CN114374748A - 基于fpga加速处理证券行情中tcp镜像的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置，在不增加任何成本的前提下提高接收TCP数据的效率。其技术方案为：根据TCP协议，在FPGA中实现对TCP接收侧的数据即TCP镜像数据进行TCP负载提取，再通过FPGA实现行情业务解析并通过UDP协议将证券行情转发给客户。经济方面，通过TCP镜像处理模块可实现不增加证券行情网关的条件下，实现了FPGA对行情数据的提取、解析与转发；速度方面，在遵守TCP协议下，简化了FPGA接收TCP镜像数据的处理方式，大幅提高了接收TCP数据的效率。

Description

基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置

技术领域

本发明涉及一种信息处理装置，具体涉及一种基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置。

背景技术

证券行情是证券交易所通过证券行情网关进行的行情数据分发。目前FPGA硬件极速行情与证券行情网关的连接方式一般分为2种：TCP直连行情网关而进行的行情数据接收；软件TCP直连行情网关并同时通过镜像给FPGA进行的行情数据接收。

当前对于后者的连接方式，现有FPGA的行情接收，需要按照完整的TCP接收协议对镜像数据进行接收，需要处理大量逻辑(异常保护、错包检测、丢包重传等等很多功能)，增加了时延。但实际行情接收的环境比较理想，无需实现完备的TCP接收功能，只需要处理sequence的序号连续就可以了，因而现有的这种完整TCP接收协议的处理并不是一种必须的处理方式。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置，在不增加任何成本的前提下提高接收TCP数据的效率。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置，包括网络接收模块、TCP镜像处理模块、行情业务模块、UDP协议封装模块、网络发送模块，其中：

网络接收模块，接收网络数据，将网络数据包中的网络负载输出给TCP镜像处理模块；

TCP镜像处理模块，根据配置的IP地址、端口号，基于TCP协议对TCP镜像数据进行TCP负载的提取，并将提取到的TCP负载的数据传输给行情业务模块；

行情业务模块，根据交易所协议，将来自TCP镜像处理模块传输来的TCP负载的数据解析为行情数据，并将行情数据发送给UDP协议封装模块；

UDP协议封装模块，将行情数据封装成一个完整的UDP格式的数据包，将UDP格式的数据包传输给网络发送模块；

网络发送模块，将UDP格式的数据向外部传输。

根据本发明的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置的一实施例，装置还包括：

系统控制模块，对装置中的各个模块进行配置、启动、监控、关闭的控制。

根据本发明的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置的一实施例，TCP镜像处理模块包括地址与端口校验单元、提取负载单元、序号检测单元，其中：

地址与端口校验单元，接收来自网络接收模块传输来的网络负载数据后，对接收的网络负载数据进行滤除，去除非匹配的数据包，将匹配的数据包即TCP镜像数据包传输至提取负载单元；

提取负载单元，根据来自地址与端口校验单元传输来的TCP镜像数据包的头部中所包含的TCP负载的长度信息，提取TCP负载，同时计算TCP负载对应的校验和，与TCP镜像数据包头部所包含的校验和进行比较，如果不一致则丢弃该TCP镜像数据包，如果一致则将TCP镜像数据包头部中含有的序列号信息与计算出的TCP镜像数据包中的TCP负载的长度信息，一起传输给序号检测单元；

序号检测单元，根据TCP协议，基于提取负载单元传输来的当前TCP镜像数据包的序列号、上一个TCP镜像数据包的序列号以及TCP负载的长度的比较，对当前TCP镜像数据包进行对应的处理，以使接收的TCP数据包头部中所含有的序列号的值连续增长。

根据本发明的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置的一实施例，地址与端口校验单元是通过配置目的IP地址和端口号、源IP地址和端口号对接收的网络负载数据进行滤除。

根据本发明的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置的一实施例，序号检测单元通过多个先进先出的数据缓冲对序列号进行简化判断。

根据本发明的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置的一实施例，序号检测单元通过先进先出的数据缓冲对序列号进行简化判断的具体处理包括：

当前TCP镜像数据包的序列号小于上一个TCP镜像数据包的序列号加TCP负载的长度，且当前TCP镜像数据包的序列号加当前TCP镜像数据包的TCP负载的长度也小于上一个TCP镜像数据包的序列号加TCP负载的长度，则当前TCP镜像数据包丢弃；

当前TCP镜像数据包的序列号小于上一个TCP镜像数据包的序列号加TCP负载的长度，但当前TCP镜像数据包的序列号加当前TCP镜像数据包的TCP负载的长度，大于上一个TCP镜像数据包的序列号加TCP负载的长度的，则将当前TCP镜像数据包中的部分数据丢弃至序列号连续，再将剩余的数据传输给后续模块；

