10G以太网TCP/IP逻辑设计与FPGA实现

摘要

10G以太网与TCP/IP技术推动着分布式数据采集领域的快速发展，而商用10G网络接口卡局限性大，基于FPGA实现10G以太网TCP/IP已成必然趋势。受制于TCP/IP的复杂性和高数据吞吐率的处理难度，大多数应用中均采用百兆轻量级协议栈，回避了繁琐传输控制协议的设计难题。本文针对这一问题，基于FPGA实现10G以太网TCP/IP逻辑设计，达到高传输速率，同时保证了高可靠性和灵活性。
　　论文首先介绍TCP/IP协议族，在此基础上深入探究了滑动窗口、超时重传、慢启动三个关键技术，阐明了TCP可靠性的本质。针对10G以太网TCP服务端设计，本文提出了协议解析-控制-封装的设计构思:协议解析提出一种改进的IP首部校验和算法，高速解析接收到的以太网报文;协议控制采用超时和重传技术保证了TCP的可靠性，使用滑动窗口机制保持了数据块的高速流动，利用慢启动方法避免了TCP的启动拥塞;协议封装仲裁不同类型报文输出的优先级，确保报文的无冲突发送。
　　针对TCP面向连接的特殊性，本文提出将Wireshark抓包软件中TCP客户端的发送数据作为激励源的仿真方法，模拟TCP客户端行为，成功实现了对TCP服务端的全面仿真。通过自搭建10G网络测试平台，完成了ARP应答、ICMP回显应答、TCP功能的测试。通过clumsy软件人工模拟出网络不稳定的状态，成功观测到超时重传与重传恢复过程，实现了超时重传的功能测试。
　　本文最后，提出了TCP实际传输速率的测试方法，引入均值和方差的概念准确评估TCP传输速率及其稳定性。测试和统计结果表明，该10G以太网TCP/IP逻辑设计传输性能高达4000Mbps，完全满足分布式数据采集系统的应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．3 课题主要工作

1．4 论文结构

第二章 以太网TCP／IP技术

2．1 TCP／IP协议族简介

2．1．1 TCP／IP协议族分层

2．1．2 IP协议

2．1．3 ARP协议

2．1．4 ICMP回显请求／应答协议

2．1．5 TCP协议

2．2 TCP关键技术理论

2．2．1 滑动窗口协议

2．2．2 超时重传

2．2．3 慢启动算法

2．3 10G以太网物理层技术

2．3．1 光纤技术简介

2．3．2 物理层结构

2．4 本章小结

第三章 10G以太网TCP／IP逻辑设计

3．1 10G以太网TCP／IP逻辑结构设计

3．2 协议族解析

3．3 ARP应答

3．4 TCP服务端设计

3．4．1 TCP服务器状态机

3．4．2 超时重传设计

3．4．3 滑动窗口协议实现

3．4．4 慢启动算法实现

3．4．5 TCP预读取校验和算法与实现

3．4．6 TCP报文封装

3．5 仲裁设计

3．6 综合结果

3．7 本章小结

第四章 10G以太网TCP／IP设计仿真

4．1 仿真方法

4．2 ARP应答仿真

4．3 ICMP回显应答仿真

4．4 TCP功能仿真

4．4．1 TCP连接建立

4．4．2 TCP数据接收

4．4．3 TCP数据发送

4．4．4 TCP超时重传及重传恢复

4．4．5 TCP连接断开

4．5 本章小结

第五章 功能和传输性能系统测试

5．1 硬件测试平台简介

5．2 TCP／IP功能性测试

5．2．1 ARP与ICMP回显应答测试

5．2．2 TCP数据收发测试

5．2．3 TCP超时重传测试

5．3 TCP性能测试和分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文和科研成果

致谢