如何使用FPGA實現(xiàn)TCP IP協(xié)議

　　隨著通信技術(shù)的進步，網(wǎng)絡(luò)帶寬以平均每 6 個月增長 1 倍的速度提高，然而 CPU 運算性能的增長速度卻遠遠無法滿足高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的需求。在傳統(tǒng)處理 TCP/IP 協(xié)議的方法中，CPU 的處理負擔大部分來自對 TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)的處理，因此 CPU 的運算性能逐漸地成為高性能網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展的瓶頸。在這一形勢下，為將 CPU 從繁重的 TCP/IP 協(xié)議處理負擔中解放出來，本論文提出了一種實現(xiàn) TCP/IP 協(xié)議處理的硬件解決方案，即利用 FPGA 本身所具有的密度高、速度快、小型化、設(shè)計靈活、高度并行處理等優(yōu)點，在 FPGA 中實現(xiàn) TCP/IP 協(xié)議的基本功能。

　　本論文首先對 TCP/IP 協(xié)議棧的基本原理進行了詳細的介紹，其中包括 TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)分層模型、分層模型下協(xié)議數(shù)據(jù)包的封裝和分用、協(xié)議棧中各協(xié)議的基本原理以及各協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式等。其次在對 TCP/IP 協(xié)議內(nèi)容深入掌握的基礎(chǔ)上，對協(xié)議棧功能進行了合理的裁剪，并依據(jù)自頂向下的設(shè)計方法，對裁剪后的 TCP/IP 協(xié)議處理功能進行模塊劃分。然后論文對各功能子模塊的設(shè)計與實現(xiàn)的具體細節(jié)進行了詳細介紹，尤其針對 TCP 的可靠性傳輸進行了重點說明。論文選用 Xilinx ML505 開發(fā)板作為硬件開發(fā)平臺，運用 Verilog HDL 硬件描述語言將各子模塊的設(shè)計方案轉(zhuǎn)化為邏輯代碼，經(jīng)過 Xilinx ISE 開發(fā)套件的綜合、布局布線、靜態(tài)分析等處理后，最終得到相應(yīng)的 FPGA 配置文件，并通過配置 FPGA 完成實際開發(fā)工作。開發(fā)過程中，利用 Chipscope 在線邏輯分析儀、Wireshark 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包捕獲軟件、自編 MFC 測試軟件等工具對數(shù)據(jù)傳輸過程中涉及到 FPGA 中 TCP/IP 協(xié)議處理功能的各個細節(jié)進行觀察、分析和測試。

　　本論文設(shè)計方案實現(xiàn)了 ARP 請求/應(yīng)答、ICMP 應(yīng)答、IP 數(shù)據(jù)傳輸、TCP 的客戶端及服務(wù)器模式下的數(shù)據(jù)傳輸、TCP 可靠性傳輸?shù)裙δ埽⑻岢隽艘环N新穎的基于狀態(tài)機嵌套結(jié)構(gòu)的 TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)包封裝方法。經(jīng)過分析及實測，該方案具有高效率、少緩存、低成本、可靠性強的優(yōu)點，滿足論文的預(yù)期目標和需求。

　　論文的章節(jié)安排

　　論文共由五部分內(nèi)容組成，組織結(jié)構(gòu)如下：

　　第一章：圍繞 TCP/IP 協(xié)議的 FPGA 實現(xiàn)，簡要闡述了研究背景及意義，并詳細敘述了目前在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，其中列舉了部分具有代表性的公司、相關(guān)產(chǎn)品以及已發(fā)表的相關(guān)文獻，最后對論文進行初步的簡介。

　　第二章：本章主要對 TCP/IP 協(xié)議棧的基本原理進行詳細介紹，針對論文涉及到的網(wǎng)絡(luò)分層模型及各協(xié)議的內(nèi)容、報文幀格式進行了說明，具體包括以太網(wǎng)協(xié)議、ARP、IP、ICMP、TCP。特別針對 TCP 的可靠性傳輸原理進行了詳細的介紹。

　　第三章：本章詳細闡述了 FPGA 實現(xiàn) TCP/IP 協(xié)議的具體設(shè)計及細節(jié)，其中包含開發(fā)環(huán)境及開發(fā)工具的介紹、功能模塊劃分的說明以及對各子模塊的設(shè)計和實現(xiàn)的詳細說明，并提出了一種 TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)包的封裝方法，這也是論文的創(chuàng)新點之一。最后利用 ISE 開發(fā)套件對 FPGA 設(shè)計的性能從“速度”、“面積”、時序三方面進行分析說明。

　　第四章：本章主要完成設(shè)計的功能驗證和分析，首先介紹測試平臺及測試環(huán)境，然后針對不同的功能設(shè)計了測試方案。經(jīng)過詳細的測試和分析，得出各個功能均符合設(shè)計目標和需求的結(jié)論。

　　第五章：在客觀總結(jié)論文主要工作的基礎(chǔ)上，對本論文的優(yōu)化思路及發(fā)展前景進行展望。