当前TCP镜像数据包的序列号等于上一个TCP镜像数据包的序列号加TCP负载的长度，则将当前TCP镜像包直接传输给后续模块；

当前TCP镜像数据包的序列号大于上一个TCP镜像数据包的序列号加TCP负载的长度，则将数据暂时存储在多个先进先出缓存中的一个，如果后续有TCP镜像数据包能形成序列号的值连续，再从该多个先进先出缓存中根据序列号的规则将数据传输给后续模块。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明基于FPGA对证券行情的TCP镜像数据进行加速处理。根据TCP协议，在FPGA中实现对TCP接收侧的数据即TCP镜像数据进行payload(TCP负载)提取，再通过FPGA实现行情业务解析并通过UDP协议将证券行情转发给客户。

相较于现有的技术，经济方面，通过TCP镜像处理模块可实现不增加证券行情网关的条件下(每增加一个行情网关都需要收取一定的费用)，实现了FPGA对行情数据的提取、解析与转发；速度方面，在遵守TCP协议下，简化了FPGA接收TCP镜像数据的处理方式(时延控制在三十纳秒以内)，大幅提高了接收TCP数据的效率。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了本发明的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置的一实施例的原理图。

图2示出了图1所示的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置实施例中的TCP镜像处理模块的实现原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

图1示出了本发明的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置的一实施例的原理。请参见图1，本实施例的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置包括：网络接收模块、TCP镜像处理模块、行情业务模块、UDP协议封装模块、网络发送模块、系统控制模块。上述模块是以模块为单位，在FPGA芯片上实现的功能。

网络接收模块接收万兆以太网数据，并将网络数据包中的payload(网络负载)输出给TCP镜像处理模块。

TCP镜像处理模块根据配置的IP地址、端口(port)号，基于TCP协议对TCP镜像数据进行payload(TCP负载)的提取，并将提取到的TCP负载的数据传输给行情业务模块。网络数据由网络数据头(head)和网络负载(payload)两部分组成，其中网络负载(payload)就是TCP镜像数据。同理，TCP镜像数据也包含两部分，TCP的数据头(head)和TCP负载(payload)，其中TCP负载(payload)就是业务数据。

行情业务模块根据交易所协议，将来自TCP镜像处理模块传输来的TCP负载的数据解析为行情数据，并将行情数据发送给UDP协议封装模块。

UDP协议封装模块将行情数据封装成一个完整的UDP格式的数据包(UDP格式的数据包包括IP层、MAC层)并将UDP格式的数据包传输给网络发送模块。

网络发送模块通过网络光纤接口将UDP格式的数据传输给客户。

系统控制模块主要是通过PCIE接口，对整个装置中的各个模块进行配置、启动、监控、关闭。

图2示出了TCP镜像处理模块的具体实现原理。请参见图2，TCP镜像处理模块包括以下单元：地址与端口校验(IP_PORT_CHK)单元、提取负载(PAYLOAD)单元、序号检测(SEQ_CHK)单元。

地址与端口校验单元接收来自网络接收模块传输来的网络负载数据后，通过配置目的IP地址和端口(port)号、源IP地址和端口(port)号对接收的网络负载数据进行初步滤除，去除其中非匹配的数据包，并将匹配的数据包即TCP镜像数据包传输至提取负载单元。

提取负载单元根据来自地址与端口校验单元传输来的TCP镜像数据包的头部中所包含的TCP负载(payload)的长度信息，提取TCP负载，同时计算TCP负载对应的校验和(checksum)，并与TCP镜像数据包的头部中所包含的校验和(checksum)进行比较，如果不一致则丢弃该TCP镜像数据包，如果一致则将TCP镜像数据包头部中含有的序列号(sequencenumber)信息与计算出的TCP镜像数据包中的TCP负载的长度信息，一起传输给序号检测单元。

序号检测单元根据TCP协议，基于提取负载单元传输来的当前TCP镜像数据包的序列号、上一个TCP镜像数据包的序列号以及TCP负载的长度的比较，对当前TCP镜像数据包进行对应的处理，以使接收的TCP数据包头部中所含有的序列号(sequence number)值连续增长，从而保证接收TCP数据流的完整性。

目前接收证券行情一般都处于机房局域网范围，环境一般不会有其它干扰，因而在实现TCP镜像数据接收时，不需要完全实现TCP协议中的接收部分，序号检测单元通过8个FIFO((First Input First Output，先进先出)的数据缓冲对序列号进行简化判断，提高传输效率。

序号检测单元通过先进先出的数据缓冲对序列号进行简化判断的具体处理如下：

1，当前TCP镜像数据包的序列号小于上一个TCP镜像数据包的序列号+TCP负载的长度，且当前TCP镜像数据包的序列号加上当前TCP镜像数据包的TCP负载的长度，也小于上一个TCP镜像数据包的序列号+TCP负载的长度，则当前TCP镜像数据包丢弃；

