利用TCP卸載技術提升網絡處理器的應用性能

傳輸控制協議(TCP)是一種最初針對低速地面鏈路而設計的傳輸層協議。然而，隨著高速傳輸介質和復雜的訪問機制的發展，用純軟件方式實現TCP需要強大的計算和存儲能力。

近年來，網絡速度、CPU和內存的速度呈爆炸式增長。由于以太網速度的增長速度遠遠大于CPU或內存，所以目前的網絡性能仍然主要受制于內存與CPU速度。

TCP卸載是一種用于加速TCP/IP連接的技術，它克服了上述局限性，將復雜的TCP處理從主機CPU轉移到專用的TCP加速器上。通常，用于加速的TCP卸載引擎(TOE)是一個主機CPU共址的專用子系統。可達到同樣目標的一種可選機制，是將復雜的TCP/IP處理轉移至用高速鏈路與TCP服務器連接的網絡處理器(NP)上(一種專用的可編程硬件設備)。 

這種可選機制采用的網絡處理器不但具備通用處理器(GPP)的低成本與高靈活性，而且還具有定制硅芯片解決方案的速度與可擴展性。此外，NP還可減輕TCP服務器上需要大量內存和CPU資源的處理負擔。它還提供可擴展性極高的解決方案，尤其是存在原有設備或對成本敏感的設備的情況下。

防御網絡通常與長延遲衛星鏈路、易出錯的無線信道一起，構成高性能服務器與網絡。衛星鏈路是降低整體性能的鏈路中最薄弱的環節。采用這種可選機制可使帶有TOE的NP連接至薄弱部分，從而讓NP-TOE能消除長延遲和信道錯誤的不利影響，并提高網絡整體性能。 

對于成本與尺寸受限的低端企業級產品而言，通過在中央網絡單元中引入TOE來解決內存/CPU 瓶頸是一種具有可擴展性和成本效益的解決方案。與提高主機自身的性能(如使用鍵盤、顯示器和鼠標——KVM交換機)相比，該方法尤其具有優勢。

圖1列舉了一種部署方案，其中遠程鍵盤、監視器和鼠標控制多臺與基于IP的KVM(KVM-over-IP)交換機相連的遠程托管服務器。遠程控制計算機的鼠標與鍵盤事件通過因特網從KVM交換機傳輸到服務器。服務器通過KVM交換機將壓縮的監視器數據發送至遠程計算機。帶有TOE的NP使KVM 交換機能夠將TCP的處理負擔轉移到NP，從而簡化了KVM交換機硬件。



圖1：帶有TOE的NP提升網絡性能的部署實例。 

采用TCP接合技術的TOE

TCP卸載可在企業TCP主機和遠程NP兩種網絡實體上進行，它是通過利用分離的TCP連接(也稱為TCP接合)而得以實現的。TCP接合是一種著名的TCP性能增強技術。在TCP接合中，兩個獨立的TCP連接可以跨接一次會話：一個從客戶端到NP，另一個從NP到服務器。圖 2 說明了采用TCP接合技術的TOE的基本操作步驟。

服務器發送的數據由NP在本地確認，從而減少服務器的緩沖需求并且加快擁塞窗口的擴大。NP在遠端(客戶端)的確認(ACK)到達之前緩沖數據。在未收到確認通知的情況，NP執行定時器管理以向遠端重發TCP段。利用本地確認還可以避免TCP服務器受NP和客戶端之間網絡擁塞和延遲過長的影響。這可以減輕服務器的內存負擔。

NP 還可以為服務器向客戶端發送的數據(包括校驗和計算)執行可選的網絡地址轉換(NAT)。盡管上述功能需要大量計算并且給GPP帶來繁重負擔，但NP非常適合處理此類操作。

與路由等傳統NP應用相比，TCP卸載應用需要具備包間依賴性和基于連接的狀態機。此外，這種應用還要處理傳輸層功能，而這超越了由NP執行的傳統鏈路層和網絡層的處理能力。

TCP 處理過程中主要有兩個復雜之處。緩沖器管理包括對擁塞網絡中未確認段、亂序段和延遲段進行存儲。定時器管理包括估算重發超時(RTO) 估算以及觸發未確認段的重發。

在高性能服務器或網絡與長延遲無線和/或窄帶網絡一起運行的情況下(防御和移動網絡大多如此)，這種機制非常有用。在這種情況下，由于立即確認使可察覺的延遲更短，所以NP上的TCP卸載功能可縮短慢啟動階段。請注意，當處理任務很輕時，慢啟動階段決定了應用性能。

另外，TCP擁塞控制針對有線部分的擁塞以及易錯無線信道的性能下降而調整。由于錯誤恢復功能受限于NP和客戶端，所以NP上的TCP卸載可以防止服務器中的窗口崩潰。這可以提高整體吞吐量。



圖2：從服務器到客戶端的數據處理框圖。 

利用網絡處理器實現帶TOE的TCP接合技術

在開發執行被提議的替代機制的概念原型中，我們采用杰爾APP340處理器(圖3)。APP3xx系列NP具有2Gbps的吞吐能力。該器件包含分類器、由調度程序、緩沖器管理器與流編輯器(SED)組成的流量管理器、狀態引擎以及片上控制處理器(即嵌入式主機)。嵌入式主機處理低速通道(控制與管理)，器件的其余部分則處理快速通道或數據管道。

