一(yī)、 概述

    TCP/IP協議已經成為(wèi)互聯網應用最基本的協議。傳統方式下(xià)，TCP/IP協議由中央處理器(qì)、微處理器(qì)以軟件(jiàn)的形式處理。然而，随著(zhe)以太網速率從(cóng)1000Mbits/s提高(gāo)到(dào)10Gbits/s再到(dào)40Gbits/s、100Gbits/s，CPU已經很難滿足TCP/IP協議處理的需要了。因此，為(wèi)了減輕CPU的協議處理負擔，TCP/IP協議處理技(jì)術(shù)顯得越來越重要。其中，TCP/IP卸載引擎(TCP/IP Offload Engine，ToE)技(jì)術(shù)成為(wèi)研究的熱點。

二、 傳統TCP的處理

    在傳統的以太網環境中，TCP/IP協議的處理都是通(tōng)過軟件(jiàn)方式在中央處理器(qì)上(shàng)實現。如圖1所示，網絡數據由網卡進入計算(suàn)機(jī)系統，傳統網卡主要實現網絡協議物(wù)理層和數據鏈路(lù)層功能(néng)，然後将口數據包交付CPU操作系統 ，CPU操作系統首先對數據進行TCP/IP協議處理，最後将數據交付應用程序。由于CPU是一(yī)個(gè)通(tōng)用的部件(jiàn)，它不是專門(mén)針對TCP/IP協議處理而設計，因而它處理協議的能(néng)力不強。在吉比特網絡中，如果TCP/IP協議處理仍在CPU中執行，不但協議處理的效率不高(gāo)，而且占用大量的CPU資源，浪費(fèi)存儲空間和大量的功耗。同時，還(hái)使其它的應用程序得不到(dào)充分的CPU資源，從(cóng)而影響整個(gè)系統性能(néng)，導緻高(gāo)速的帶寬資源得不到(dào)充分的利用。由于網絡帶寬增加的速度遠(yuǎn)超過處理器(qì)速度的增長(cháng)，在今後網絡應用的瓶頸不再是帶寬資源，而是處理器(qì)的速度面對網絡帶寬和速度的飛(fēi)速增長(cháng)，傳統的通(tōng)過軟件(jiàn)進行TCP/IP協議處理的方式已經越來越成為(wèi)高(gāo)性能(néng)網絡計算(suàn)的瓶頸。

三、 ToE的處理流程

    ToE(TCP/IP Offload Engine)是一(yī)門(mén)使用硬件(jiàn)代替軟件(jiàn)來處理TCP/IP協議的技(jì)術(shù)，從(cóng)而将系統微處理器(qì)從(cóng)TCP/IP協議處理負擔中解放(fàng)出來，提高(gāo)了網絡性能(néng)；同時也為(wèi)沒有TCP/IP協議處理能(néng)力的系統提供了一(yī)種解決方案。傳統方式下(xià)，TCP/IP協議由操作系統處理，ToE技(jì)術(shù)将TCP/lP協議的處理分離到(dào)網卡，如圖2所示。

四、 ToE的實現

    本設計主要通(tōng)過硬件(jiàn)實現TCP/IP協議傳輸機(jī)制，支持TCP/IP的建立、釋放(fàng)握手機(jī)制；同時支持TCP的超時重傳、慢(màn)開(kāi)始、快重傳的機(jī)制。實現将TCP/IP協議完全卸載到(dào)硬件(jiàn)實現，軟件(jiàn)負責一(yī)些狀态的管理及配置任務，大大減軟的軟件(jiàn)的任務量同時提升TCP/IP數據的處理效率。
    在ToE的功能(néng)實現時，本設計基于FPGA實現的網絡接口卡功能(néng)，除此之外基于FPGA還(hái)可以後期添加交換、QoS、安全等功能(néng)，從(cóng)而支持更加靈活的功能(néng)實現。具體的ToE功能(néng)實現結構如圖3所示。     主要由接收側處理模塊RX，發送側處理模塊TX和連接控制模塊CC組成，三部分的邏輯關系如3圖所示。
    CC模塊主要完成是TCP/IP流的狀态管理，主要負責連接及釋放(fàng)的握手機(jī)制，并維護建立連接的TCP/IP流狀态表。
    RX模塊負責數據的接收處理，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據的窗(chuāng)口管理等操作。
    TX模塊負責數據的發送數據，包括添加TCP/IP的頭部校驗和、添加MAC頭、發送窗(chuāng)口控制、超時重傳控制、慢(màn)開(kāi)始、快重傳控制以及數據輸出緩存管理及數據分段的管理等。
    通(tōng)過測試本設計的在1G接口的處理速率可以達960Mbps，10G接口的速率可達9Gbps。