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基于
FPGA
的
TOE
网卡设计与实现
赵喜全,刘兴奎,邵宗有,刘朝辉,窦晓光,赵晓芳
(中国科学院计算技术研究所,北京 100190)
摘 要:为进一步减轻 CPU 的负担,有效增加系统性能,描述一种基于 FPGA 的 TCP 减负引擎系统的设计与实现。该 TOE 网卡将部分
TCP 协议软件处理下移到 FPGA 中实现,以硬件的方法实现报文分类和 TCP 流还原等流量处理功能。实验数据表明,使用 TOE 网卡可以
大幅降低主机的 CPU 占用率。
关键词:TCP 减负引擎;硬件加速;TCP 流还原;现场可编程门阵列
Design and Implementation of TOE Network Interface Card
Based on FPGA
ZHAO Xi-quan, LIU Xing-kui, SHAO Zong-you, LIU Chao-hui, DOU Xiao-guang, ZHAO Xiao-fang
(Institute of Computing Technology, China Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
【Abstract】To alleviate the burden of CPU and improve system performance, a TCP Offload Engine(TOE) system based on Field Programmable
Gate Array(FPGA) is designed and implemented. This TOE network adaptor adopts a hardware solution to implement some TCP protocol software
dataflow processing, such as packet classification and TCP stream reassembly. Test results show that TOE network adaptor can greatly decline host’s
CPU utilization.
【Key words】TCP Offload Engine(TOE); hardware acceleration; TCP stream reassembly; Field Programmable Gate Array(FPGA)
DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2011.03.085
计 算 机 工 程
Computer Engineering
第 37 卷 第 3 期
Vol.37 No.3
2011 年 2 月
February 2011
·开发研究与设计技术·
文章编号:1000—3428(2011)03—0241—03
文献标识码:A
中图分类号:TP303
1
概述
传统的网卡通过软件处理
TCP/IP
数据流,这给系统带来
了庞大开销,系统开销主要分为
3
个方面:数据拷贝,协议
处理和中断处理
[1]
。据统计,基本上
1 Hz
的处理器最多可以
处理每秒
1 bit
数据传送所产生的负载。吉尔德定律表明,主
干网带宽的增长速度是
CPU
运算性能增长速度的
3
倍。在
10 Mb·s
-1
/100 Mb·s
-1
的速度下,多数处理器还可以处理
TCP
的负载,在
1 Gb/s
的网络环境下,已经有大部分的计算能力
被消耗在
TCP/IP
协议栈处理上,而当网速达到
10 Gb/s
时,
CPU
已经无法处理
TCP/IP
协议栈所产生的负载,出现大量
丢包现象。
为了减轻
CPU
的压力,一种称为
TCP
减负引擎
(TCP
Offload Engine, TOE)
的技术应运而生
[2]
。
TCP/IP
协议卸载的
基本思想是分担
CPU
对
TCP/IP
协议栈的处理,将协议处理
过程放到高速网卡等硬件上完成
(
包括
TCP
、
IP
、
UDP
和
ICMP
等子协议的处理
)
,即使用
FPGA
、
ASIC
等器件研制具
有
TCP/IP
协议功能的网卡,从而将主机
CPU
解放出来,既
可提高网络传输的速度,又可提高主机
CPU
的工作效率。本
文介绍的
TOE
网卡通过把软件的部分功能
(
报文分类、
TCP
流还原等
)
下移到硬件
TOE
网卡中的方法实现硬件加速。实
验证明,
TOE
网卡缓解了
CPU
处理海量网络数据的压力,主
机的
CPU
占用率大幅降低。
2
网卡的设计与实现
2.1
整体架构设计
系统的整体架构如图
1
所示。
Framer
模块负责从光信号
解析出
IP
包。方框内为
TOE
网卡实现的功能模块。设计采
用数据流与控制流分开的策略以降低设计复杂度。
IP
包的包
头
(
包括
TCP
或
UDP
包头
)
等信息主要用于控制对数据包的处
理,称为控制流;相应地,数据部分称为数据流。将数据流
与控制流分开的最大好处是功能划分清晰,简化控制流各主
要功能模块的处理。
图
1 TOE
网卡整体架构
在控制流方面,
IP
包的包头等控制流信息被包头提取模
块提取出以后先后经过报文分类、
TCP
流管理、乱序流还原
等模块分别执行报文分类、
TCP
流还原等操作;在数据流方
基金项目:国家“863”计划基金资助重大项目“一体化安全管理和
系统”(2007AA01Z467)
作者简介:赵喜全(1984-),男,硕士,主研方向:计算机系统结构;
刘兴奎,博士研究生;邵宗有,高级工程师;刘朝辉、窦晓光,
硕士;赵晓芳,高级工程师
收稿日期:2010-07-31 E-mail:zhaoxiquan@ncic.ac.cn
raywang980420
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