基于FPGA技術的嵌入式雙協(xié)議棧的設計與實現(xiàn).pdf

1、隨著嵌入式系統(tǒng)與網絡的日益結合，具備網絡通信能力的嵌入式設備已成為必不可少的需求。IPv4地址空間的嚴重不足，已不能滿足數目龐大的嵌入式設備，能夠支持下一代因特網的嵌入式設備已成為嵌入式領域重要的趨勢之一。雖然IPv6必然會取代IPv4，但是IPv4互聯(lián)網已具有相當規(guī)模和廣泛的應用程序，因此從IPv4到IPv6仍需要一段過渡時期。而在這一段過渡時期，需要解決IPv4與IPv6網絡互聯(lián)的問題?；ヂ?lián)網工程任務組提出了三大類解決方法:隧道技術

2、、雙協(xié)議棧技術、網絡地址轉換和協(xié)議轉換技術，其中雙協(xié)議棧技術是所有的主機和路由器同時運行IPv4和IPv6協(xié)議棧，這種技術被認為是過渡時期解決IPv4網絡和IPv6網絡互聯(lián)最徹底、最簡單有效的方法。
　　 隨著嵌入式設備硬件性能的不斷提升，以及應用程序對實時性要求的不斷提升，可以對嵌入式設備的協(xié)議解析過程進行加速。在IPv6協(xié)議的解析過程中，會經常涉及字段檢查、查表等操作，因此如果能將該些操作固化到硬件中，將能大幅度提高協(xié)議解析

3、速度。直接將該系列操作固化并在協(xié)議解析過程中用來驗證速度的提升存在一定的難度，但是可以通過FPGA來驗證加速的效果。
　　 本文設計并實現(xiàn)了一個適用于嵌入式設備的精簡嵌入式IPv6協(xié)議棧。該協(xié)議棧與流行的嵌入式協(xié)議?！狶wIP采用了相同的架構，根據RFC相關標準將協(xié)議棧分成應用層、傳輸層、網絡層和鏈路層。在協(xié)議棧內容上，按照IETF制定的相關標準來實現(xiàn)，因此能夠應用于現(xiàn)實的網絡中?？紤]到IPv6協(xié)議的復雜度和嵌入式設備的資源限

4、制，本文在實現(xiàn)時，對IPv6功能進行了部分裁剪。裁剪后的協(xié)議棧實現(xiàn)了的IPv6協(xié)議的基本功能，如地址配置、數據包收發(fā)、路由器請求、錯誤處理等;另一方面，整個協(xié)議棧在代碼量和運行消耗內存上，都能滿足嵌入式設備的資源限制。
　　 考慮到對IPv4的支持，本文將自身實現(xiàn)的IPv6協(xié)議棧與LwIP融合成一個IPv4/IPv6雙協(xié)議棧。融合后的雙協(xié)議棧擁有共同的API層、TCP層以及網絡接口層，而在網絡層則存在有兩套不同的協(xié)議。這種架構能

5、夠使融合后的雙棧在代碼量上保持精簡。在融合過程中，充分考慮模塊化和獨立化，不僅能夠使IPv4和IPv6互不干擾，而且可以通過關閉預編譯的方式來退化成一個單協(xié)議棧。
　　 雖然針對協(xié)議的部分功能進行了裁剪，但是對資源有限的嵌入式設備來說，解析IPv6協(xié)議仍然需要花費大量系統(tǒng)時間。本文針對IPv6協(xié)議中的幾個常用過程，用Verilog語言來描述成硬件可以識別的過程，并且采用FPGA技術來進行驗證。實驗證明單獨模塊或者過程的硬件加速是