CN117221417A - 一种tcp/ip协议卸载引擎装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TCP/IP协议卸载引擎装置，属于微电子技术领域和网络协议处理技术领域。本发明包括接口控制模块、TOE硬件模块、MAC功能模块和Bypass通路模块，处理模块结构符合网络分层设计，并且建立多通道结合相同数目的Session控制模块的结构，提高数据处理的效率；通路模块和Session控制模块具有可扩展性，针对不同的数据速率可以配置相对应的通道资源。本发明使用全硬件的方式，实现TCP、UDP、IP、ICMP、ARP协议的控制与数据收发，硬件实现TCP协议的处理，在多通道控制的情况下结合Session控制，针对实际应用增加复位清空状态控制、保证控制整体稳定。

Description

一种TCP/IP协议卸载引擎装置

技术领域

本发明属于微电子技术领域和网络协议处理技术领域，特别是指一种TCP/IP协议卸载引擎装置。

背景技术

伴随互联网的快速发展，基于TCP/IP协议的网络应用越来越广泛。使用软件方式实现TCP/IP协议网络数据处理相对简单灵活，随着数据量的增大软件处理占用更多处理器资源，导致收发网络数据效率偏低。为提高TCP协议数据处理效率，将部分软件工作使用硬件实现，能够有效减少处理器工作量，加速协议处理速度，降低网络通信时延，提高网络数据收发效率。

随着网络数据高速处理需求不断强化，更多应用场景需要使用全硬件化的TCP/IP协议，即传输控制协议卸载引擎(TOE)。TOE可以应用于FPGA工程或者ASIC设计，作为独立完整的功能模块或者作为以太网数据加速处理部分配合CPU处理数据，实现网络协议处理的加速功能。TOE支持多通道和多Session控制模块配合处理数据，更好的与应用层对接，使得软硬件结构有序合理。

目前许多文献中提到全硬件化处理TCP/IP协议的装置和方法。例如，中国专利文献CN202110635842.4数据处理方法、TOE硬件及计算机可读存储介质，专利CN201811134308.X处理TCP报文的方法、TOE组件以及网络设备，专利CN201410067748.3一种全硬件TCP协议栈实现方法。但是，这些现有技术缺乏UDP协议和Bypass方式，控制和存储空间会相互干扰。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种TCP/IP协议卸载引擎装置，即传输控制协议卸载引擎(TOE)，通过全硬件的方式，实现TCP、UDP、IP、ICMP、ARP协议的控制与数据收发。同时具有bypass功能，可以直接完成包含协议的以太网帧收发。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种TCP/IP协议卸载引擎装置，通过全硬件的方式实现TCP、UDP、IP、ICMP、ARP协议的控制与数据收发，包括接口控制模块、TOE硬件模块、MAC功能模块和Bypass通路模块；

所述接口控制模块用于实现模块配置和数据传输的模式选择；将地址数据位的高两位作为控制位区分模式，包括网络数据传输模式、接口控制模块配置模式、TOE硬件模块配置模式、MAC功能模块配置模式，接口控制模块根据两比特控制位数值0-3确定对应模式以进行数据处理；

所述TOE硬件模块以全硬件化方式实现TCP/IP协议，TOE硬件模块包括：FIFO存储模块、sm控制模块、rx控制模块、选择控制模块；FIFO存储模块又包括TCPFIFO模块、UDPFIFO模块、BypassFIFO模块，sm控制模块又包括：Tcpsm模块、Udpsm模块，rx控制模块又包括：Tcprx模块、Udprx模块、Bypassrx模块，选择控制模块又包括：Session控制模块、通道模块、寄存器模块；

发送数据时，数据依据配置分为TCP协议、UDP协议和Bypass数据，结合Session控制和寄存器数据将数据存储在三个独立的FIFO存储空间中，TCP协议模式将经过TCPFIFO缓存的数据送入Tcpsm模块，在状态控制作用下，给数据添加TCP帧头、IP帧头、MAC帧头，完成协议帧的添加处理；UDP协议模式将经过UDPFIFO缓存的数据送入Udpsm模块，在状态控制作用下，给数据添加UDP帧头、IP帧头、MAC帧头，产生符合协议的发送数据；Bypass模式将经过BypassFIFO缓存的数据直接进行MAC帧结构添加，然后形成发送数据；

