CN110177087B - 一种基于TOE网卡的Target端协议硬件解析方法 - Google Patents
一种基于TOE网卡的Target端协议硬件解析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于TOE网卡的Target端协议硬件解析方法，发起端经TOE网卡向目标端发送ISCSI PDU，网卡的FPGA对TCP payload数据流进行PDU帧界定，找出BHS字段和AHS字段与数据段；AHS字段和数据段写入TOE网卡DDR，BHS字段写入Host DDR；网卡的驱动层对获取的BHS字段，判断BHS字段长度是否大于预设值，若判断为是，则驱动层将PDU剩余信息传至Host DDR；若判断为否，则应用层将Host DDR中PDU全部信息传至CPU。本发明对ISCSI PDU的BHS字段和AHS字段与数据段进行分流处理，与传统方式相比，明显降低CPU负载并提升整体传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种网络协议解析分流方法，尤其涉及一种基于TOE(TCP OffloadEngine)网卡的Target端协议解析分流方法。
背景技术
随着PC的普及和互联网时代的到来，引发了以存储技术为中心的新一轮数据技术浪潮。在存储领域，ISCSI(Small Computer System Interface，小型计算机系统接口，也称为SCSI over TCP/IP，即建立在TCP/IP协议上的互联网协议)具有重要的应用价值。
ISCSI的主要功能是在TCP/IP网络上的客户端(启动端，initiator端)和存储设备(目标端，target端，或服务器端)之间进行大量数据的封装和可靠传输，initiator端的命令和相关数据可以一起传递给target端，反过来，target端的命令和应答也可以一起initiator端。当initiator端向target端发送存储I/O请求时，initiator端操作系统将请求转换一个相应的SCSI命令，该SCSI命令在ISCSI initiator端被封装成ISCSI消息包PDU(协议数据单元，Protocol Data Unit)，在经过TCP/IP协议封装成IP数据包传送到target端。target端在收到IP数据包后，按照相反方向解封装，恢复成封装前的ISCSI消息包，得到SCSI命令的内容，然后传送给SCSI存储设备执行；target端将执行SCSI命令后的响应和数据，沿着相反方向封装成ISCSI PDU，通过TCP/IP网络传送给initiator端，initiator端会从ISCSI PDU里解析出SCSI响应和数据并传送给操作系统，进行处理，所有请求处理完成后，initiator端主动断开链接，整个会话结束。
目前的存储服务器，如果作为ISCSI网络块设备被客户端访问时，其数据流需要经由以下路径：
1)数据通过以太网发送至网卡，网卡将MAC帧格式进行剥离，随后通过PCIE将TCP/IP帧传输至Host DDR；
2)CPU完成TCP帧和ISCSI PDU的解析；
3)将数据段通过PCIE传输至硬盘进行存储。
这种方法会导致占用极高的CPU负载，严重影响数据传输效率。
发明内容
本发明提供了一种基于TOE(TCP Offload Engine)网卡的Target端协议解析分流方法、以及一种通讯设备。
本发明所述的基于TOE网卡的Target端协议解析分流方法，包括：
步骤1，Initiator端通过TOE网卡向Target端发送ISCSI PDU(协议数据单元，Protocol Data Unit)，网卡的FPGA解析ISCSI PDU并保留TCP Payload(TCP有效载荷)，FPGA将对TCP payload数据流进行PDU帧界定(即在TCP payload数据流中将各个PDU划分开)，找出ISCSI PDU中的BHS字段(Basic Head Segment，基本头字段)和可能存在的AHS字段(Additional Head Segment，附加头字段)与数据段(Data Segment)；
步骤2，AHS字段和数据段通过EMIF(External Memory Interface，外部存储器接口)写入TOE网卡DDR，BHS字段通过CQ包入PCIE TLP写入Host DDR；步骤3，网卡的驱动层从Host DDR获取BHS字段，判断BHS字段长度Length是否大于预设值N，其中，N为自然数，如果判断为是，则驱动层实施DMA操作将写入TOE网卡DDR中的PDU剩余信息(包含可能存在的AHS和可能存在的数据段)搬运至Host DDR，以供CPU处理；如果判断为否，则应用层将Host DDR中已获得的BHS信息发送给CPU处理。
