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1、网络层协议处理器的设计与研究TheDesignandResearchaboutProtocolProcessoratNetworklayer(湖南大学)颜永红张帆YANYONGHONGZHANGFAN摘要:吉比特网络下,网络终端CPU处理TCP/IP协议的能力已经成为网络应用的瓶颈。为了使终端用户能充分利用广阔的带宽资源,该文提出了一种硬件实现方法,将原来由软件完成的IP层协议功能完全卸载出来,并通过DMA（直接存储器访问）接口直接进行主存读写,从而减少了CPU的负荷。并且基于FPGA设计流程，通过功能仿真、
2、综合后仿真、布局布线后仿真验证了协议处理器的可行性。该处理器具有灵活的电路接口,所用逻辑资源少,管脚数量少,成本低易于集成,是一种高效的解决方案。关键词:TCP/IP;直接存储器访问;协议处理器中图分类号：TN409文献标识码:AAbstract:OverGigabitEthernet,theterminalcputhatexecutestheTCP/IPstacksoftwarehasbecomethebottleneck.Inorderthattheend-usercantakeadvantageofth
3、evastbandresource,thispaperpresentsadesignbasedonhardwaretooffloadthetotaltasksinvolvedinIPlayerwhichweretraditionallyprocessedinsoftwareanditcandirectlyreadandwritemainmemorythroughDMA(directmemoryaccess)interface,sothattheburdenofCPUwillbereduced.Thefeasi
4、bilityofthedesignhasbeenprovedbyfunctionalsimulation,post-synthesissimulationandpost-place&&routesimulation.Thisprocessorisahighlyefficientsolutionwithflexiblecircuitinterfaces,lesslogicresources,lessbasepins,easyaccesstobeintegratedatlowcost.Keywords:Gigab
5、itEthernet,directmemoryaccess,protocolprocessor1前言TCP/IP协议历来是处理网络上数据传输的通用语言，传统的TCP/IP技术在处理数据传输的过程中采用软件实现，需要占用大量的处理器资源。随着网络技术的发展，网络带宽平均每12个月就增长3倍，美国西蒙公司已经第一个推出了支持10G到桌面的布线系统。而且，10GBaseTIEEE标准的草案已经于2004年6月出台，最终发布时间预计为2006年6月。同期CPU的处理速度则遵循了摩尔定律即每18个月增长2倍。而基本上1
6、Hz的处理器最多可以处理每秒1bit数据传送所产生的负载。实验表明，在800Mbit/s的线速度下，1GHz的Pentium3处理器资源占用率为100%，2.4GHz的Pentium4处理器资源占用率为30%[3]。很明显CPU的性能已经日益跟不上网络技术的进步。今后网络运用的瓶颈不再是带宽资源，而是主机CPU处理TCP/IP协议栈的能力。IP协议是TCP/IP协议族中最核心的协议，所有的TCP、UDP、ICMP以及IGMP数据都以IP数据报格式传输，处理IP协议要耗费大量的CPU资源。为实现减轻处理器负荷、
7、提高网络利用率的目的，可通过硬件卸载IP协议的部分任务。本文提出了一种硬件卸载IP层协议的电路结构即IP层协议处理器，该处理器电路接口符合PCI2.2规范，通过DMA（DirectMemoryAccess）方式与主存直接交换数据，协议处理过程中不需要CPU的干预，能以1Gbit/s线速度进行I/O操作和协议处理，使系统性能大大提高，CPU占用率过高的问题得到有效缓解。相对当前采用嵌入式CPU的协议处理器，整个电路占用逻辑资源以及引脚数量大为减少，制成ASIC芯片后占用面积小、成本低，易于集成在网卡上，是一种廉
8、价、优质的吉比特网络硬件支持方案。2协议处理器的结构和原理根据IP协议在TCP/IP协议栈分层中所处的位置，IP层协议处理器应包含3个模块：发送端模块、接收端模块和DMA接口电路，如图1所示。当主机发送数据报时，数据经DMA接口到发送端模块进行IP层协议处理再到网卡进行链路层协议处理，最后组装为数据帧发送到网络中。当主机接收到数据报时，数据依次经网卡、接收端模块、DMA接口，最终存入主存储器中。下面