接收数据时，使用流水方式进行数据处理，按照以太网数据的分层结构将数据拆分成帧头和数据负载，识别并记录MAC地址、IP地址、端口号，识别出ARP协议、ICMP协议、TCP协议、UDP协议、Bypass模式帧数据；Tcprx模块处理ARP协议、ICMP协议、TCP协议帧数据，Udprx模块处理UDP协议帧数据，Bypass模块处理Bypass模式帧数据，在处理过程中对数据帧结构识别和数据收集的同时，将控制模块的Session控制和寄存器数据完成更新，最终三路数据通过控制选择，输出到端口缓存区并且更新数据帧的控制信息；

所述MAC功能模块完成全硬件化的MAC协议；

所述Bypass通路模块完成接口控制模块和MAC功能模块的数据直通，TOE硬件模块不处理TCP/IP的负载数据，收发数据在MAC功能模块中进行CRC校验。

进一步地，TOE硬件模块中，每个通道对应一个Session状态机模块，Session状态机模块控制通道的发送数据和接收数据的MAC地址、IP地址、port值的帧内容信息以及Session通道号、数据类型、数据长度的数据帧控制信息；通过初始化TCP状态配置，开启或者停止Session的运行，主端控制在Session建立通信之前，禁止发送数据到发送接口，主机侧发送FIFO为空Session还会保持，如果接收到FIN帧，Session会停掉；Session状态机开始后首先判断远端信息是否完整，即ARP协议寄存器是否更新数据，将TCP的控制区分为服务器端和客户端，客户端主动发起握手发送SYN帧，正常三次握手后进入通道建立状态；在状态跳转过程中，添加时间检测和复位状态跳转；Session状态机和Tcpsm状态机相互配合，传递状态信号实时读取和更新寄存器，将Session状态机信息传递给Tcpsm模块进行组帧。

进一步地，TOE硬件模块中的通路控制和Session控制模块具有扩展性，针对不同的数据速率配置相对应的通道资源；接口控制模块读取数据帧随的帧控制信息，包含数据类型、数据长度、Session通道号，供上层处理器控制接收FIFO读取的数据长度，完成网络数据帧识别处理。

进一步地，TOE硬件模块中，接收到ARP协议帧后触发硬件控制模块，自动将寄存器的控制信息，按照状态控制过程完成ARP协议组帧，并及时回复信息；接收到ICMP协议帧后触发控制模块，自动将寄存器控制信息，按照状态控制过程完成ICMP协议组帧，及时回复信息；负载数据存入相应存储空间。

本发明的有益效果在于：

1、本发明实现了TCP/IP协议族的复杂控制和数据处理，在多通道控制的情况下结合Session控制，增加了状态控制的稳定性。在TCP协议实现的基础上支持UDP协议，复用了通道处理和部分的状态控制，节约部分硬件开销。同时支持Bypass模式，增加了灵活处理二层以上网络信息的方式。

2、本发明针对TCP协议设计，在TCP协议的基础上复用硬件资源，增加了UDP协议和Bypass方式，控制和存储空间相互独立，避免相互干扰。面对复杂网络应用区别协议存储控制的方式更加灵活高效。

3、本发明可以直接完成包含协议的以太网帧收发，硬件实现流量控制的Pause模块，会生成Pause帧。

附图说明

图1是TCP/IP协议卸载引擎装置的结构示意图。

图2是数据发送方向控制和数据结构图。

图3是数据接收方向控制和数据结构图。

图4是TCP协议连接、断开状态图。

图5是Session状态控制结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种TCP/IP协议卸载引擎装置，使用符合以太网数据的分层结构处理，整体结构主要包括接口控制模块、TOE硬件模块、MAC功能模块和Bypass通道模块。如果作为内部集成TOE硬件模块可以选择内部总线形式传输数据，如果作为独立模块可以选择MCU外接端口总线的形式。通过总线接口传输完成配置和数据交互，将TOE模块完成TCP/IP协议层数据处理，MAC功能模块完成MAC层数据处理，通过MAC和PHY的标准接口经过PHY芯片传输数据。

在接口控制模块部分，主要分为配置控制和数据传输两个功能。在配置控制中将地址数据位的高两位作为TOE硬件模块、MAC功能模块、接口控制寄存器和网络数据的控制位。在数据传输中数据依据配置区分为TCP协议、UDP协议和Bypass数据，结合控制信号在三个独立的FIFO存储空间。

在以太网数据帧处理中，利用数据流水结构，多协议模块同时识别提取数据信息，流水数据处理过程中确定协议类型。并且建立多通道结构结合相同数目的Session控制模块，提高数据处理的效率。通路控制和Session控制模块具有可扩展性，针对不同的数据速率可以配置相对应的通道资源。

