R2UDP協(xié)議棧在FPGA上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、在安裝尺寸受限且計(jì)算密集的應(yīng)用場(chǎng)合，F(xiàn)PGA平臺(tái)具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。一個(gè)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的IP核可以有效地卸載CPU繁重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，其需求日益急迫。由于 TCP協(xié)議或可靠 UDP協(xié)議的計(jì)算復(fù)雜性過(guò)高，目前尚無(wú)相應(yīng)的FPGA解決方案。業(yè)界現(xiàn)有的UDP協(xié)議棧IP核，因其固有屬性不能保證通信質(zhì)量，無(wú)法滿(mǎn)足需要可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋姸鄳?yīng)用場(chǎng)合，諸如物聯(lián)網(wǎng) IoT節(jié)點(diǎn)，工業(yè)控制的分布式數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，存儲(chǔ)陣列的 iSCSI通道，以及本實(shí)驗(yàn)室提出的可堆疊存

2、儲(chǔ)介質(zhì)陣列方案等。鑒于這些應(yīng)用場(chǎng)景都是主/從（Host/Slave）式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且節(jié)點(diǎn)屬性都相對(duì)穩(wěn)定，即節(jié)點(diǎn)所擁有的客戶(hù)端/服務(wù)器角色在生命周期內(nèi)固定不變，因此可以采用相對(duì)簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，進(jìn)而分別簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)為IP核部署在集成電路芯片中，作為CPU的功能部件驅(qū)動(dòng)使用，本項(xiàng)目致力于實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。本質(zhì)上，TCP協(xié)議或可靠UDP協(xié)議必須滿(mǎn)足以太網(wǎng)的對(duì)等P2P（Peer to Peer）結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，而在主從 Host/Slave結(jié)構(gòu)中，服務(wù)器的

3、從節(jié)點(diǎn)角色的屬性始終不會(huì)改變，因此可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)屬性去除協(xié)議棧的那些不必要的部分，大大簡(jiǎn)化后使其易于實(shí)現(xiàn)在FPGA中。
　　本論文認(rèn)真仔細(xì)地分析了TCP協(xié)議和可靠UDP協(xié)議，從協(xié)議棧中分離出相關(guān)于可靠傳輸?shù)牟糠至鞒?，并將其劃分為主?jié)點(diǎn)操作流程、從節(jié)點(diǎn)操作流程以及主/從節(jié)點(diǎn)兼容性的三部分內(nèi)容。其中主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)的操作流程，除了前者發(fā)送命令而后者發(fā)送狀態(tài)之外，其余包括數(shù)據(jù)傳輸和校驗(yàn)部分的流程極為相近。在此基礎(chǔ)上，去除相關(guān)主/從節(jié)點(diǎn)兼容性

4、的部分內(nèi)容后，分別提出了主節(jié)點(diǎn) IP核以及從節(jié)點(diǎn) IP核的解決方案，分別部署在客戶(hù)端（主機(jī)端）和陣列服務(wù)器（設(shè)備端），形成了簡(jiǎn)化的可靠 UDP協(xié)議?！猂2UDP的基本架構(gòu)。
　　本文設(shè)計(jì)的 R2UDP協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中的握手連接、漏發(fā)重發(fā)、出錯(cuò)重發(fā)、重復(fù)丟棄、流量控制等保證數(shù)據(jù)可靠性傳輸?shù)墓δ?，在?duì)傳統(tǒng)的可靠UDP協(xié)議的控制機(jī)制的運(yùn)作流程進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理的可靠性。R2UDP協(xié)議棧以TC

5、P/IP網(wǎng)絡(luò)參考模型為基礎(chǔ)，在深入分析相關(guān)協(xié)議的基礎(chǔ)上，在 FPGA當(dāng)中采用自上而下的層次化和模塊化的設(shè)計(jì)方案，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的各層進(jìn)行了模塊化的設(shè)計(jì)，物理層和鏈路層通過(guò)以太網(wǎng)控制器與 GMII接口和物理層芯片相連，從而實(shí)現(xiàn)物理鏈路上網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送功能。FPGA中的各層協(xié)議模塊彼此獨(dú)立完成本層協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文的封裝和拆封解析工作，由相應(yīng)的校驗(yàn)機(jī)制來(lái)完成傳輸數(shù)據(jù)正確性的檢驗(yàn)，由接收端的數(shù)據(jù)包序號(hào)檢測(cè)模塊完成數(shù)據(jù)完整性的檢驗(yàn)，由狀態(tài)機(jī)控制模塊進(jìn)

6、行數(shù)據(jù)處理流程的控制，由數(shù)據(jù)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同層次間的傳輸。
　　在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)Linux系統(tǒng)下運(yùn)行的UDP/IP協(xié)議作了必要的簡(jiǎn)單修改，給出了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核功能模塊設(shè)計(jì)，可以使傳統(tǒng)CPU作為客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)陣列時(shí)，無(wú)縫對(duì)接R2UDP的設(shè)備端。
　　在FPGA上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)R2UDP協(xié)議棧，采用Xilinx公司的ISE開(kāi)發(fā)工具和硬件測(cè)試平臺(tái)，經(jīng)過(guò)對(duì)R2UDP硬件協(xié)議模塊進(jìn)行分層仿真測(cè)試和板級(jí)調(diào)試驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)的R2UDP協(xié)