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基于Virtex-5 LXT FPGA 设计 TCP 卸载解决方案
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2017-11-06
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随着数据中心网络基础设施逐步升级到10Gbps，让基于以太网的解决方案承载数据业务成为一种经济可行的方法，并且不会降低性能，延长时延。基于硬件的主机接口（如 PCI Express 和千兆级以太网 （GbE）），为设计面向计算机和数据处理市场的低成本、高性能产品创造了可能性。Xinlinx® Virtex™-5 现场可编程门阵列 （FPGA） 系列，为设计具备更强功能和更低功耗的片上系统 （SoC） 解决方案奠定了基础。
Virtex-5 架构具有一系列关键特性，能够大大简化 TCP 和 iSCSI 卸载引擎的 SoC 设计：
内置PCI Express （PCIe） 模块——一种符合 PCIe 规范的集成端点，支持一至八个通道，能够提供高达 32Gbps 的全双工带宽。
内置千兆位级以太网媒体接入控制器 （GEMAC）——四个硬核GEMAC，为实现多端口千兆位级解决方案创造了条件，从而减少了 SoC 设计的板卡空间要求。
真正的6输入查找表 （LUT） 技术——提高对单元的利用率，缩短路由时延，从而提高性能。
36-Kb 双端口 block RAM——带有纠错电路、存储密度更高的存储器，为实现可靠的计算逻辑结构和增加同步收发操作的片上 TCP 会话数量创造了条件。
DSP48E 单元——支持面向图像处理和多媒体应用的大规模并行运算模式。
由于 Virtex 系列是一种可编程平台，您可以根据不断变化的标准和市场要求调整自己的设计。借助 Virtex-5 系列所提供的资源，设计人员可以为服务器、存储器、多协议交换机，以及生命周期更长的无线基站创建成本低廉的 TCP 和 iSCSI 卸载解决方案。
TCP卸载引擎 （TOE） 概述
当前的 TCP 卸载解决方案主要依赖于完整的软件堆栈或基于 ASIC （用于 TCP/IP 协议处理）的专用网卡 （NIC）。软件解决方案对于低带宽应用是可行的，但高性能应用会消耗所有 CPU 资源，结果形成了关键应用的系统瓶颈。
基于 ASIC 的解决方案一般由初创公司提供，主要面向高性能 10Gbps 市场。这些解决方案的价格仍然不菲，而且提供它们的厂商的财务状况不甚稳定。
Xilinx 及其第三方IP合作伙伴可提供完全符合 TCP/iSCSI 规范的卸载解决方案。您可以在不加改动的情况下轻松实现这些解决方案，或者按照所要求的功能、尺寸、速度或目标应用对其进行定制设计。
基于FPGA的 TCP/iSCSI 引擎
内置标准化 GEMAC、PCIe核以及容量更大的 Block RAM的 Virtex-5 器件是一种可编程平台芯片，系统架构设计师可利用它轻松完成 TCP 和 iSCSI 协议处理设计，而不用担心网络或主机接口侧的串行连接问题。以下是协议处理任务卸载设计中经常遇到的一些难题：
需要支持的 TCP 连接的数量
TCP 数据包重组/重排序
IP 数据包分片和重组
时延
片上和片外 TCP 会话管理之间的关系
有了Virtex-5 器件的独特功能以及 IP 核，所有这些问题都可以迎刃而解。借助内置GEMAC 和 PCIe 接口，您只需最少的 FPGA 资源即可实现直接内存存取解决方案，从而缩短了内存存取时延，并且在无需调用临时内存的情况下即可实现 TCP 封包重组。Virtex-5 FPGA 还搭载了一个 36-Kb 双端口 block RAM，从而使您可以支持的TCP连接数量倍增。借助 Xilinx 的LogiCORE™高速存储控制器，您可以使用外部 DDR2 内存来扩充 TCP 会话管理功能。让我们来看看基于 FPGA 的网卡设计可以节约哪些资源。
1Gbps和10Gbps 网卡解决方案
面向 IP 存储和刀片服务器的集成式多端口 1Gbps 和 10Gbps TCP 卸载网卡（NIC），能够让制造商充分利用网络设备进行业务存储。图1提供了一个典型的基于 FPGA 的NIC设计。
图1：采用传统 FPGA 设计 TCP 卸载解决方案
