在FPGA上实现复杂协议处理任务卸载的解决方案
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。
图2：采用 virtex-5 lxt fpga 设计 tcp 卸载解决方案
结论
有了第三方厂商提供的在 xilinx fpga 上实现的符合 tcp 和 iscsi 标准的卸载 ip 核，现在您能够以更低的开发成本，设计出通用或定制化片上系统。利用 virtex-5 lxt 平台——搭载增强型 gemac 和 pcie 端点模块、容量更大的 block ram，以及6输入查找表——实现面向服务器、存储器、多协议交换机，以及无线基站产品的复杂协议处理任务卸载解决方案，可以大大减少 fpga 资源占用量。
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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。
图2：采用 virtex-5 lxt fpga 设计 tcp 卸载解决方案
结论
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