基于FPGA的TCP粘合設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在應(yīng)用級(jí)代理的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)處理的速度，提出了TCP粘合技術(shù)[1]。該技術(shù)在通信雙方建立通信之處對(duì)雙方的握手信號(hào)以及通信原語(yǔ)進(jìn)行分析，獲取必要的信息，決定數(shù)據(jù)的流向，一旦雙方開(kāi)始通信，該代理就不再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而僅起到了一個(gè)透明網(wǎng)關(guān)的作用，從而提高了代理的系統(tǒng)性能。

TCP粘合技術(shù)采用軟件處理方式時(shí)，由于大量數(shù)據(jù)包不需要上層解析，因此提高了系統(tǒng)性能，但是受軟件處理速度的限制，該技術(shù)能很難應(yīng)用于大規(guī)模的集群系統(tǒng)，本文提出了一種基于FPGA的TCP粘合技術(shù)的高速實(shí)現(xiàn)機(jī)制，利用硬件的高速處理特性和流水線的技術(shù)來(lái)適應(yīng)高速網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰?/P>

1 現(xiàn)存的TCP粘合技術(shù)

TCP粘合原理如下：（1）監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端的連接請(qǐng)求，并在客戶(hù)端發(fā)出連接請(qǐng)求后（從SYN開(kāi)始），建立客戶(hù)端到均衡器之間的連接（通過(guò)TCP的三次握手協(xié)議完成），（2）在隨后的請(qǐng)求報(bào)文中分析數(shù)據(jù)并決定真正被訪問(wèn)的服務(wù)節(jié)點(diǎn)。（3）與服務(wù)節(jié)點(diǎn)建立性一個(gè)連接，將兩個(gè)連接粘合在一起（splicing）。其TCP粘合原理示意圖如圖1所示[2]。

2 TCP粘合技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)

TCP粘合技術(shù)的關(guān)鍵在于，當(dāng)客戶(hù)端發(fā)起連接請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)并不是立即將該請(qǐng)求發(fā)給后端服務(wù)器，而是偽裝成服務(wù)器與客戶(hù)端建立連接，取得用戶(hù)的GET數(shù)據(jù)包，通過(guò)對(duì)URL的匹配來(lái)找到信息在后端服務(wù)器的位置，然后再在客戶(hù)端與服務(wù)器之間建立連接通信。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

TCP粘合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該系統(tǒng)中首先由客戶(hù)數(shù)據(jù)接收端對(duì)接收到的HTTP報(bào)文進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包為一個(gè)發(fā)起連接的SYN數(shù)據(jù)包時(shí)，傳給地址管理單元，地址管理就為該連接分配一個(gè)地址空間，同時(shí)通過(guò)映射單元告訴客戶(hù)數(shù)據(jù)發(fā)送端與客戶(hù)端完成三次握手，建立連接。

當(dāng)客戶(hù)數(shù)據(jù)接收端收到GET數(shù)據(jù)包時(shí)，將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給字符串匹配表，該表會(huì)將信息在后端服務(wù)器的位置返回給地址管理單元，地址管理單元將該信息送給數(shù)據(jù)包映射單元，映射單元將該信息寫(xiě)入相應(yīng)的SSRAM空間中，同時(shí)通知服務(wù)器發(fā)送端與后端服務(wù)器建立連接，這樣就完成了一個(gè)TCP的粘合過(guò)程。

在客戶(hù)端與服務(wù)器的通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)包映射單元通過(guò)雙方SIP、DIP信息從SSARM中查找出對(duì)應(yīng)的替換信息，完成雙方數(shù)據(jù)包的映射。

在客戶(hù)端通信結(jié)束時(shí)，由地址管理單元對(duì)雙方使用的地址空間進(jìn)行回收；同時(shí)為防止通過(guò)過(guò)程中的異常中斷，地址管理單元內(nèi)部采用了定時(shí)器機(jī)制對(duì)地址空間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)定時(shí)器返回結(jié)果回收過(guò)時(shí)地址，防止過(guò)時(shí)信息被查用。

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在該系統(tǒng)中，為完成TCP粘合并且保證TCP通信的可靠性，必須能夠正確識(shí)別接收到的數(shù)據(jù)包類(lèi)型，同時(shí)由于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)，在一個(gè)客戶(hù)端通信過(guò)程中可能會(huì)插入很多其他客戶(hù)端發(fā)起的新的連接請(qǐng)求，系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)對(duì)CAM查找返回的地址來(lái)區(qū)分不同的數(shù)據(jù)流，因此要對(duì)內(nèi)部地址空間進(jìn)行有效的釋放回收，為處理網(wǎng)絡(luò)通信異常中斷而導(dǎo)致內(nèi)部地址無(wú)法回收而引入定時(shí)器機(jī)制，在數(shù)據(jù)發(fā)送部分，客戶(hù)端數(shù)據(jù)發(fā)送模塊偽裝成服務(wù)器與客戶(hù)端完成TCP三次握手協(xié)議，服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)送模塊則偽裝成客戶(hù)端與服務(wù)器完成TCP三次握手協(xié)議，雙方在通信過(guò)程中轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)方的數(shù)據(jù)包。

2.2.1 數(shù)據(jù)收發(fā)

對(duì)于系統(tǒng)的發(fā)送接口來(lái)說(shuō)，所有發(fā)送數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)由數(shù)據(jù)包映射單元完成，因此發(fā)送接口僅完成簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能，而當(dāng)系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，要對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議解析從而決定數(shù)據(jù)包后端處理得方式，在接收部分主要對(duì)三種數(shù)據(jù)包進(jìn)行區(qū)分：（1）雙方發(fā)起連接的SYN數(shù)據(jù)包。這表示一個(gè)新連接的發(fā)起，因此交給地址管理單元，為它分配一個(gè)新的地址空間，同時(shí)要求發(fā)送端返回一個(gè)ACK數(shù)據(jù)包；（2）客戶(hù)端發(fā)送來(lái)的GET數(shù)據(jù)包中含有客戶(hù)端所需信息的URL地址，將該數(shù)據(jù)包送給字符串匹配表以獲得該信息所在后端服務(wù)器的位置；（3）雙方通信的普通數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包交給數(shù)據(jù)包映射單元實(shí)現(xiàn)雙發(fā)的通信，具體接收的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

2.2.2 地址管理單元

在地址管理的方式上，在此處利用一個(gè)地址鏈表進(jìn)行管理，如圖4所示。

每次地址管理單元接收到新的請(qǐng)求連接就從鏈表的頭部取出該可用地址空間，將新請(qǐng)求的SIP、DIP信息寫(xiě)入該地址的CAN中，同時(shí)在該地址對(duì)應(yīng)的SSRAM的頁(yè)面中寫(xiě)入相關(guān)的信息。假設(shè)鏈表中取出地址為n，頁(yè)面大小為m，則SSRAM中對(duì)應(yīng)的頁(yè)面起始地址l為：

l=n