2，当前TCP镜像数据包的序列号小于上一个TCP镜像数据包的序列号+TCP负载的长度，但当前TCP镜像数据包的序列号加上当前TCP镜像数据包的TCP负载的长度，大于上一个TCP镜像数据包的序列号+TCP负载的长度的，则需要将当前TCP镜像数据包中的部分数据丢弃至序列号连续，再将剩余的数据传输给后续模块(即行情业务模块)；

3，当前TCP镜像数据包的序列号等于上一个TCP镜像数据包的序列号+TCP负载的长度，则可将当前TCP镜像包直接传输给后续模块(即行情业务模块)；

4，当前TCP镜像数据包的序列号大于上一个TCP镜像数据包的序列号+TCP负载的长度，则需要将数据暂时存储在8个先进先出缓存中的一个，如果后续有TCP镜像数据包能形成序列号的值连续，再从这8个先进先出缓存中，根据序列号的规则将数据传输给后续模块(即行情业务模块)。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (6)

1.一种基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置，其特征在于，包括网络接收模块、TCP镜像处理模块、行情业务模块、UDP协议封装模块、网络发送模块，其中：

网络接收模块，接收网络数据，将网络数据包中的网络负载输出给TCP镜像处理模块；

TCP镜像处理模块，根据配置的IP地址、端口号，基于TCP协议对TCP镜像数据进行TCP负载的提取，并将提取到的TCP负载的数据传输给行情业务模块；

行情业务模块，根据交易所协议，将来自TCP镜像处理模块传输来的TCP负载的数据解析为行情数据，并将行情数据发送给UDP协议封装模块；

UDP协议封装模块，将行情数据封装成一个完整的UDP格式的数据包，将UDP格式的数据包传输给网络发送模块；

网络发送模块，将UDP格式的数据向外部传输。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置，其特征在于，装置还包括：

系统控制模块，对装置中的各个模块进行配置、启动、监控、关闭的控制。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置，其特征在于，TCP镜像处理模块包括地址与端口校验单元、提取负载单元、序号检测单元，其中：

地址与端口校验单元，接收来自网络接收模块传输来的网络负载数据后，对接收的网络负载数据进行滤除，去除非匹配的数据包，将匹配的数据包即TCP镜像数据包传输至提取负载单元；

提取负载单元，根据来自地址与端口校验单元传输来的TCP镜像数据包的头部中所包含的TCP负载的长度信息，提取TCP负载，同时计算TCP负载对应的校验和，与TCP镜像数据包头部所包含的校验和进行比较，如果不一致则丢弃该TCP镜像数据包，如果一致则将TCP镜像数据包头部中含有的序列号信息与计算出的TCP镜像数据包中的TCP负载的长度信息，一起传输给序号检测单元；

序号检测单元，根据TCP协议，基于提取负载单元传输来的当前TCP镜像数据包的序列号、上一个TCP镜像数据包的序列号以及TCP负载的长度的比较，对当前TCP镜像数据包进行对应的处理，以使接收的TCP数据包头部中所含有的序列号的值连续增长。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置，其特征在于，地址与端口校验单元是通过配置目的IP地址和端口号、源IP地址和端口号对接收的网络负载数据进行滤除。

5.根据权利要求3所述的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置，其特征在于，序号检测单元通过多个先进先出的数据缓冲对序列号进行简化判断。

6.根据权利要求5所述的基于FPGA加速处理证券行情中TCP镜像的装置，其特征在于，序号检测单元通过先进先出的数据缓冲对序列号进行简化判断的具体处理包括：

当前TCP镜像数据包的序列号小于上一个TCP镜像数据包的序列号加TCP负载的长度，且当前TCP镜像数据包的序列号加当前TCP镜像数据包的TCP负载的长度也小于上一个TCP镜像数据包的序列号加TCP负载的长度，则当前TCP镜像数据包丢弃；

当前TCP镜像数据包的序列号小于上一个TCP镜像数据包的序列号加TCP负载的长度，但当前TCP镜像数据包的序列号加当前TCP镜像数据包的TCP负载的长度，大于上一个TCP镜像数据包的序列号加TCP负载的长度的，则将当前TCP镜像数据包中的部分数据丢弃至序列号连续，再将剩余的数据传输给后续模块；

当前TCP镜像数据包的序列号等于上一个TCP镜像数据包的序列号加TCP负载的长度，则将当前TCP镜像包直接传输给后续模块；

当前TCP镜像数据包的序列号大于上一个TCP镜像数据包的序列号加TCP负载的长度，则将数据暂时存储在多个先进先出缓存中的一个，如果后续有TCP镜像数据包能形成序列号的值连续，再从该多个先进先出缓存中根据序列号的规则将数据传输给后续模块。

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