基于SoC的千兆以太网TCP/IP卸载引擎的研究与验证

摘要

随着互联网的飞速发展，人们对网络数据传输速率的要求越来越高，终端设备处理互联网最基本协议（即TCP/IP协议）的能力已经成为整个网络数据传输速率的瓶颈。TCP/IP卸载引擎(TCP/IP Offload Engine，TOE)是解决此问题的关键技术。传统以纯软件处理TCP/IP协议的方式占用了大量的CPU性能，使网卡处理TCP/IP协议的效率与系统的整体性能不能兼得。TOE技术采用硬件处理TCP/IP协议，以极小的硬件电路作为代价，大幅度解放CPU的资源，很大程度上提升终端设备处理网络数据的能力。 本文源于一款SoC项目中千兆以太网控制器IP核的验证，其IP核支持部分卸载功能，如长帧的分段发送，校检和的计算与对比，接收帧的帧头分裂等。本文首先对验证工作所涉及的相关协议进行介绍，包括IPv4协议、IPv6协议、ICMP协议、TCP协议和UDP协议。重点介绍各协议的各个位段和分片发送等机制，为验证所需BFM的设计与验证实施提供理论基础。 论文研究了所验证千兆以太网IP的总体结构，重点分析了其具有的DMA-MTL-MAC结构和数据收发路径。论文分析了其具有的部分卸载功能，提取基本功能点，包括分片卸载（TCP Segmentation Offload，TSO），校检和卸载（Checksum Offload Engine，COE），接收帧的头分裂卸载，层3层4过滤与状态回写卸载。依据所总结的功能点，为验证所需验证项的策划提供方向指导。 论文基于千兆以太网的基本特点，策划了面向千兆以太网基本功能的验证项；基于所总结的卸载引擎的基本功能，策划了面向卸载引擎功能的验证集。按照所策划验证项的需求，设计了PHY侧的BFM，结合已有SoC平台完成千兆以太网卸载引擎的功能仿真验证。本文的功能验证主要在Linux环境下使用NC-Sim软件进行，验证过程采用C语言和Verilog硬件描述语言进行软硬件协同进行，软件主要控制以太网模块与系统内部总线的数据交互，硬件主要负责模拟千兆以太网PHY侧的控制信息与数据流。通过链路实时监测将以太网DUT与外部交互的数据流记录在log文件中，避免了过多的看波形的工作量。验证结果表明，所测千兆以太网DUT实现了部分卸载引擎的功能，在800MHz CPU工作主频下可以实现千兆的传输速度。 本文对性能的测试由于测试方法简单，并不能精准定量，仅能定性验证千兆速率的达标情况。由于本人在公司实习结束时，还未进行FPGA等后期的验证，希望在以后的学习生活中有机会继续在这方面深造。

目录

第一个书签之前

摘要

ABSTRACT

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.2 国内外研究现状

1.2.1 学术成果

1.2.2 产品

1.3 研究内容

1.4 论文结构

第二章 TCP/IP协议

2.1.2 参考模型

2.1.3 分层实现中的复用、分解和封装

2.2 链路层协议

2.3 网络层协议

2.3.1 IPv4协议

2.3.2 IPv6协议

2.3.3 ICMP协议

2.4 传输层协议

2.4.1 TCP协议

2.4.2 UDP协议

第三章 TCP/IP卸载引擎的研究

3.1.1 DMA控制器模块

3.1.2 MAC传输层模块

3.1.3 MAC模块

3.2 千兆以太网部分卸载引擎功能分析

3.2.1 发送分段卸载

3.2.2 校检和卸载

3.2.3 接收帧的头分裂

3.2.5 回写描述符

第四章 TCP/IP卸载引擎的验证

4.2 千兆以太网基本功能验证集的规划

4.2.3 中断验证

4.2.5 MDIO接口的验证

4.3.2 校检和卸载（COE）验证

4.3.3 接收帧头分裂验证

4.3.4 层3层4过滤验证

4.4 以太网PHY功能模型的开发

4.4.1 时钟复位模块

4.4.2 PHY接口转换模块

4.4.3 TCP/IP协议帧的产生模块

4.4.4 TCP/IP协议帧的解析模块

4.4.5 MDIO接口配置

4.5 应用侧的软件驱动设计

4.6 验证结果

4.7 性能测试

4.7.2 性能测试结果

第五章 总结与展望

5.2 展望

参考文献

致谢

作者简介