在FPGA上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜協(xié)議處理任務(wù)卸載的解決方案

隨著數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施逐步升級(jí)到10Gbps，讓基于以太網(wǎng)的解決方案承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)成為一種經(jīng)濟(jì)可行的方法，并且不會(huì)降低性能，延長(zhǎng)時(shí)延。基于硬件的主機(jī)接口（如 PCI Express 和千兆級(jí)以太網(wǎng) （GbE）），為設(shè)計(jì)面向計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理市場(chǎng)的低成本、高性能產(chǎn)品創(chuàng)造了可能性。Xinlinx? Virtex?-5 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 （FPGA） 系列，為設(shè)計(jì)具備更強(qiáng)功能和更低功耗的片上系統(tǒng) （SoC） 解決方案奠定了基礎(chǔ)。

Virtex-5 架構(gòu)具有一系列關(guān)鍵特性，能夠大大簡(jiǎn)化 TCP 和 iSCSI 卸載引擎的 SoC 設(shè)計(jì)：

內(nèi)置PCI Express （PCIe） 模塊——一種符合 PCIe 規(guī)范的集成端點(diǎn)，支持一至八個(gè)通道，能夠提供高達(dá) 32Gbps 的全雙工帶寬。

內(nèi)置千兆位級(jí)以太網(wǎng)媒體接入控制器 （GEMAC）——四個(gè)硬核GEMAC，為實(shí)現(xiàn)多端口千兆位級(jí)解決方案創(chuàng)造了條件，從而減少了 SoC 設(shè)計(jì)的板卡空間要求。

真正的6輸入查找表 （LUT） 技術(shù)——提高對(duì)單元的利用率，縮短路由時(shí)延，從而提高性能。

36-Kb 雙端口 block RAM——帶有糾錯(cuò)電路、存儲(chǔ)密度更高的存儲(chǔ)器，為實(shí)現(xiàn)可靠的計(jì)算邏輯結(jié)構(gòu)和增加同步收發(fā)操作的片上 TCP 會(huì)話數(shù)量創(chuàng)造了條件。

DSP48E 單元——支持面向圖像處理和多媒體應(yīng)用的大規(guī)模并行運(yùn)算模式。

由于 Virtex 系列是一種可編程平臺(tái)，您可以根據(jù)不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)要求調(diào)整自己的設(shè)計(jì)。借助 Virtex-5 系列所提供的資源，設(shè)計(jì)人員可以為服務(wù)器、存儲(chǔ)器、多協(xié)議交換機(jī)，以及生命周期更長(zhǎng)的無線基站創(chuàng)建成本低廉的 TCP 和 iSCSI 卸載解決方案。

TCP卸載引擎 （TOE） 概述

當(dāng)前的 TCP 卸載解決方案主要依賴于完整的軟件堆?；蚧?ASIC （用于 TCP/IP 協(xié)議處理）的專用網(wǎng)卡 （NIC）。軟件解決方案對(duì)于低帶寬應(yīng)用是可行的，但高性能應(yīng)用會(huì)消耗所有 CPU 資源，結(jié)果形成了關(guān)鍵應(yīng)用的系統(tǒng)瓶頸。

基于 ASIC 的解決方案一般由初創(chuàng)公司提供，主要面向高性能 10Gbps 市場(chǎng)。這些解決方案的價(jià)格仍然不菲，而且提供它們的廠商的財(cái)務(wù)狀況不甚穩(wěn)定。

Xilinx 及其第三方IP合作伙伴可提供完全符合 TCP/iSCSI 規(guī)范的卸載解決方案。您可以在不加改動(dòng)的情況下輕松實(shí)現(xiàn)這些解決方案，或者按照所要求的功能、尺寸、速度或目標(biāo)應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。

基于FPGA的 TCP/iSCSI 引擎

內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)化 GEMAC、PCIe核以及容量更大的 Block RAM的 Virtex-5 器件是一種可編程平臺(tái)芯片，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)師可利用它輕松完成 TCP 和 iSCSI 協(xié)議處理設(shè)計(jì)，而不用擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)或主機(jī)接口側(cè)的串行連接問題。以下是協(xié)議處理任務(wù)卸載設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的一些難題：

需要支持的 TCP 連接的數(shù)量

TCP 數(shù)據(jù)包重組/重排序

IP 數(shù)據(jù)包分片和重組

時(shí)延

片上和片外 TCP 會(huì)話管理之間的關(guān)系

有了Virtex-5 器件的獨(dú)特功能以及 IP 核，所有這些問題都可以迎刃而解。借助內(nèi)置GEMAC 和 PCIe 接口，您只需最少的 FPGA 資源即可實(shí)現(xiàn)直接內(nèi)存存取解決方案，從而縮短了內(nèi)存存取時(shí)延，并且在無需調(diào)用臨時(shí)內(nèi)存的情況下即可實(shí)現(xiàn) TCP 封包重組。Virtex-5 FPGA 還搭載了一個(gè) 36-Kb 雙端口 block RAM，從而使您可以支持的TCP連接數(shù)量倍增。借助 Xilinx 的LogiCORE?高速存儲(chǔ)控制器，您可以使用外部 DDR2 內(nèi)存來擴(kuò)充 TCP 會(huì)話管理功能。讓我們來看看基于 FPGA 的網(wǎng)卡設(shè)計(jì)可以節(jié)約哪些資源。

1Gbps和10Gbps 網(wǎng)卡解決方案

面向 IP 存儲(chǔ)和刀片服務(wù)器的集成式多端口 1Gbps 和 10Gbps TCP 卸載網(wǎng)卡（NIC），能夠讓制造商充分利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行業(yè)務(wù)存儲(chǔ)。圖1提供了一個(gè)典型的基于 FPGA 的NIC設(shè)計(jì)。

圖1：采用傳統(tǒng) FPGA 設(shè)計(jì) TCP 卸載解決方案

取決于所使用的 IP 核的數(shù)量，該設(shè)計(jì)可采用多達(dá) 20，000 個(gè)單元。Virtex-5 LXT 平臺(tái)可將資源占用率降低一半，這樣，您就能在不降低性能的情況下，創(chuàng)建一個(gè)低成本的解決方案。除提高硬件效率外，系統(tǒng)架構(gòu)師還可以降低 NRE 成本，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì) GbE 和 PCIe 高速I/O接口時(shí)，無需使用 NRE。圖2提供了一個(gè)借助 Virtex-5 系列的內(nèi)置資源，對(duì) TCP 卸載 NIC 進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的示例。

圖2：采用 Virtex-5 LXT FPGA 設(shè)計(jì) TCP 卸載解決方案

結(jié)論

有了第三方廠商提供的在 Xilinx FPGA 上實(shí)現(xiàn)的符合 TCP 和 iSCSI 標(biāo)準(zhǔn)的卸載 IP 核，現(xiàn)在您能夠以更低的開發(fā)成本，設(shè)計(jì)出通用或定制化片上系統(tǒng)。利用 Virtex-5 LXT 平臺(tái)——搭載增強(qiáng)型 GEMAC 和 PCIe 端點(diǎn)模塊、容量更大的 block RAM，以及6輸入查找表——實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)器、存儲(chǔ)器、多協(xié)議交換機(jī)，以及無線基站產(chǎn)品的復(fù)雜協(xié)議處理任務(wù)卸載解決方案，可以大大減少 FPGA 資源占用量。