48|电子制作2023年1月信息工程0引言随着云计算、大数据、物联网等技术的广泛应用，数据规模呈现爆炸式增长，导致对于网络带宽、延时等性能的依赖性日益增强。网络带宽每年以2~3倍的速度增长，目前10G网络已普及到各个领域，40G/100G甚至400G网络也在数据中心等流量集中的关键领域开始大规模运用。而TCP/IP协议族作为一种网络协议标准，占据着网络协议主流标准地位，其应用最为广泛。传统的TCP/IP网络协议处理由操作系统内核完成分组转发、校验、传输控制、数据分片等流程，并且对于大数据量的网络传输，会产生频繁的I/O中断以及数据拷贝，大幅增加处理器上下文切换开销和系统总线负载[1,2]。根据Thumb定律，处理1bit网络数据需要消耗1Hz的CPU处理周期，网络带宽的快速增长必将消耗大量的处理器资源，最终导致网络IO成为系统性能瓶颈。为解决高速网络通信中，对于TCP/IP网络协议的处理导致的处理器资源过载问题，通信技术领域提出了多种网络协议优化技术，其中TOE（TCP/IPOffloadEngine，TCP/IP卸载引擎）技术[3]，通过将传统TCP/IP网络协议的处理流程由操作系统内核卸载至网卡，由网卡硬件执行协议栈处理，从根本上减轻了处理器工作负载，释放出更多的处理器资源。TOE技术的应用不仅能够降低主机处理器资源消耗，同时能够提升网络吞吐量及缩短网络延时[4]，具有TOE功能的网络设备将成为未来数据中心构建高性能、低功耗网络基础设施的首选。而基于FPGA设计实现TOE网卡兼具灵活性及成本优势，适应于数据中心网络环境。基于FPGA硬件化实现TCP/IP协议栈，需要综合考虑FPGA资源占用率、网络性能以及可支持的连接数。目前，商用TOE网卡支持的连接数在千条量级，基于FPGA的TOE网卡使用多TCP/IP协议栈实例实现多连接，支持的连接数相对更少，且资源占用率较高。此外，对于大数据块的通信传输，主机仍然需要与TOE网卡进行频繁的交互，跟踪、控制数据发送的过程，占用了大量的处理器资源、降低了数据吞吐量，对于多连接情景、大数据量传输，情况将更加严重。云计算、大数据等业务场景下，多连接，大数据量传输频繁发生，在进行TCP/IP协议卸载的同时，还需要减少主机对于数据传输的管控频次，进一步降低网络IO对于处理器资源的占用，充分释放PCIe带宽优势，从而提升网络性能。本文提出了一种基于FPGA构建TCP/IP卸载引擎的设计方法，采用数据发送通道与接收通道分离的架构，由协议共享模块统一管理连接状态及网络通信事件，控制数据收发过程，能够处理万条量级...
