高性能TCP协议处理的硬件设计与实现

摘要

如今，TCP/IP协议已经成为互联网应用最基本的协议。传统方式下，TCP/IP协议由中央处理器、微处理器以软件的形式处理。然而，随着以太网速率从10Mbits/s提高到10Gbits/s，CPU已经很难满足TCP/IP协议处理的需要了。因此，为了减轻CPU的协议处理负担，TCP/IP协议处理技术显得越来越重要。其中，TCP/IP卸载引擎(TCP/IP Offload Engine，TOE)技术成为研究的热点。
　　 本文研究了一种高性能TCP/IP卸载引擎的系统架构并用硬件实现，主要实现了传输层和网络层协议。系统主要分为三个模块:TCP协议处理模块、定时器模块、乱序报文重排模块。定时器模块负责管理TCP协议定时器;乱序重排模块利用外部存储器缓存乱序报文，实现TCP乱序报文重排功能，包括报文的乱序和重叠;TCP协议处理模块是TOE的核心模块，实现报文处理、指令处理、定时器超时处理功能，也是本文介绍的重点。设计中，为了易于查找TCP连接信息、管理连接，系统对每条TCP连接分配一个连接ID，连接ID根据四元组HASH运算得到，连接断开时，连接ID被释放。面向流管理的HASH查找技术是网络技术研究的热点，本文采用CRC算法作为HASH算法，并采用公共溢出区法解决HASH冲突。其次，TOE提供一套简单的控制接口。
　　 本设计在Altera StratixIV FPGA上实现，设计经过详细的功能仿真验证和板级验证。功能仿真分服务器端和客户端对连接建立、数据传输和连接终止进行软件验证。板级验证包括功能验证和性能验证。功能验证是指在单连接情况下对TCP连接建立、数据传输、连接终止、定时器功能、乱序报文重排功能进行板级验证，性能验证在多连接情况下验证TCP功能和系统可靠性。根据性能估计，在200MHz系统时钟下，本设计实现40Gbps的上行速率和4Gbps的下行速率。

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 论文组织

第二章 TCP／IP协议族

2．1 TCP／IP体系结构

2．1．1 TCP／IP的分层

2．1．2 TCP／IP协议组网及通信过程

2．1．3 数据的封装

2．1．4 以太网数据帧的分用

2．1．5 RFC

2．2 数据链路层

2．3 网络层协议

2．4 传输层协议

2．4．1 用户数据报协议

2．4．2 传输控制协议

2．5 应用层协议

2．6 本章小结

第三章 TOE系统架构

3．1 TOE系统模块划分

3．2 子模块功能介绍

3．2．1 报文校验模块

3．2．2 HASH查找模块

3．2．3 定时器模块

3．2．4 乱序报文重排模块

3．2．5 TCP协议处理模块

3．3 TCP协议处理模块接口定义

3．3．1 HASH查找模块与TCP协议处理模块的接口定义

3．3．2 TCP协议处理模块与定时器模块的接口定义

3．3．3 TCP协议处理模块与乱序报文重排模块的接口定义

3．4 本章小结

第四章 TCP协议处理器的设计与实现

4．1 TCP协议处理器模块划分

4．2 TCP协议处理器设计与实现

4．2．1 TCP协议裁剪

4．2．2 TCP报文处理设计

4．2．3 定时器超时处理设计

4．2．4 控制指令处理设计

4．2．5 冲裁模块

4．3 功能仿真

4．3．1 三次握手仿真

4．3．2 发送报文仿真

4．3．3 接收报文仿真

4．3．4 连接断开仿真

4．4 硬件资源使用情况

4．5 本章小结

第五章 TOE的验证与性能估计

5．1 验证方案

5．1．1 TOE验证环境

5．1．2 功能测试

5．1．3 性能测试

5．2 性能估计与设计比较

5．2．1 性能估计

5．2．2 设计比较

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文成果

6．2 进一步工作

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间发表的论文