在一种优选实施例中，网卡的驱动层获取Host DDR的BHS字段后，根据BHS字段中的Opcode(操作码，Operate Code)和Length进行操作，包括：首先驱动层判断Opcode是否为命令类型，如果是，则驱动层判断Length是否大于预设值N，如果否，则驱动层将BHS字段传送至CPU，CPU根据Login协商信息以及当前Write Command(写命令)内容，计算出当前数据段的存储在Flash中对应的地址；然后发送P2P传送指令至网卡FPGA PCIE DMA引擎，网卡的DMA将网卡DDR的数据段传送至网卡PCIE SSD的Bar2空间，并存入PCIE SSD的DDR中。
在一种优选实施例中，所述网卡DDR的数据段通过P2P(Peer to Peer)传送至网卡PCIE SSD的Bar2空间。
在一种优选实施例中，所述Target端的FPGA判断所发送的ISCSI PDU是否为正确的ISCSI PDU，如果不正确，发送错误信息给Target端的驱动层，驱动发送重置指令到指定的session控制器，Initiator端重新发送ISCSI PDU；如果判断为正确，则保留TCP有效载荷(TCP payload)。
在一种优选实施例中，所述Target端的FPGA的Phy Core和TOE IP完成以太网物理层、MAC层以及TCP/IP层的协议解析，并保留TCP Payload。
所述Target端的FPGA根据解析结果，判断ISCSI PDU是否正确。
本发明第二个方面是提供一种通讯设备，包括：
ISCSI PDU接收模块，用于接收Initiator端发送的ISCSI PDU；
ISCSI PDU判断模块，用于判断Initiator端发送的ISCSI PDU是否正确；
ISCSI PDU解析模块，用于解析ISCSI PDU并保留TCP Payload(TCP有效载荷)，并将TCP payload数据流进行PDU帧界定，找出ISCSI PDU中的BHS字段、可能存在的AHS字段和数据段；
网卡DDR，用于写入AHS字段和数据段；
Host DDR，用于写入PCIE TLP，其中，BHS字段通过CQ包入PCIE TLP中；CPU，用于接收BHS字段和可能的AHS字段，执行Initiator端发送的请求，并将执行请求所产生的相应和数据封装成第二ISCSI PDU，发送给Host DDR，Length判断模块，用于判断BHS字段长度length是否≥N；
PCIT DMA模块，在length≥N时，将网卡DDR中的信息搬运至Host DDR；
将Host DDR中的第二ISCSI PDU发送给网卡DDR；
DDR读取模块，读取网卡DDR中的第二ISCSI PDU发送给Initiator端。
在一种优选实施例中，所述通讯设备，还包括：
Opcode指令判断模块，判断Opcode是否为命令类型；
其中，在判断Opcode为命令类型时，Length指令判断模块判断length是否≥N。
在一种优选实施例中，所述通讯设备，还包括：
Flash地址技术模块，在判断Opcode不为命令类型时，应用层根据Login协商信息以及当前写命令的内容，计算当前数据段存储在Flash对应的地址；
PCIE SSD，PCIE SSD的DDR用于接收并存储网卡DDR中的数据段。
在更优选实施例中，所述通讯设备，还包括：
PCIE DMA引擎，用于通过P2P将网卡DDR中的数据段传输给PCIE SSD DDR。
本发明上述内容中，优选地，所述N优选为≥48。
本发明提供了一种基于TOE(TCP Offload Engine)网卡的Target端协议解析分流方法，使用FPGA中的TOE技术对以太网的MAC层和TCP/IP层协议进行解析；通过ISCSI解析模块对ISCSI PDU的BHS字段和AHS字段以及数据段进行分流处理，其中BHS字段通过PCIE TLP方式进行传输，必要的AHS字段通过PCIE DMA方式上传CPU，数据段利用PCIE P2P传输方式直接存储至PCIE SSD。与传统方式相比，该方法降低CPU负载并提升整体传输效率。
附图说明
图1为本发明基于TOE网卡的Target端协议解析分流方法流程示意图；
图2为本发明数据存储系统工作原理框图。
具体实施方式
实施例1
参照图1和图2，本实施例提供了一种基于TOE网卡的Target端协议解析分流方法和一种基于该方法的通讯设备。
initiator端与target端通过TOE网卡建立链接，以10Gb以太网PHY(PortPhysical Layer，端口物理层)为例，initiator端发送给Target端的请求被封装成ISCSIPDU，ISCSI PDU包括BHS字段和可能存在的AHS字段和可能存在的数据段。
Target端的FPGA的PHY核(PHY Core)以及TOE IP对ISCSI PDU完成以太网物理层、MAC层以及TCP/IP层的协议解析。判断是否为正确的ISCSI PDU，如果不是正确的ISCSIPDU，则发送PDU错误信息给驱动层，驱动层发送重置指令到指定的session服务器，ISCSI模式初始化之后，initiator端重新发送ISCSI PDU。
