通過運用FPGA器件實現(xiàn)IPV6數(shù)據(jù)包的拆分和重新封裝

參加國家“863”重大專題項目“高速密碼芯片及驗證平臺系統(tǒng)”的過程中，遇到了將IPV6數(shù)據(jù)包的包頭和數(shù)據(jù)部分拆開，然后在數(shù)據(jù)部分送密碼芯片進行加/解密處理，最后再將處理后的數(shù)據(jù)部分與包頭重新封裝為數(shù)據(jù)包的課題。以往對IP包進行拆裝多利用軟件實現(xiàn)，但本項目涉及到配合高速密碼芯片（處理速度在2Gbit/s以上）工作的問題，顯然利用軟件實現(xiàn)IP包的拆裝在速度上達不到要求。為此，運用FPGA（型號為Xilinx公司的XC2VP20-FF86CGB0345）來實現(xiàn)IPV6數(shù)據(jù)包的拆裝。該FPGA內(nèi)部邏輯框圖如圖1所示。

其工作流程為：2.5GHz的標準IPV6數(shù)據(jù)包串行差分信號通過ROCKETIO高速通道后轉(zhuǎn)換為16位125MHz并行信號，再經(jīng)信號轉(zhuǎn)換模塊進一步轉(zhuǎn)換為66位62.5MHz并行信號后進入FIFO1緩存，然后對其輸出數(shù)據(jù)進行判斷，若是報頭則送入FIFO3緩存，若是數(shù)據(jù)部分則送入FIFO2緩存，最后將FIFO2數(shù)據(jù)送往密碼芯片進行處理；經(jīng)密碼芯片處理的數(shù)據(jù)首先放入FIFO4進行緩存，然后控制FIFO3和FIFO4將一個數(shù)據(jù)包的頭和數(shù)據(jù)寫入FIFO5中，重新封裝成一個完整的數(shù)據(jù)包；重新封裝的IPV6數(shù)據(jù)包經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)?6位125MHz的并行信號，并通過ROCKETIO高速通道轉(zhuǎn)換為2.5GHz高速串行差分信號送出。

可以看出，經(jīng)過以上流程，實現(xiàn)了一個數(shù)據(jù)包的拆分和重新封裝。

1 IPV6數(shù)據(jù)包的拆分

用FPGAP實現(xiàn)IPV6數(shù)據(jù)包的拆分，主要是通過控制幾個FIFO的數(shù)據(jù)輸入輸出來實現(xiàn)的。FPGA內(nèi)部的拆分單元電路的物理連接如圖2所示，其中FIFO的作用是緩存IPV6數(shù)據(jù)包，F(xiàn)IFO2的作用是緩存IPV6數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分，F(xiàn)IFO3的作用是緩存IPV6數(shù)據(jù)包的包頭。

圖中的三個FIFO都是由Xilinx公司的開發(fā)工具ISE6.1自帶的Core IP生成的。其中FIFO1和FIFO3是同步FIFO，工作時鐘為頻率62.5MHz，輸入輸出數(shù)據(jù)寬度都是66bit；FIFO2是異步FIFO，輸入時鐘頻率為62.5MHz，輸出時鐘頻率為50MHz（密碼芯片的工作時鐘頻率為50MHz），輸入輸出數(shù)據(jù)寬度都是64bit。

FIFO1的輸入數(shù)據(jù)為IPV6數(shù)據(jù)包。可以看出，該數(shù)據(jù)是以并行的66bit信號傳輸?shù)模疵恳粫r鐘周期并行傳送66bit數(shù)據(jù)，其中每個周期的高兩位（即65位和64位）為數(shù)據(jù)包的頭尾標志，這是IPV6路由器內(nèi)部根據(jù)實際處理需要加上的，“10”表示一個完整數(shù)據(jù)包的第一周期，“11”表示數(shù)據(jù)包的中間內(nèi)容，“01”表示一個完整數(shù)據(jù)包的最后一個周期。因為IPV6數(shù)據(jù)包的包頭是固定長度的，為40字節(jié)（等于5×64bit），故數(shù)據(jù)的前五個周期為IPV6數(shù)據(jù)包的包頭，包頭后面跟的就是數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分。

下面討論IPV6數(shù)據(jù)包的包頭和數(shù)據(jù)部分的拆分過程。

首先判斷FIFO1輸入端數(shù)據(jù)的頭尾標志DATA（65“64）與FIFO1的滿標志FULL1，如果DATA（65”64）=“10”且FULL1=“0”，即判斷到一個完整數(shù)據(jù)包的開始且FIFO1未滿，則使FIFO1的寫使能WR_EN1有效，寫入數(shù)據(jù)；如果DATA（65“64）=“01”，好判斷到一個完整數(shù)據(jù)包結(jié)束時，則使WR_EN1無效，這樣一個完整的數(shù)據(jù)包就緩存到了FIFO1時。