分類器用于識別連接及其狀態；狀態引擎讓TCP 狀態變量能被NP上的各種功能模塊訪問；流量管理器運行TCP擁塞控制協議，并執行調度決策；SED則被用于執行序號處理及網絡地址轉換(NAT)的穿透(traversal)。

APP340允許流量整形功能模塊控制每個隊列的數據包調度。NP為每個數據流維護多個目的隊列，包括到客戶端的主要傳輸、到客戶端的數據包重發以及到服務器的傳輸。

APP340支持分級調度，這樣就可以利用輔助隊列在每個目的隊列的同一級別傳送控制信息。這些控制數據包由數據包生成引擎(PGE)根據狀態機在內部生成。它們被用于觸發調度機制，例如在調度隊列中保持數據包，并只在TCP狀態機需要時釋放數據包。

這種利用分級調度架構控制TCP段調度的能力，以及保持包間狀態依賴性的能力使 APP340 架構非常適合 TCP 處理。




圖3：從客戶端到服務器的數據處理框圖。 

TCP連接的建立

在數據包到達NP端口時，分類器模塊根據TCP端口號和IP地址確定數據包流。如果數據包流不存在，則將數據包發送到嵌入式主機以建立連接。

一旦收到與 TCP 協議的三方握手(SYN、SYN-ACK和ACK)相對應的初始數據包時，主機解析TCP選項并獲取相應參數，如序列號(SN)和最大段長，并將它們轉發到狀態引擎和SED。另外，它還更新分類器中的查找樹，從而關聯數據流標識符與TCP連接。

然后，將數據包傳回分類器，以便重新插入數據包流。外發的TCP握手數據包接受NAT穿透處理，并且忽略其它TOE功能。類似地，主機處理連接終止。分類器解析FIN字段并將數據包發至主機。 

來自服務器的 TCP 數據流

當用于已建立的數據流的TCP數據段進入分類器時，利用查找樹可獲取流標識符。

APP340是一種基于模塊的處理器。它采用兩階段分類處理，第一階段處理單個模塊。第二階段處理重組后的協議數據單元。如果數據段到達時是亂序的，則將其保留在分類器中first pass重排序緩沖器中，直到有序段到達。

對于有序段，則檢查TCP狀態，以了解當前滑動窗口大小(cwnd)、接收器通知窗口(rwnd)、NP的內存限制以及正在傳輸的數據包大小是否允許傳輸該數據包。如果數據包可以傳輸，則轉發到SED進行 NAT 轉換并發送到遠端客戶端。流量整形器(TS)的轉發緩沖器中保存一個副本，另一個副本被發送到SED，用于生成一個立即本地確認。SED利用傳來的TCP/IP報頭、最末ACK的SN和最后收到的字節數生成本地ACK。

如果TCP滑動窗口被占滿，則TS停止調度數據包。數據包在停止狀態結束之前一直有效保存在TS中(圖4)。 

來自客戶端的TCP數據流

當ACK到達分類器時，分類器提取確認號并將其轉發至狀態引擎。狀態引擎更新cwnd，以反映TCP流的慢速啟動或擁塞避免階段。該引擎還更新rwnd、未確認數據的大小以及TCP滑動窗口的占滿狀態。

生成一個觸發信號發送到TS，以從重發隊列中刪除已確認的數據包。TS調度所有來自伙伴(partner)控制隊列確認數據包和相關數據包，然后在 SED將其清除。若TCP滑動窗口先前已被占滿，則生成觸發信號發送到 TS，以恢復對TCP數據段的處理(圖5)。然后，該確認在NP上結束。

如果客戶端數據包帶有背負(piggybacked)數據，則按照上述方式更新狀態機。然后修改報頭中的確認號，以反映最近生成的本地確認號，并將它轉發給服務器。另外，在狀態引擎中更新下一個來自客戶端的預期SN，以便將該SN用作隨后本地確認的SN。

重發與重發超時(RTO)估算

對于重發緩沖器中的每個數據包，內部PGE生成的伙伴控制隊列保留該段的傳輸時間。當一個確認到達時，按確認到達時間與傳輸時間差計算往返時間，然后按照IETF RFC 2988推薦標準估算重發超時(RTO)。

如果數據包處于重發序列之中，則PGE生成由當前時間、重發時間或者當前時間外加RTO組成的控制數據包。

對PGE進行編程，以生成周期性的觸發信號。每次進行此操作時，TS都會檢查重發時間。每個帶有過期定時器的數據包被調度發送到SED，同時相應的控制數據包也被清除。重復此操作，直到處理完所有帶有過期定時器的數據包。回傳并存儲每個重發段的副本，以用于下一次重發。IETF RFC 2001規定的快速重發算法由PGE實現，一旦收到來自客戶端的三個重復確認，它便生成一個重發觸發信號。

基于NP的TOE使服務器性能可以不依賴于NP和客戶端之間的網絡特征。其性能反而可以反映NP和服務器之間的鏈路特征。此外，服務器的內存需求仍獨立于網絡擁塞和客戶端網絡的往返時延。 

我們可以看到，在遠程NP采用TCP卸載機制可以充分提高低端設備的TCP性能，而且服務器可以免受與各種客戶端環境相關的資源需求變化的影響。另外，具有很長無線組件的高性能客戶端網絡可通過NP TOE減輕擁塞及鏈路損失，從而顯著改善用戶體驗。 
 

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