在TCP协议控制中使用状态机控制，结合寄存器和控制模块信号完成TCP协议的状态控制，并且添加异常处理状态分支，考虑复杂情况下控制稳定。

根据ARP协议，硬件解析数据帧，将接收数据帧中远端的MAC地址、IP地址、port值自动填充到相应寄存器位置。通过寄存器配置可以触发ARP请求网络协议帧的发起。

根据ICMP协议，硬件解析数据帧，对携带信息进行存储，自动组帧根据寄存器信息进行回复。通过寄存器配置可以触发ICMP网络协议帧的发起。

Bypass模式使用独立的FIFO收发网络数据，通过寄存器控制可以实现对收发数据是否使用Bypass模式。在这种模式下MAC层接收数据直接连接到接口控制模块，TOE模块不处理TCP/IP的负载数据，收发数据在MAC模块进行CRC校验。

服务器端和客户端主要不同是状态跳转的起始，客户端发送一个ARP请求，服务器端发送ARP回复，成功填充信息后可以使用同一套的状态控制机制。

服务器端和客户端通过3次握手过程，建立连接状态；关闭连接状态区分主动端和被动端，状态机控制下完成的4次挥手过程，断开连接状态。

通过初始化TCP状态配置，可以开启或者停止Session的运行。主端控制在Session建立通信之前，禁止发送数据到发送接口。主机侧发送FIFO为空Session还会保持，如果接收到FIN帧，Session会停掉。

断开Session连接的三种方式：数据发送完成，主动断开连接；TCP的Reset控制有效帧；到达设置的最大重试时间，伴随发送TCP的Reset控制有效帧。远端发送结束并且发送FIN(伴随ACK)，主机端回复ACK帧，无论主机端是服务器端服务还是客户端服务，都会自动关闭Session通道。

TCP数据处理的模块包含握手控制和以太网帧数据检查模块，该模块用于请求回复等握手信号，接收模块传递过来的接收数据帧头的各字段信息等的缓存，然后发送给TCP数据的发送处理模块Tcpsm，用于构建TCP帧。

UDP数据的发送处理在Udpsm中,接收模块传递过来的接收数据帧头的各字段信息等的缓存,用于构建udp帧。

每个帧有Session通道数和数据帧信息。可以将相关信息提供给主机端。数据帧信息比较重要，包含数据类型、数据长度、Session通道号，方便上层处理器控制接收FIFO读取的数据长度，对网络帧识别。

每个Session均有独立的控制和信息模块，用于收集发送数据和接收数据的ipaddr,tcp port等头部信息，来确定发送与接收数据是否处于同一Session。还可以根据接收数据的header各字段信息，更新相关的TOE寄存器信息等。

该装置主要通过主控端口进行控制和收发数据，发送数据时从主控接口模块输入的数据，按照TCP、UDP协议的要求，在分层结构控制下加上各个协议的包头(header)，最后形成以太网帧形式的数据经过MAC模块输出；同样，接收外部以太网帧数据经过MAC模块，然后并行流水去识别携带的网络协议，去掉协议的包头，将数据负载(payload)输出到上层主控端口。

下面为一个更具体的例子：

一种TCP/IP协议卸载引擎装置，整体结构如图1所示，主要包括接口控制模块、TOE硬件模块、MAC功能模块和Bypass通道模块，处理模块结构符合网络分层设计。发送数据时，主控端口写入要发送的数据按网络结构层次依次处理，在数据负载中添加一些从上层获取的信息和本层的协议帧结构，并将其一并转发给下一层，最终通过MAC模块的与PHY的接口输出到网络。接收数据时，对接收网络数据进行信息识别和存储，去掉本层协议帧结构，将负载数据传输到上层，网络结构层次依次处理，最终上传到端口缓存区，并且将帧控制信息存入相应寄存器，并在状态寄存器的相关位置进行标识。利用数据流水结构，多协议模块同时识别提取数据信息，流水数据处理过程中确定协议类型。可以配置寄存器中断触发方式，最终将负载数据从主控端口输出。

发送方向数据流处理过程如图2所示，具体如下：主控端口写入数据进入TOE模块，首先根据控制配置去区分TCP协议、UDP协议和Bypass模式数据，三种模式对应三个FiFO存储处理空间。TCP协议缓存数据进入Tcpsm模块，在状态控制作用下，数据添加TCP帧头、IP帧头、MAC帧头，完成协议帧的添加处理。帧结构的各字段信息来源于TOE、MAC的寄存器。UDP协议经过UDP_FIFO缓存的数据进入Udpsm模块，在状态控制作用下，数据添加UDP帧头、IP帧头、MAC帧头，最终产生符合协议的发送数据。Bypass模式数据不经过TOE模块，直接进行MAC帧结构添加，然后形成发送数据。

