TCP-IP協(xié)議棧卸載及硬件加速技術(shù)的研究.pdf

1、社會(huì)的需求和技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸速度的飛速發(fā)展。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入Gbit或者更高速度傳輸時(shí)，提高TCP/IP協(xié)議性能的主要任務(wù)已經(jīng)從網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到主機(jī)CPU上，傳統(tǒng)的基于軟件進(jìn)行TCP/IP協(xié)議處理的方式成為高性能網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠款i，這對(duì)服務(wù)器、路由器、防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能提高帶來了很大的負(fù)面影響。
　　 為提高性能，國內(nèi)外一些科研機(jī)構(gòu)及相關(guān)領(lǐng)域的跨國公司對(duì)TCP/IP協(xié)議棧的加速技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。通過分析協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)過程，得

2、出數(shù)據(jù)復(fù)制、協(xié)議解析和中斷處理等三個(gè)因素是占據(jù)主機(jī)CPU的主要開銷的結(jié)論。圍繞這三個(gè)方面，本文對(duì)國內(nèi)外相關(guān)研究的各種成果，進(jìn)行了評(píng)述和系統(tǒng)分析。
　　 在綜述的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)行了TCP/IP協(xié)議卸載及硬件加速技術(shù)的研究，針對(duì)開源Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于TOE-Linux體系結(jié)構(gòu)的整體加速方案?；舅枷胧抢糜布幚硭俣瓤斓奶匦?，將協(xié)議處理過程放到FPGA等硬件處理單元（為了便于實(shí)驗(yàn)和調(diào)試）上完成，分擔(dān)服務(wù)器CPU對(duì)TC

3、P/IP協(xié)議棧的處理任務(wù)。同時(shí)，采用多種加速技術(shù)復(fù)用的技術(shù)思路，綜合運(yùn)用軟硬件實(shí)現(xiàn)協(xié)議技術(shù)、零拷貝技術(shù)和減少中斷技術(shù)，從而將服務(wù)器的CPU解放出來，提高CPU的工作效率，從解決瓶頸的角度使高速網(wǎng)絡(luò)的整體傳輸性能大幅提高。
　　 在對(duì)Linux系統(tǒng)內(nèi)核協(xié)議棧整體流程和可加載內(nèi)核模塊機(jī)制(LKM)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，給出了一種改進(jìn)的、以Linux系統(tǒng)內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)榛A(chǔ)的零拷貝原理及其實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與功能

4、進(jìn)行了具體研究，并對(duì)零拷貝技術(shù)從原理到實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入的分析。詳細(xì)描述了驅(qū)動(dòng)程序模塊和零拷貝技術(shù)實(shí)現(xiàn)程序的設(shè)計(jì)過程。在設(shè)計(jì)中，將零拷貝技術(shù)的實(shí)現(xiàn)劃分為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)存到內(nèi)核內(nèi)存映射和內(nèi)核內(nèi)存到應(yīng)用程序內(nèi)存映射兩部分，并在編寫Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，通過proc文件系統(tǒng)和mmap函數(shù)，完成了內(nèi)核內(nèi)存到應(yīng)用程序內(nèi)存映射的實(shí)現(xiàn)，完成的軟件模塊不但可以替代普通網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，還可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)核內(nèi)存的映射、輸出。同時(shí)，給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和測試方

5、法、測試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目的。
　　 對(duì)Linux操作系統(tǒng)中的TCP/IP協(xié)議棧的卸載方法展開了研究。針對(duì)Linux操作系統(tǒng)，定義了卸載引擎的體系結(jié)構(gòu)，討論了卸載引擎與服務(wù)器操作系統(tǒng)連接接口的解決辦法，提出了使用卸載支持模塊來完成兩者之間連接的實(shí)現(xiàn)策略。根據(jù)所提出的策略，對(duì)Linux系統(tǒng)內(nèi)核協(xié)議棧進(jìn)行了分析和修改；利用LKM機(jī)制對(duì)卸載支持模塊進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。測試證明卸載支持模塊可以成功地屏蔽原來的Linux內(nèi)核協(xié)議棧，使INETSo

6、cket層與驅(qū)動(dòng)程序之間可以直接交互。
　　 最后，完成支持TCP/IP協(xié)議棧卸載、硬件實(shí)現(xiàn)協(xié)議、多種加速技術(shù)復(fù)用的新型網(wǎng)卡的總體設(shè)計(jì)方案，并且就協(xié)議棧的設(shè)計(jì)以及硬件實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究。利用VHDL語言、FPGA和Xilinx公司的ML403開發(fā)板，對(duì)協(xié)議棧的幾個(gè)主要模塊進(jìn)行了狀態(tài)和硬件描述，對(duì)部分模塊進(jìn)行了功能仿真，最終形成了一種新的加速網(wǎng)卡的總體技術(shù)原型。
　　 測試和功能仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：這種智能的TOE網(wǎng)絡(luò)接口