基于FPGA的TCP粘合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　為完成數(shù)據(jù)包的映射，該部分需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：ACK序列號轉(zhuǎn)換和雙方轉(zhuǎn)換信息的存儲。

　　在TCP粘合過程中，由于TCP粘合系統(tǒng)送給客戶端的ACK序列號和后端服務(wù)器送給客戶端的ACK序列號不相同，因此要進(jìn)行ACK序列號的轉(zhuǎn)換，同時(shí)要重新計(jì)算數(shù)據(jù)包的TCP/IP校驗(yàn)和。

　　現(xiàn)假設(shè)客戶端發(fā)送了請求連接的SYN數(shù)據(jù)包，而客戶端返回給客戶端的SYN序列號為地址管理單元分配給該連接的地址A0，而當(dāng)系統(tǒng)和服務(wù)器建立鏈接時(shí)服務(wù)器端返回的SYN序列號為A1，則根據(jù)這兩個(gè)序列號可計(jì)算差值A(chǔ)為：A=A0-A1。

　　以后通信的過程中，只要將服務(wù)器發(fā)送給系統(tǒng)的序列號加上A就能夠轉(zhuǎn)換成為系統(tǒng)送給客戶端的序列號，這樣就完成了服務(wù)器端向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，反之就可以完成客戶端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

　　對于數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)和轉(zhuǎn)換而言，由于校驗(yàn)和本質(zhì)上是加法運(yùn)算，所以只需要在原來的校驗(yàn)和基礎(chǔ)上加上序列號之差(或減去一個(gè)差值)即可完成校驗(yàn)和的轉(zhuǎn)換。

　　在同一個(gè)通信過程中，ACK序列號轉(zhuǎn)換、校驗(yàn)和的轉(zhuǎn)換、發(fā)起連接的SYN、GET數(shù)據(jù)包和定時(shí)器標(biāo)志位等信息都需要存儲，由于每個(gè)數(shù)據(jù)流需要存儲的內(nèi)容較多，單一的地址已經(jīng)無法滿足存儲要求。此處存儲管理采用頁面式的管理方式。將整個(gè)存儲空間分為若干頁面，每個(gè)數(shù)據(jù)流信息存入一個(gè)頁面中。SSRAM的存儲格式如圖5所示。

　　3 性能分析

　　該架構(gòu)已在試驗(yàn)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，接收端為兩個(gè)GE口。相對于采用TCP粘合的應(yīng)用代理服務(wù)器來說(其中代理服務(wù)器CPU Pentium IV 2GHz)，具體的性能對比如表1所示。

　　從上表可以看出在最大連接數(shù)方面，在本系統(tǒng)中采用一個(gè)18Mbit的CAM，它能夠提供的最大地址空間為288K×144bit，只能支持288K的連接數(shù)。對于服務(wù)器的最大連接數(shù)來說，SYN和GET數(shù)據(jù)包需要經(jīng)過軟件協(xié)議解析。因此當(dāng)最大連接數(shù)達(dá)到582K時(shí)CPU的利用率將達(dá)到90%以上[3]，無法再處理新的連接。從上述分析中可以看出，由于受硬件資源的限制，硬件系統(tǒng)可以支持的最大連接數(shù)小于代理服務(wù)器。但是在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，一個(gè)HTTP連接持續(xù)的時(shí)間一般為幾百個(gè)毫秒，在硬件系統(tǒng)達(dá)到每秒21K的連接數(shù)時(shí)，能夠承受的一個(gè)HTTP最大持續(xù)時(shí)間為13秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際HTTP連接的持續(xù)時(shí)間，因此硬件系統(tǒng)支持的最大連接數(shù)是夠用的。當(dāng)代理服務(wù)器采用千兆網(wǎng)卡來接收數(shù)據(jù)時(shí)，由于數(shù)據(jù)需要經(jīng)過上層協(xié)議解析，因此實(shí)際能夠接收的數(shù)據(jù)量只能夠達(dá)到300Mbps。假設(shè)每次平均請求512B，則代理服務(wù)器能夠支持的最大每秒連接數(shù)大約為7K;而當(dāng)硬件系統(tǒng)工作在133MHz，內(nèi)部采用32bit總線傳輸時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的帶寬達(dá)到4Gbit，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部采用流水線方式，能夠線速處理1Gbps數(shù)據(jù)的接收，假設(shè)平均每次請求512B，則硬件系統(tǒng)能夠處理的每秒最大連接數(shù)達(dá)到21K，因此在單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的連接數(shù)量會高于代理服務(wù)器。

　　隨著HTTP訪問量的不斷增大，對于訪問數(shù)據(jù)包的分流粒度要求越來越細(xì)。本文提出的基于硬件實(shí)現(xiàn)的TCP粘合系統(tǒng)，在TCP粘合技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用硬件的高速處理特性，可以達(dá)到2個(gè)GE口收發(fā)(2Gbps)的線速處理性能。同時(shí)能夠較好地基于內(nèi)容來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)流，從而避免了后端服務(wù)器數(shù)據(jù)的重新分發(fā)。