接收方向数据流处理过程如图3所示，具体如下：接收数据进入TOE接口，使用流水数据处理，数据被拆分成帧头和数据负载，识别并记录MAC地址、IP地址、端口号等信息。流水处理接收信息，多模块并行处理帧数据，识别出ARP协议、ICMP协议、TCP协议、UDP协议和Bypass数据帧，在确认协议帧类型后相对应的硬件模块状态跳转继续进行，其他协议状态机可以相应调整状态。负载数据在TOE模块处理过程中主要分为TCP协议、UDP协议和Bypass模式三个硬件模块，在处理过程中对数据帧结构识别数据收集的同时，将模块的状态控制结构和寄存数据完成更新，最终三路数据会有mux选择，输出到端口缓存区并且更新数据帧的控制信息。

ARP协议可以通过寄存器控制硬件模块产生，接收到ARP协议后触发ARP硬件控制模块，自动将寄存器的控制信息，按照状态控制过程完成ARP协议组帧，并及时回复信息。

ICMP协议通常也是寄存器控制硬件模块产生，接收到ICMP协议帧后触发控制模块，自动将寄存器控制信息，按照状态控制过程完成ICMP协议组帧，及时回复信息，对于负载数据存入相应存储空间。

TCP的控制比较复杂，如图4所示，通过寄存器配置可选为服务器模式和客户端模式，TCP建立连接需要状态机负责控制完成的3次握手过程。通常在物理连接建立后，通过寄存器配置发送ARP请求帧，对端回复ARP回复帧，这样可以在选择的Session中间完整的MAC地址、IP地址、PORT信息。第一次握手作为客户端模式配置会主动发送SYN帧尝试建立握手，并进入SYN_SEND状态；第二次握手接收SYN包确认后，服务器端口会回复SYN_ACK帧服务器端进入SYN_RECV状态；第三次客户端接收SYN_ACK帧并确认，再次回复ACK帧。客户端和服务器端同时进入建立连接状态，建立通信连接完成三次握手。在连接建立的状态下，双方都可以发送数据。

TCP关闭连接需要进行4次挥手，如图4所示，TCP连接关闭有主动关闭和被动关闭，两个数据通路的关闭顺序也有先后之分。第一次挥手主动关闭端发送FIN帧，提出中断请求；第二次挥手被动关闭端接收FIN包确认后被动端发送ACK帧；第三次挥手被动关闭端发送FIN和ACK帧；第四次挥手主动关闭端接收FIN和ACK包确认后发送ACK帧。被动段进入关闭状态，主动段等待一定时间后进入关闭状态。

TCP协议的控制，需要寄存器、Session状态机、tcpsm状态机相互作用，如图5所示。开始状态后首先判断远端信息是否完整，即ARP协议寄存器是否更新数据，将TCP的控制区分为服务器端和客户端，客户端主动发起握手发送SYN帧，正常三次握手可以进入通道建立状态，在状态跳转过程中，考虑复杂情况，添加时间检测和复位状态跳转，使控制更加稳健，不会受困于某状态。Session状态机和tcpsm状态机相互配合，传递状态信号，独立控制和组帧控制相结合，对于寄存器信息进行实时读取和更新。四次挥手也区分了主动端和被动端，对于Session控制关闭和复位与清除信息，保证通道的高效使用。

总之，本发明的处理模块结构符合网络分层设计，并且建立多通道结构结合相同数目的Session控制模块，提高数据处理的效率；通路控制和Session控制模块具有可扩展性，针对不同的数据速率可以配置相对应的通道资源。本发明使用全硬件的方式，实现TCP、UDP、IP、ICMP、ARP协议的控制与数据收发，硬件实现TCP协议的处理，在多通道控制的情况下结合Session控制，针对实际应用增加复位清空状态控制、使整体控制更加稳定。本发明硬件实现UDP协议复用了通道处理和部分的状态控制，同时支持Bypass模式，增加了灵活处理二层以上网络信息的手段。依据配置区分为TCP协议、UDP协议和Bypass数据，结合控制信号在三个独立的FIFO存储空间。

Claims (4)

