基于FPGA的TCP粘合設(shè)計與實現(xiàn)

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作者：程文青曾鳴黃建時間：2006-12-20 來源：電子技術(shù)應(yīng)用

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傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分流一般基于三層、四層交換，不能在應(yīng)用層解析數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在后端服務(wù)器解析后還要相互重新分發(fā)，增加了服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷，為解決該問題，可以在客戶端與服務(wù)器之間采用應(yīng)用級代理服務(wù)器，利用該服務(wù)器專門對數(shù)據(jù)包進行解析分發(fā)，但是該方式下，數(shù)據(jù)要進入TCP/IP協(xié)議棧，處理速度慢，同時代理服務(wù)器還需要與客戶端、服務(wù)器雙方通信，需要處理的數(shù)據(jù)量非常大，因此在集群應(yīng)用中，特別是大規(guī)模負(fù)載平衡集群系統(tǒng)中很少使用應(yīng)用級代理。

在應(yīng)用級代理的基礎(chǔ)上，為進一步提高數(shù)據(jù)處理的速度，提出了TCP粘合技術(shù)[1]。該技術(shù)在通信雙方建立通信之處對雙方的握手信號以及通信原語進行分析，獲取必要的信息，決定數(shù)據(jù)的流向，一旦雙方開始通信，該代理就不再對數(shù)據(jù)進行分析，而僅起到了一個透明網(wǎng)關(guān)的作用，從而提高了代理的系統(tǒng)性能。

TCP粘合技術(shù)采用軟件處理方式時，由于大量數(shù)據(jù)包不需要上層解析，因此提高了系統(tǒng)性能，但是受軟件處理速度的限制，該技術(shù)能很難應(yīng)用于大規(guī)模的集群系統(tǒng)，本文提出了一種基于FPGA的TCP粘合技術(shù)的高速實現(xiàn)機制，利用硬件的高速處理特性和流水線的技術(shù)來適應(yīng)高速網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰?/P>

1 現(xiàn)存的TCP粘合技術(shù)

TCP粘合原理如下：（1）監(jiān)聽客戶端的連接請求，并在客戶端發(fā)出連接請求后（從SYN開始），建立客戶端到均衡器之間的連接（通過TCP的三次握手協(xié)議完成），（2）在隨后的請求報文中分析數(shù)據(jù)并決定真正被訪問的服務(wù)節(jié)點。（3）與服務(wù)節(jié)點建立性一個連接，將兩個連接粘合在一起（splicing）。其TCP粘合原理示意圖如圖1所示[2]。

TCP

2 TCP粘合技術(shù)的硬件實現(xiàn)

TCP粘合技術(shù)的關(guān)鍵在于，當(dāng)客戶端發(fā)起連接請求時，系統(tǒng)并不是立即將該請求發(fā)給后端服務(wù)器，而是偽裝成服務(wù)器與客戶端建立連接，取得用戶的GET數(shù)據(jù)包，通過對URL的匹配來找到信息在后端服務(wù)器的位置，然后再在客戶端與服務(wù)器之間建立連接通信。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

TCP粘合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

TCP

該系統(tǒng)中首先由客戶數(shù)據(jù)接收端對接收到的HTTP報文進行解析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包為一個發(fā)起連接的SYN數(shù)據(jù)包時，傳給地址管理單元，地址管理就為該連接分配一個地址空間，同時通過映射單元告訴客戶數(shù)據(jù)發(fā)送端與客戶端完成三次握手，建立連接。

當(dāng)客戶數(shù)據(jù)接收端收到GET數(shù)據(jù)包時，將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給字符串匹配表，該表會將信息在后端服務(wù)器的位置返回給地址管理單元，地址管理單元將該信息送給數(shù)據(jù)包映射單元，映射單元將該信息寫入相應(yīng)的SSRAM空間中，同時通知服務(wù)器發(fā)送端與后端服務(wù)器建立連接，這樣就完成了一個TCP的粘合過程。

在客戶端與服務(wù)器的通信過程中，數(shù)據(jù)包映射單元通過雙方SIP、DIP信息從SSARM中查找出對應(yīng)的替換信息，完成雙方數(shù)據(jù)包的映射。

在客戶端通信結(jié)束時，由地址管理單元對雙方使用的地址空間進行回收；同時為防止通過過程中的異常中斷，地址管理單元內(nèi)部采用了定時器機制對地址空間進行監(jiān)測，根據(jù)定時器返回結(jié)果回收過時地址，防止過時信息被查用。

2.2 設(shè)計實現(xiàn)

在該系統(tǒng)中，為完成TCP粘合并且保證TCP通信的可靠性，必須能夠正確識別接收到的數(shù)據(jù)包類型，同時由于實際網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r，在一個客戶端通信過程中可能會插入很多其他客戶端發(fā)起的新的連接請求，系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)對CAM查找返回的地址來區(qū)分不同的數(shù)據(jù)流，因此要對內(nèi)部地址空間進行有效的釋放回收，為處理網(wǎng)絡(luò)通信異常中斷而導(dǎo)致內(nèi)部地址無法回收而引入定時器機制，在數(shù)據(jù)發(fā)送部分，客戶端數(shù)據(jù)發(fā)送模塊偽裝成服務(wù)器與客戶端完成TCP三次握手協(xié)議，服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)送模塊則偽裝成客戶端與服務(wù)器完成TCP三次握手協(xié)議，雙方在通信過程中轉(zhuǎn)發(fā)對方的數(shù)據(jù)包。

2.2.1 數(shù)據(jù)收發(fā)

對于系統(tǒng)的發(fā)送接口來說，所有發(fā)送數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)由數(shù)據(jù)包映射單元完成，因此發(fā)送接口僅完成簡單的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能，而當(dāng)系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)包時，要對數(shù)據(jù)包進行協(xié)議解析從而決定數(shù)據(jù)包后端處理得方式，在接收部分主要對三種數(shù)據(jù)包進行區(qū)分：（1）雙方發(fā)起連接的SYN數(shù)據(jù)包。這表示一個新連接的發(fā)起，因此交給地址管理單元，為它分配一個新的地址空間，同時要求發(fā)送端返回一個ACK數(shù)據(jù)包；（2）客戶端發(fā)送來的GET數(shù)據(jù)包中含有客戶端所需信息的URL地址，將該數(shù)據(jù)包送給字符串匹配表以獲得該信息所在后端服務(wù)器的位置；（3）雙方通信的普通數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包交給數(shù)據(jù)包映射單元實現(xiàn)雙發(fā)的通信，具體接收的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

具體接收的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