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如何使用FPGA实现TCP IP协议
MZAA
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随着通信技术的进步，网络带宽以平均每 6 个月增长 1 倍的速度提高，然而 CPU 运算性能的增长速度却远远无法满足高速网络数据处理的需求。在传统处理 TCP/IP 协议的方法中，CPU 的处理负担大部分来自对 TCP/IP 协议数据的处理，因此 CPU 的运算性能逐渐地成为高性能网络通信发展的瓶颈。在这一形势下，为将 CPU 从繁重的 TCP/IP 协议处理负担中解放出来，本论文提出了一种实现 TCP/IP 协议处理的硬件解决方案，即利用 FPGA 本身所具有的密度高、速度快、小型化、设计灵活、高度并行处理等优点，在 FPGA 中实现 TCP/IP 协议的基本功能。
本论文首先对 TCP/IP 协议栈的基本原理进行了详细的介绍，其中包括 TCP/IP 的网络分层模型、分层模型下协议数据包的封装和分用、协议栈中各协议的基本原理以及各协议的数据帧格式等。其次在对 TCP/IP 协议内容深入掌握的基础上，对协议栈功能进行了合理的裁剪，并依据自顶向下的设计方法，对裁剪后的 TCP/IP 协议处理功能进行模块划分。然后论文对各功能子模块的设计与实现的具体细节进行了详细介绍，尤其针对 TCP 的可靠性传输进行了重点说明。论文选用 Xilinx ML505 开发板作为硬件开发平台，运用 Verilog HDL 硬件描述语言将各子模块的设计方案转化为逻辑代码，经过 Xilinx ISE 开发套件的综合、布局布线、静态分析等处理后，最终得到相应的 FPGA 配置文件，并通过配置 FPGA 完成实际开发工作。开发过程中，利用 Chipscope 在线逻辑分析仪、Wireshark 网络数据包捕获软件、自编 MFC 测试软件等工具对数据传输过程中涉及到 FPGA 中 TCP/IP 协议处理功能的各个细节进行观察、分析和测试。
本论文设计方案实现了 ARP 请求/应答、ICMP 应答、IP 数据传输、TCP 的客户端及服务器模式下的数据传输、TCP 可靠性传输等功能，并提出了一种新颖的基于状态机嵌套结构的 TCP/IP 协议数据包封装方法。经过分析及实测，该方案具有高效率、少缓存、低成本、可靠性强的优点，满足论文的预期目标和需求。
论文的章节安排
论文共由五部分内容组成，组织结构如下：
第一章：围绕 TCP/IP 协议的 FPGA 实现，简要阐述了研究背景及意义，并详细叙述了目前在该领域的研究现状，其中列举了部分具有代表性的公司、相关产品以及已发表的相关文献，最后对论文进行初步的简介。
第二章：本章主要对 TCP/IP 协议栈的基本原理进行详细介绍，针对论文涉及到的网络分层模型及各协议的内容、报文帧格式进行了说明，具体包括以太网协议、ARP、IP、ICMP、TCP。特别针对 TCP 的可靠性传输原理进行了详细的介绍。
第三章：本章详细阐述了 FPGA 实现 TCP/IP 协议的具体设计及细节，其中包含开发环境及开发工具的介绍、功能模块划分的说明以及对各子模块的设计和实现的详细说明，并提出了一种 TCP/IP 协议数据包的封装方法，这也是论文的创新点之一。最后利用 ISE 开发套件对 FPGA 设计的性能从“速度”、“面积”、时序三方面进行分析说明。
第四章：本章主要完成设计的功能验证和分析，首先介绍测试平台及测试环境，然后针对不同的功能设计了测试方案。经过详细的测试和分析，得出各个功能均符合设计目标和需求的结论。
第五章：在客观总结论文主要工作的基础上，对本论文的优化思路及发展前景进行展望。
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