基于FPGA的TCP粘合设计实现

　　为完成数据包的映射，该部分需要实现两个功能：ACK序列号转换和双方转换信息的存储。

　　在TCP粘合过程中，由于TCP粘合系统送给客户端的ACK序列号和后端服务器送给客户端的ACK序列号不相同，因此要进行ACK序列号的转换，同时要重新计算数据包的TCP/IP校验和。

　　现假设客户端发送了请求连接的SYN数据包，而客户端返回给客户端的SYN序列号为地址管理单元分配给该连接的地址A0，而当系统和服务器建立链接时服务器端返回的SYN序列号为A1，则根据这两个序列号可计算差值A为：A=A0-A1。

　　以后通信的过程中，只要将服务器发送给系统的序列号加上A就能够转换成为系统送给客户端的序列号，这样就完成了服务器端向客户端发送数据的转换，反之就可以完成客户端向服务器发送数据的转换。

　　对于数据包的校验和转换而言，由于校验和本质上是加法运算，所以只需要在原来的校验和基础上加上序列号之差(或减去一个差值)即可完成校验和的转换。

　　在同一个通信过程中，ACK序列号转换、校验和的转换、发起连接的SYN、GET数据包和定时器标志位等信息都需要存储，由于每个数据流需要存储的内容较多，单一的地址已经无法满足存储要求。此处存储管理采用页面式的管理方式。将整个存储空间分为若干页面，每个数据流信息存入一个页面中。SSRAM的存储格式如图5所示。

　　3 性能分析

　　该架构已在试验系统上实现，接收端为两个GE口。相对于采用TCP粘合的应用代理服务器来说(其中代理服务器CPU Pentium IV 2GHz)，具体的性能对比如表1所示。

　　从上表可以看出在最大连接数方面，在本系统中采用一个18Mbit的CAM，它能够提供的最大地址空间为288K×144bit，只能支持288K的连接数。对于服务器的最大连接数来说，SYN和GET数据包需要经过软件协议解析。因此当最大连接数达到582K时CPU的利用率将达到90%以上[3]，无法再处理新的连接。从上述分析中可以看出，由于受硬件资源的限制，硬件系统可以支持的最大连接数小于代理服务器。但是在实际的网络传输过程中，一个HTTP连接持续的时间一般为几百个毫秒，在硬件系统达到每秒21K的连接数时，能够承受的一个HTTP最大持续时间为13秒，远远大于实际HTTP连接的持续时间，因此硬件系统支持的最大连接数是够用的。当代理服务器采用千兆网卡来接收数据时，由于数据需要经过上层协议解析，因此实际能够接收的数据量只能够达到300Mbps。假设每次平均请求512B，则代理服务器能够支持的最大每秒连接数大约为7K;而当硬件系统工作在133MHz，内部采用32bit总线传输时，整个系统的带宽达到4Gbit，同时系统内部采用流水线方式，能够线速处理1Gbps数据的接收，假设平均每次请求512B，则硬件系统能够处理的每秒最大连接数达到21K，因此在单位时间内能够处理的连接数量会高于代理服务器。

　　随着HTTP访问量的不断增大，对于访问数据包的分流粒度要求越来越细。本文提出的基于硬件实现的TCP粘合系统，在TCP粘合技术的基础上，利用硬件的高速处理特性，可以达到2个GE口收发(2Gbps)的线速处理性能。同时能够较好地基于内容来区分数据流，从而避免了后端服务器数据的重新分发。