從而將系統(tǒng)微處理器從TCP/IP協(xié)議處理負(fù)擔(dān)中解放出來,提高了網(wǎng)絡(luò)性能;同時也為沒有TCP/IP協(xié)議處理能力的系統(tǒng)提供了一種解決方案。傳統(tǒng)方式下,TCP/IP協(xié)議由操作系統(tǒng)處理,ToE技術(shù)將TCP/lP協(xié)議的處理分離到網(wǎng)卡,如圖2所示。
圖 1 TSN 整體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖
圖2ToE處理方式與傳統(tǒng)處理方式對比

四、 ToE的實現(xiàn)

    本設(shè)計主要通過硬件實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議傳輸機制,支持TCP/IP的建立、釋放握手機制;同時支持TCP的超時重傳、慢開始、快重傳的機制。實現(xiàn)將TCP/IP協(xié)議完全卸載到硬件實現(xiàn),軟件負(fù)責(zé)一些狀態(tài)的管理及配置任務(wù),大大減軟的軟件的任務(wù)量同時提升TCP/IP數(shù)據(jù)的處理效率。
    在ToE的功能實現(xiàn)時,本設(shè)計基于FPGA實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)接口卡功能,除此之外基于FPGA還可以后期添加交換、QoS、安全等功能,從而支持更加靈活的功能實現(xiàn)。具體的ToE功能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖 2 端口調(diào)度實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖
圖3 ToE實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖
    主要由接收側(cè)處理模塊RX,發(fā)送側(cè)處理模塊TX和連接控制模塊CC組成,三部分的邏輯關(guān)系如3圖所示。
    CC模塊主要完成是TCP/IP流的狀態(tài)管理,主要負(fù)責(zé)連接及釋放的握手機制,并維護建立連接的TCP/IP流狀態(tài)表。
    RX模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收處理,包括TCP/IP的頭部校驗和校驗、去MAC頭以及接收緩存管理以及接收數(shù)據(jù)的窗口管理等操作。
    TX模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送數(shù)據(jù),包括添加TCP/IP的頭部校驗和、添加MAC頭、發(fā)送窗口控制、超時重傳控制、慢開始、快重傳控制以及數(shù)據(jù)輸出緩存管理及數(shù)據(jù)分段的管理等。
    通過測試本設(shè)計的在1G接口的處理速率可以達960Mbps,10G接口的速率可達9Gbps。
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