1.一种TCP/IP协议卸载引擎装置，通过全硬件的方式实现TCP、UDP、IP、ICMP、ARP协议的控制与数据收发，其特征在于，包括接口控制模块、TOE硬件模块、MAC功能模块和Bypass通路模块；

所述接口控制模块用于实现模块配置和数据传输的模式选择；将地址数据位的高两位作为控制位区分模式，包括网络数据传输模式、接口控制模块配置模式、TOE硬件模块配置模式、MAC功能模块配置模式，接口控制模块根据两比特控制位数值0-3确定对应模式以进行数据处理；

所述TOE硬件模块以全硬件化方式实现TCP/IP协议，TOE硬件模块包括：FIFO存储模块、sm控制模块、rx控制模块、选择控制模块；FIFO存储模块又包括TCP FIFO模块、UDP FIFO模块、Bypass FIFO模块，sm控制模块又包括：Tcpsm模块、Udpsm模块，rx控制模块又包括：Tcprx模块、Udprx模块、Bypassrx模块，选择控制模块又包括：Session控制模块、通道模块、寄存器模块；

发送数据时，数据依据配置分为TCP协议、UDP协议和Bypass数据，结合Session控制和寄存器数据将数据存储在三个独立的FIFO存储空间中，TCP协议模式将经过TCP FIFO缓存的数据送入Tcpsm模块，在状态控制作用下，给数据添加TCP帧头、IP帧头、MAC帧头，完成协议帧的添加处理；UDP协议模式将经过UDP FIFO缓存的数据送入Udpsm模块，在状态控制作用下，给数据添加UDP帧头、IP帧头、MAC帧头，产生符合协议的发送数据；Bypass模式将经过Bypass FIFO缓存的数据直接进行MAC帧结构添加，然后形成发送数据；

接收数据时，使用流水方式进行数据处理，按照以太网数据的分层结构将数据拆分成帧头和数据负载，识别并记录MAC地址、IP地址、端口号，识别出ARP协议、ICMP协议、TCP协议、UDP协议、Bypass模式帧数据；Tcprx模块处理ARP协议、ICMP协议、TCP协议帧数据，Udprx模块处理UDP协议帧数据，Bypass模块处理Bypass模式帧数据，在处理过程中对数据帧结构识别和数据收集的同时，将控制模块的Session控制和寄存器数据完成更新，最终三路数据通过控制选择，输出到端口缓存区并且更新数据帧的控制信息；

所述MAC功能模块完成全硬件化的MAC协议；

所述Bypass通路模块完成接口控制模块和MAC功能模块的数据直通，TOE硬件模块不处理TCP/IP的负载数据，收发数据在MAC功能模块中进行CRC校验。

2.根据权利要求1所述的一种TCP/IP协议卸载引擎装置，其特征在于，TOE硬件模块中，每个通道对应一个Session状态机模块，Session状态机模块控制通道的发送数据和接收数据的MAC地址、IP地址、port值的帧内容信息以及Session通道号、数据类型、数据长度的数据帧控制信息；通过初始化TCP状态配置，开启或者停止Session的运行，主端控制在Session建立通信之前，禁止发送数据到发送接口，主机侧发送FIFO为空Session还会保持，如果接收到FIN帧，Session会停掉；Session状态机开始后首先判断远端信息是否完整，即ARP协议寄存器是否更新数据，将TCP的控制区分为服务器端和客户端，客户端主动发起握手发送SYN帧，正常三次握手后进入通道建立状态；在状态跳转过程中，添加时间检测和复位状态跳转；Session状态机和Tcpsm状态机相互配合，传递状态信号实时读取和更新寄存器，将Session状态机信息传递给Tcpsm模块进行组帧。

3.根据权利要求1所述的一种TCP/IP协议卸载引擎装置，其特征在于，TOE硬件模块中的通路控制和Session控制模块具有扩展性，针对不同的数据速率配置相对应的通道资源；接口控制模块读取数据帧随的帧控制信息，包含数据类型、数据长度、Session通道号，供上层处理器控制接收FIFO读取的数据长度，完成网络数据帧识别处理。

4.根据权利要求1所述的一种TCP/IP协议卸载引擎装置，其特征在于，TOE硬件模块中，接收到ARP协议帧后触发硬件控制模块，自动将寄存器的控制信息，按照状态控制过程完成ARP协议组帧，并及时回复信息；接收到ICMP协议帧后触发控制模块，自动将寄存器控制信息，按照状态控制过程完成ICMP协议组帧，及时回复信息；负载数据存入相应存储空间。