當判斷到FIFO1的空標示EMPTY1=“0”，即FIFO1非空間，令FIFO1的讀使能信號RD_EN1有效，將FIFO1中的數(shù)據(jù)讀出，直到EMPTY1=“1”，即FIFO1空為止。對讀出的數(shù)據(jù)設(shè)定一計數(shù)器COUNTER1進行計數(shù)，當DONT1不為0即FIFO1輸出端有信號時開始計數(shù)。當0＜COUNTER1＜=5時，令FIFO3的寫使能信號WR_EN3有效，將數(shù)據(jù)包的包頭寫FIFO3緩存；當COUNTER1＞5時，令WR_EN3無效，WR_EN2有效，將IPV6數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分送FIFO2緩存，準備送密碼芯片處理，直到頭尾標志DOUT1（65”64）=“01”時，將COUNTER1清零，在判斷到COUNTER1為0后，將WR_EN2置為無效。注意：FIFO1的輸出端口是66位，F(xiàn)IFO2的輸入端口是64位的，故在FIFO1向FIFO2寫數(shù)據(jù)的過程中，應將FIFO1的輸出端口信號DOUT（63“0）傳送給FIFO2的輸入端口DIN2（63”-）。當判斷到FIFO2非空間，將其讀使能信號RD_EN2置為有效，即可向密碼芯片送出數(shù)據(jù)。

2 IPV6數(shù)據(jù)包的重新封裝

用FPGA實現(xiàn)IPV6數(shù)據(jù)包的重新封裝，同時是通過控制幾個FIFO的數(shù)據(jù)輸入輸出來實現(xiàn)的，F(xiàn)PGA同部的重新封裝單元電路的物理連接如圖3所示，其FIFO4的作用是緩存密碼芯片送出的加解密處理后的數(shù)據(jù)；FIFO5的作用是緩存重新封裝后的IPV6數(shù)據(jù)；FIFO3與拆分單元共用，作用是緩用IPV6數(shù)據(jù)包頭。

圖中的FIFO4和FIFO5也都是由Xilinx公司的開發(fā)工具ISE6.1自帶的Core IP生成的，其中FIFO4是異步FIFO，輸入時鐘為50MHz，輸出時鐘為62.5MHz，輸入輸出數(shù)據(jù)寬度都是66bit；FIFO5是同步FIFO，工作時鐘為62.5MHz，輸入輸出數(shù)據(jù)寬度都是66bit。

密碼芯片對數(shù)據(jù)進行加/解密處理完畢之后，在送出處理數(shù)據(jù)前，首先向外部系統(tǒng)發(fā)送一64bit長的連接指令，指明處理數(shù)據(jù)所用的加解密算法和數(shù)據(jù)長度。例如，在對數(shù)據(jù)進行2DES加密處理的情況下，接收指令格式（16位制）如圖4所示，其中高56位為指令編碼，低8位為將要輸出的處理數(shù)據(jù)的長度。

因此，在接收處理數(shù)據(jù)時，首先判斷是否有接收指令，如果有接收搦令，則其接收指令中的數(shù)據(jù)長度放寄存器中進行寄存，并設(shè)定計數(shù)器COUNTER2開始計數(shù)。當0＜COUNTER2＜=數(shù)據(jù)長度時，則令FIFO4的寫使能WR_EN4有效；當COUNTER2為其它值時，WR_EN4無效。當0＜COUNTER2＜數(shù)據(jù)長度時，將“11”寫入DIN4（65“64），將64bit處理數(shù)據(jù)寫入DIN4（63”0）;當COUNTER2=數(shù)據(jù)長度時，即接收到最后一周期的處理數(shù)據(jù)時，將“01”寫入DIN4（65“64），將64bit處理數(shù)據(jù)寫入DIN4（63”0），并將COUNTER2清零。這樣，密碼芯片處理后的數(shù)據(jù)就按格式要求緩存到FIFO4中了。

這時，包頭已經(jīng)緩存到FIFO3中了，處理后的數(shù)據(jù)已經(jīng)按格式要求緩存到FIFO4中了，最后要做的就是控制FIFO3和FIFO4，把一個完整的IPV6數(shù)據(jù)包寫入FIFO5中。具體做法是：設(shè)定計數(shù)器COUNTER3，當FIFO3和FIFO4都非空時，COUNTER3開始計數(shù)。當COUNTER3＞0時，將FIFO5的寫使能信號WR_EN5置為有效；當COUNTER3=0時，WR_EN5置為無效。當0＜COUNTER3＜6時，令FIFO3的讀使能RD_EN3有效，F(xiàn)IFO3將輸出數(shù)據(jù)DOUT3（65“0）寫入FIFO5的輸入端DIN5（65”0）；當COUNTER3＞l=6時，令RD_EN3無效，RD_EN4有效，將FIFO4的輸出數(shù)據(jù)DOUT4（65“0）寫入FIFO5的輸入端DIN5（65”0），直到DOUT4（65“64）=“01”時，將COUNTER3清零，RD_EN4置為無效。這樣，一個完整的IPV6數(shù)據(jù)包就重封裝在FIFO5中了，當判斷到FIFO5非空間，就可以令RD_EN5有效，向外輸出處理后的完整的IPV6數(shù)據(jù)包了。

從上述討論可以看出，本課題在FPGA中采用了五個FIFO，并設(shè)定了三個計數(shù)器控制這五個FIFO的輸入輸出來實現(xiàn)對IPV6數(shù)據(jù)包的拆分和重新封裝。總的來看，整個FPGA設(shè)計思路巧妙，電路結(jié)構(gòu)簡單，達到了預期的處理速度。圖5是整個測試系統(tǒng)在對1024字節(jié)的IPV6數(shù)據(jù)包進行拆包、送密碼芯片加密。重裝封裝處理后測試儀控制軟件界面上顯示的收包數(shù)據(jù)統(tǒng)計。從該圖可以看出，整個系統(tǒng)對IPV6數(shù)據(jù)包的處理速度達到了2.372Gbit/s，而這樣的處理速度用軟件是不可能達到的。