如果判断ISCSI PDU为正确，FPGA将对ISCSI PDU进行帧界定，即根据BHS字段的length从ISCSI PDU中找出BHS字段、可能存在的AHS字段和可能存在的数据段。
其中，AHS字段和数据段通过EMIF写入网卡DDR，BHS字段则通过CQ包入PCIE TLP直接写入Host DDR。
网卡的驱动层从Host DDR获取BHS字段，判断BHS字段长度Length是否大于预设值N(N为自然数，例如判断Length是否大于48)，如果判断为是，则驱动层实施DMA操作将写入TOE网卡DDR中的PDU剩余信息搬运至Host DDR，以供CPU处理；如果判断为否，则应用层将Host DDR中已获得的PDU全部信息(即BHS字段)发送给CPU处理。
Target端的响应和信息，封装的ISCSI PDU发送给Host DDR，由CPU通过DMA先将封装好的PDU由Host DDR搬运至Device DDR，然后发送Tx SQ命令，将数据发送出去。
实施例2
参照图1和图2，本实施例提供了另一种基于TOE网卡的Target端协议解析分流方法和一种基于该方法的通讯设备。
initiator端与target端通过TOE网卡建立链接，以10Gb以太网PHY(PortPhysical Layer，端口物理层)为例，initiator端发送给Target端的请求被封装成ISCSIPDU，ISCSI PDU包括BHS字段和可能存在的AHS字段和可能存在的数据段。
Target端的FPGA的PHY核(PHY Core)以及TOE IP对ISCSI PDU完成以太网物理层、MAC层以及TCP/IP层的协议解析。判断是否为正确的ISCSI PDU，如果不是正确的ISCSIPDU，则发送PDU错误信息给驱动层，驱动层发送重置指令到指定的session服务器，ISCSI模式初始化之后，initiator端重新发送ISCSI PDU。
如果判断ISCSI PDU为正确，FPGA将对ISCSI PDU进行帧界定，即根据BHS字段的length从ISCSI PDU中找出BHS字段、可能存在的AHS字段和可能存在的数据段。
其中，AHS字段和数据段通过EMIF写入网卡DDR，BHS字段则通过CQ包入PCIE TLP直接写入Host DDR。
网卡的驱动层从Host DDR获取BHS字段，根据BHS字段中的Opcode和Length做进一步操作指令，具体包括：
首先，CPU驱动层判断Opcode是否为命令类型，如果是，则接下来驱动层判断Length是否≥预设值48；如果否，则驱动层将BHS字段传送至CPU，CPU根据Login协商信息以及当前写命令内容，计算出当前数据段的存储在Flash中对应的地址；然后根据该地址，发送P2P传送指令至网卡FPGA PCIE DMA引擎，网卡的DMA将网卡DDR的数据段传通过P2P方式送至网卡PCIE SSD的Bar2空间，并存入PCIE SSD的DDR中。
在判断BHS字段长度Length是否大于预设值N(N为自然数，例如判断Length是否大于48)的过程中，如果判断为是，则驱动层实施DMA操作将写入TOE网卡DDR中的PDU剩余信息搬运至Host DDR，以供CPU处理；如果判断为否，则CPU应用层将Host DDR中已获得的PDU全部信息(即BHS字段)发送给CPU处理。
本发明通过FPGA实现ISCSI的协议解析分流，极大减少了作为网络存储设备时CPU到PCIE之间的数据流量，降低了CPU负载，打破了国产CPU(龙芯)北桥带宽的瓶颈。以龙芯3A3000为例，其CPU到PCIE设备实测的极限带宽约为500Mbyte/s，显然远远满足不了高速存储设备的需要，制约了国产化设备的应用。然而本发明配合TOE以及PCIE P2P技术，可以将龙芯服务器的网络数据存储性能提升至2Gbyte/s，可以满足绝大多数设备的性能需求，扩大了国产化CPU产品的应用空间，促进了我国自主研发CPU的发展。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (5)
1.一种基于TOE网卡的Target端协议解析分流方法，其特征在于，包括：
步骤1，Initiator端通过TOE网卡向Target端发送ISCSI PDU，TOE网卡的FPGA的PhyCore和TOE IP完成以太网物理层、MAC层以及TCP/IP层的协议解析，并保留TCP Payload，FPGA将对TCP Payload数据流进行PDU帧界定，找出ISCSI PDU中的BHS字段和可能存在的AHS字段与数据段；
步骤2，BHS字段通过CQ包入PCIE TLP写入Host DDR；将ISCSI PDU剩余信息的AHS字段和数据段通过EMIF写入TOE网卡DDR；