取决于所使用的 IP 核的数量，该设计可采用多达 20，000 个单元。Virtex-5 LXT 平台可将资源占用率降低一半，这样，您就能在不降低性能的情况下，创建一个低成本的解决方案。除提高硬件效率外，系统架构师还可以降低 NRE 成本，因为在设计 GbE 和 PCIe 高速I/O接口时，无需使用 NRE。图2提供了一个借助 Virtex-5 系列的内置资源，对 TCP 卸载 NIC 进行重新设计的示例。
Virtex-5 架构具有一系列关键特性，能够大大简化 TCP 和 iSCSI 卸载引擎的 SoC 设计：
内置PCI Express （PCIe） 模块——一种符合 PCIe 规范的集成端点，支持一至八个通道，能够提供高达 32Gbps 的全双工带宽。
内置千兆位级以太网媒体接入控制器 （GEMAC）——四个硬核GEMAC，为实现多端口千兆位级解决方案创造了条件，从而减少了 SoC 设计的板卡空间要求。
真正的6输入查找表 （LUT） 技术——提高对单元的利用率，缩短路由时延，从而提高性能。
36-Kb 双端口 block RAM——带有纠错电路、存储密度更高的存储器，为实现可靠的计算逻辑结构和增加同步收发操作的片上 TCP 会话数量创造了条件。
DSP48E 单元——支持面向图像处理和多媒体应用的大规模并行运算模式。
由于 Virtex 系列是一种可编程平台，您可以根据不断变化的标准和市场要求调整自己的设计。借助 Virtex-5 系列所提供的资源，设计人员可以为服务器、存储器、多协议交换机，以及生命周期更长的无线基站创建成本低廉的 TCP 和 iSCSI 卸载解决方案。
TCP卸载引擎 （TOE） 概述
当前的 TCP 卸载解决方案主要依赖于完整的软件堆栈或基于 ASIC （用于 TCP/IP 协议处理）的专用网卡 （NIC）。软件解决方案对于低带宽应用是可行的，但高性能应用会消耗所有 CPU 资源，结果形成了关键应用的系统瓶颈。
基于 ASIC 的解决方案一般由初创公司提供，主要面向高性能 10Gbps 市场。这些解决方案的价格仍然不菲，而且提供它们的厂商的财务状况不甚稳定。
Xilinx 及其第三方IP合作伙伴可提供完全符合 TCP/iSCSI 规范的卸载解决方案。您可以在不加改动的情况下轻松实现这些解决方案，或者按照所要求的功能、尺寸、速度或目标应用对其进行定制设计。
基于FPGA的 TCP/iSCSI 引擎
内置标准化 GEMAC、PCIe核以及容量更大的 Block RAM的 Virtex-5 器件是一种可编程平台芯片，系统架构设计师可利用它轻松完成 TCP 和 iSCSI 协议处理设计，而不用担心网络或主机接口侧的串行连接问题。以下是协议处理任务卸载设计中经常遇到的一些难题：
需要支持的 TCP 连接的数量
TCP 数据包重组/重排序
IP 数据包分片和重组
时延
片上和片外 TCP 会话管理之间的关系
有了Virtex-5 器件的独特功能以及 IP 核，所有这些问题都可以迎刃而解。借助内置GEMAC 和 PCIe 接口，您只需最少的 FPGA 资源即可实现直接内存存取解决方案，从而缩短了内存存取时延，并且在无需调用临时内存的情况下即可实现 TCP 封包重组。Virtex-5 FPGA 还搭载了一个 36-Kb 双端口 block RAM，从而使您可以支持的TCP连接数量倍增。借助 Xilinx 的LogiCORE™高速存储控制器，您可以使用外部 DDR2 内存来扩充 TCP 会话管理功能。让我们来看看基于 FPGA 的网卡设计可以节约哪些资源。
1Gbps和10Gbps 网卡解决方案
面向 IP 存储和刀片服务器的集成式多端口 1Gbps 和 10Gbps TCP 卸载网卡（NIC），能够让制造商充分利用网络设备进行业务存储。图1提供了一个典型的基于 FPGA 的NIC设计。
图1：采用传统 FPGA 设计 TCP 卸载解决方案
取决于所使用的 IP 核的数量，该设计可采用多达 20，000 个单元。Virtex-5 LXT 平台可将资源占用率降低一半，这样，您就能在不降低性能的情况下，创建一个低成本的解决方案。除提高硬件效率外，系统架构师还可以降低 NRE 成本，因为在设计 GbE 和 PCIe 高速I/O接口时，无需使用 NRE。图2提供了一个借助 Virtex-5 系列的内置资源，对 TCP 卸载 NIC 进行重新设计的示例。
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