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(mǎn)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(lái)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(diǎn)。

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(guò)軟件方式在中央處理器上實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)由網(wǎng)卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，傳統(tǒng)網(wǎng)卡主要實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)通用的部件，它不是專(zhuān)門(mén)針對(duì)TCP/IP協(xié)議處理而設(shè)計(jì)，因而它處理協(xié)議的能力不強(qiáng)。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(fèi)存儲(chǔ)空間和大量的功耗。同時(shí)，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(gè)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(guò)處理器速度的增長(zhǎng)，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(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和速度的飛速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的通過(guò)軟件進(jìn)行TCP/IP協(xié)議處理的方式已經(jīng)越來(lái)越成為高性能網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的瓶頸。

三、 ToE的處理流程

    ToE(TCP/IP Offload Engine)是一門(mén)使用硬件代替軟件來(lái)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(lái)，提高了網(wǎng)絡(luò)性能；同時(shí)也為沒(méi)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。

四、 ToE的實(shí)現(xiàn)

    本設(shè)計(jì)主要通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議傳輸機(jī)制，支持TCP/IP的建立、釋放握手機(jī)制；同時(shí)支持TCP的超時(shí)重傳、慢開(kāi)始、快重傳的機(jī)制。實(shí)現(xiàn)將TCP/IP協(xié)議完全卸載到硬件實(shí)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(shí)提升TCP/IP數(shù)據(jù)的處理效率。
    在ToE的功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，本設(shè)計(jì)基于FPGA實(shí)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(shí)現(xiàn)。具體的ToE功能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。     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(jī)制，并維護(hù)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(yàn)和校驗(yàn)、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(yàn)和、添加MAC頭、發(fā)送窗口控制、超時(shí)重傳控制、慢開(kāi)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(guò)測(cè)試本設(shè)計(jì)的在1G接口的處理速率可以達(dá)960Mbps，10G接口的速率可達(dá)9Gbps。