步骤3，TOE网卡的驱动层从Host DDR获取BHS字段，根据BHS字段中的Opcode和Length进行操作，包括：首先驱动层判断Opcode是否为命令类型，如果否，则驱动层将BHS字段传送至CPU，CPU根据Login协商信息以及当前Write Command内容，计算出当前数据段存储在Flash中对应的地址；然后发送P2P传送指令至TOE网卡FPGA PCIE DMA引擎，TOE网卡的DMA将TOE网卡DDR的数据段传送至TOE网卡PCIE SSD的Bar2空间，并存入PCIE SSD的DDR中；
如果是，则驱动层根据Length判断ISCSI PDU长度是否大于48字节，在判断ISCSI PDU长度是否大于48字节的过程中，如果判断为是，则驱动层实施DMA操作将写入TOE网卡DDR中的ISCSI PDU剩余信息搬运至Host DDR，以供CPU处理；如果判断为否，则应用层将Host DDR中已获得的BHS信息发送给CPU处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述TOE网卡DDR的数据段通过P2P传送至TOE网卡PCIE SSD的Bar2空间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Target端的FPGA判断所发送的ISCSIPDU是否为正确的ISCSI PDU，如果不正确，发送错误信息给Target端的驱动层，驱动层发送重置指令到指定的session控制器，Initiator端重新发送ISCSI PDU；如果判断为正确，则解析ISCSI PDU并保留TCP Payload。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Target端的FPGA根据协议解析的结果，判断ISCSI PDU是否正确。
5.一种通讯设备，其特征在于，包括：
ISCSI PDU接收模块，用于接收Initiator端发送的第一ISCSI PDU；
ISCSI PDU判断模块，用于判断Initiator端发送的第一ISCSI PDU是否正确；
ISCSI PDU解析模块，用于解析第一ISCSI PDU并保留TCP Payload，并将TCP Payload数据流进行PDU帧界定，找出第一ISCSI PDU中的BHS字段、可能存在的AHS字段和数据段；
TOE网卡DDR，用于写入AHS字段和数据段；
Host DDR，用于写入PCIE TLP，其中，BHS字段通过CQ包入PCIE TLP中；
CPU，用于接收BHS字段和可能存在的AHS字段，执行Initiator端发送的请求，并将执行请求所产生的相应数据封装成第二ISCSI PDU，发送给Host DDR；
Length判断模块，用于判断第一ISCSI PDU长度是否大于48字节；
PCIE DMA模块，在第一ISCSI PDU长度大于48字节时，将TOE网卡DDR中的信息搬运至Host DDR；将Host DDR中的第二ISCSI PDU发送给TOE网卡DDR；
DDR读取模块，读取TOE网卡DDR中的第二ISCSI PDU发送给Initiator端；
所述通讯设备还包括：
Opcode指令判断模块，判断Opcode是否为命令类型；
其中，在判断Opcode为命令类型时，Length判断模块判断第一ISCSI PDU长度是否大于48字节；
所述通讯设备还包括：
Flash地址计算模块，在判断Opcode不为命令类型时，应用层根据Login协商信息以及当前写命令的内容，计算当前数据段存储在Flash中对应的地址；
PCIE SSD，PCIE SSD的DDR用于接收并存储TOE网卡DDR中的数据段；
所述通讯设备还包括：PCIE DMA引擎，用于通过P2P将TOE网卡DDR中的数据段传输给PCIE SSD DDR；
其中，TOE网卡的驱动层从Host DDR获取BHS字段，根据BHS字段中的Opcode和Length进行操作，包括：首先驱动层判断Opcode是否为命令类型，如果否，则驱动层将BHS字段传送至CPU，CPU根据Login协商信息以及当前Write Command内容，计算出当前数据段的存储在Flash中对应的地址；然后发送P2P传送指令至TOE网卡FPGA PCIE DMA引擎，TOE网卡的DMA将TOE网卡DDR的数据段传送至TOE网卡PCIE SSD的Bar2空间，并存入PCIE SSD的DDR中；
如果是，则驱动层根据Length判断第一ISCSI PDU长度是否大于48字节，在判断第一ISCSI PDU长度是否大于48字节的过程中，如果判断为是，则驱动层实施DMA操作将写入TOE网卡DDR中的PDU剩余信息搬运至Host DDR，以供CPU处理；如果判断为否，则应用层将HostDDR中已获得的BHS信息发送给CPU处理。
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