TCP/IP协议处理 由“软”转“硬”

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更新时间：2007-01-25 13:09
关 键 词：TCP  IP协议
阅读提示：在目前的以太网环境中，TCP/IP协议的处理都是通过软件方式在中心处理器上实现。由于目前对TCP/IP协议进行处理都是采用通用CPU及其配套的系统结构，而这种体系下CPU的主要功能是进行通用计算，并非进行输入输出操作。因此在网络带宽和速度飞速发展的情况下，网络链路速度高于CPU对TCP/IP协议栈的处理速度将导致系统的输入输出系统成为网络瓶颈。

面对网络带宽和速度的飞速增长，传统的通过软件进行TCP/IP协议处理的方式已经越来越成为高性能网络计算的瓶颈。
在目前的以太网环境中，TCP/IP协议的处理都是通过软件方式在中心处理器上实现。当网络速度达到G比特数量级时，主CPU就越来越繁忙，其中大部分处理负荷都是来自对TCP/IP协议的处理，例如对IP数据包的校验处理、对TCP数据流的可靠性和一致性处理。大量协议数据还需要通过I/O中断进行操作，不断在网络接口缓冲区和应用程序内存之间进行数据交换，这些额外负担极大地降低了主CPU的处理效率，增加了应用计算的平均等待时间。按照CPU对网络数据流的处理比率分析，大概CPU每处理1比特网络数据，就将消耗1Hz的处理性能，也就是说需要20GHz的CPU处理能力满负荷运行才能满足10GB以太网数据流的处理要求。

同时，由于目前对TCP/IP协议进行处理都是采用通用CPU及其配套的系统结构，而这种体系下CPU的主要功能是进行通用计算，并非进行输入输出操作。因此在网络带宽和速度飞速发展的情况下，网络链路速度高于CPU对TCP/IP协议栈的处理速度将导致系统的输入输出系统成为网络瓶颈。

TOE分担协议处理负荷

为了在高速网络环境中改进和优化服务器性能，减轻对网络协议的处理负荷，TCP/IP负荷减轻引擎（TOE，TCP/IP Offload Engine）技术应运而生。

TOE技术的基本思想是分担CPU对TCP和IP协议的处理，将协议处理过程放到高速网卡或者高速线卡等硬件上完成，其中包括TCP、IP、UDP、ICMP等子协议的处理。基于TOE技术的TCP/IP的块级数据传输将比通常方式提高10％以上的性能。

将原来通过软件方式处理的TCP/IP协议放在专门的硬件上完成，从而将应用和网络分离处理，会使10G以太环境中应用服务器的CPU资源利用率大大提高，可以显著地改善服务器性能。例如在IP存储领域，在iSCSI的协议处理过程中就明确采用了这种技术。

对传统的网卡而言，处理一个32KB的文件，需要与主机CPU进行近30次交互，大约20次数据包交换，10次应答。但网卡配置TOE功能后，数据包和应答信号处理在网卡中实现，数据与应用缓冲区间的交换由基于硬件的DMA处理，这就为应用的处理腾出了更多的CPU资源。同时也降低了系统I/O总线和内存总线的负荷，降低了应用系统的处理延时。传统网卡在集成TOE功能后，采用会话层接口在传输层与主机之间进行交互，帮助实现应用中的大文件（超过10KB）处理。TOE处理与传统TCP/IP处理方式对比如上图所示。
如3Com的3C996-T 10/100/1000 PCI-X服务器网卡，融合了基本的校验和中断处理功能，能实现双向300M到900M数据吞吐率。一块具备高级TCP/IP处理功能的网卡，如Alacritech的1000x1服务器及存储加速器，能够实现双向1500M到1800M数据吞吐率。下表列出了TOE技术的测试比较数据。

实现策略：部分分担还是全分担？

TCP协议处理过程大概可以分为以下几个部分：TCP建连过程、数据收发过程、连接维护过程、错误管理过程。因此根据TCP负荷分担的策略，TOE技术可以分为部分分担和全功能分担两种。用户可以根据应用要求进行选择。

部分分担又称为数据路径分担。由于10G以太环境下网络链路非常好，很少出现丢包的情况，TCP连接在很长一段时间内都比较稳定，大量的协议处理都来自数据收发过程，因此通过对数据收发过程进行分担处理，可以重点减轻CPU对数据收发的处理压力，改善应用的处理性能。

全功能分担就是对TCP处理的4个过程都进行分担处理，彻底释放主CPU对TCP处理的负荷。在网络连接特别多的情况下，频繁的TCP建连、断连过程都将消耗巨大的CPU资源，另外由于TCP连接对端工作状态的不确定性，将导致CPU需要对TCP连接错误及时处理。

为了使TOE技术融入现在网络处理体系中，除了在网络接口硬件中提供TCP处理功能外，还必须在操作系统中加载TOE网络驱动软件，操作系统核心层应用通过该接口实现应用层数据的上传下达。

实现方案：板卡实现还是ASIC芯片？

从器件实现上来说，TOE方案可以采用两种结构：分离元件结构和采用专用ASIC芯片。

分离元件TOE采用电路板构建，结构上已接近计算机，具备嵌入式处理器（或微处理器）、固件、存储器、数据传输总线、实时操作系统以及PHY/MAC接口。在这里，通常由主机CPU完成的协议处理功能改由实时操作系统中嵌入的TCP/IP协议栈来处理。TOE板卡实现方案的优点是具有很大灵活性，分离元件易于更改，固件可方便运用ROM芯片进行级;可通过固件升级办法对TCP/IP栈进行修改，以适应特殊的处理环境。

采用专用ASIC芯片的实现方案是将协议的处理功能集成到定制化的芯片中，由于具备专用的处理和存储芯片，因此ASIC TOE在性能上有很大的提高，但缺点是硬件的开发和初始应用成本比较高，可编程能力、扩展性、灵活性比较差。网络设备的可编程能力和处理性能常常是一对矛盾，为了进一步提高处理的灵活性又保证处理速度，现在又出现了可配置ASIC芯片，该芯片含有可编程固件，软件可动态更新，具有较大的灵活性。

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