利用TCP卸載技術(shù)提升網(wǎng)絡(luò)處理器的應(yīng)用性能

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

近年來，網(wǎng)絡(luò)速度、CPU和內(nèi)存的速度呈爆炸式增長。由于以太網(wǎng)速度的增長速度遠遠大于CPU或內(nèi)存，所以目前的網(wǎng)絡(luò)性能仍然主要受制于內(nèi)存與CPU速度。

TCP卸載是一種用于加速TCP/IP連接的技術(shù)，它克服了上述局限性，將復(fù)雜的TCP處理從主機CPU轉(zhuǎn)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(tǒng)。可達到同樣目標(biāo)的一種可選機制，是將復(fù)雜的TCP/IP處理轉(zhuǎn)移至用高速鏈路與TCP服務(wù)器連接的網(wǎng)絡(luò)處理器(NP)上(一種專用的可編程硬件設(shè)備)。 

這種可選機制采用的網(wǎng)絡(luò)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(wù)器上需要大量內(nèi)存和CPU資源的處理負(fù)擔(dān)。它還提供可擴展性極高的解決方案，尤其是存在原有設(shè)備或?qū)Τ杀久舾械脑O(shè)備的情況下。

防御網(wǎng)絡(luò)通常與長延遲衛(wèi)星鏈路、易出錯的無線信道一起，構(gòu)成高性能服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星鏈路是降低整體性能的鏈路中最薄弱的環(huán)節(jié)。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(wǎng)絡(luò)整體性能。 

對于成本與尺寸受限的低端企業(yè)級產(chǎn)品而言，通過在中央網(wǎng)絡(luò)單元中引入TOE來解決內(nèi)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(biāo)——KVM交換機)相比，該方法尤其具有優(yōu)勢。

圖1列舉了一種部署方案，其中遠程鍵盤、監(jiān)視器和鼠標(biāo)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(wù)器。遠程控制計算機的鼠標(biāo)與鍵盤事件通過因特網(wǎng)從KVM交換機傳輸?shù)椒?wù)器。服務(wù)器通過KVM交換機將壓縮的監(jiān)視器數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程計算機。帶有TOE的NP使KVM 交換機能夠?qū)CP的處理負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到NP，從而簡化了KVM交換機硬件。



圖1：帶有TOE的NP提升網(wǎng)絡(luò)性能的部署實例。 

采用TCP接合技術(shù)的TOE

TCP卸載可在企業(yè)TCP主機和遠程NP兩種網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)的。TCP接合是一種著名的TCP性能增強技術(shù)。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(wù)器。圖 2 說明了采用TCP接合技術(shù)的TOE的基本操作步驟。

服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)由NP在本地確認(rèn)，從而減少服務(wù)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(rèn)(ACK)到達之前緩沖數(shù)據(jù)。在未收到確認(rèn)通知的情況，NP執(zhí)行定時器管理以向遠端重發(fā)TCP段。利用本地確認(rèn)還可以避免TCP服務(wù)器受NP和客戶端之間網(wǎng)絡(luò)擁塞和延遲過長的影響。這可以減輕服務(wù)器的內(nèi)存負(fù)擔(dān)。

NP 還可以為服務(wù)器向客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)(包括校驗和計算)執(zhí)行可選的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)。盡管上述功能需要大量計算并且給GPP帶來繁重負(fù)擔(dān)，但NP非常適合處理此類操作。

與路由等傳統(tǒng)NP應(yīng)用相比，TCP卸載應(yīng)用需要具備包間依賴性和基于連接的狀態(tài)機。此外，這種應(yīng)用還要處理傳輸層功能，而這超越了由NP執(zhí)行的傳統(tǒng)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的處理能力。

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

在高性能服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)與長延遲無線和/或窄帶網(wǎng)絡(luò)一起運行的情況下(防御和移動網(wǎng)絡(luò)大多如此)，這種機制非常有用。在這種情況下，由于立即確認(rèn)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(dāng)處理任務(wù)很輕時，慢啟動階段決定了應(yīng)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(diào)整。由于錯誤恢復(fù)功能受限于NP和客戶端，所以NP上的TCP卸載可以防止服務(wù)器中的窗口崩潰。這可以提高整體吞吐量。



圖2：從服務(wù)器到客戶端的數(shù)據(jù)處理框圖。 

利用網(wǎng)絡(luò)處理器實現(xiàn)帶TOE的TCP接合技術(shù)

在開發(fā)執(zhí)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(diào)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(tài)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(shù)據(jù)管道。

分類器用于識別連接及其狀態(tài)；狀態(tài)引擎讓TCP 狀態(tài)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(xié)議，并執(zhí)行調(diào)度決策；SED則被用于執(zhí)行序號處理及網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)包調(diào)度。NP為每個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包重發(fā)以及到服務(wù)器的傳輸。

APP340支持分級調(diào)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(shù)據(jù)包由數(shù)據(jù)包生成引擎(PGE)根據(jù)狀態(tài)機在內(nèi)部生成。它們被用于觸發(fā)調(diào)度機制，例如在調(diào)度隊列中保持?jǐn)?shù)據(jù)包，并只在TCP狀態(tài)機需要時釋放數(shù)據(jù)包。

這種利用分級調(diào)度架構(gòu)控制TCP段調(diào)度的能力，以及保持包間狀態(tài)依賴性的能力使 APP340 架構(gòu)非常適合 TCP 處理。




圖3：從客戶端到服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理框圖。 

TCP連接的建立

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

一旦收到與 TCP 協(xié)議的三方握手(SYN、SYN-ACK和ACK)相對應(yīng)的初始數(shù)據(jù)包時，主機解析TCP選項并獲取相應(yīng)參數(shù)，如序列號(SN)和最大段長，并將它們轉(zhuǎn)發(fā)到狀態(tài)引擎和SED。另外，它還更新分類器中的查找樹，從而關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流標(biāo)識符與TCP連接。

然后，將數(shù)據(jù)包傳回分類器，以便重新插入數(shù)據(jù)包流。外發(fā)的TCP握手?jǐn)?shù)據(jù)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(shù)據(jù)包發(fā)至主機。 

來自服務(wù)器的 TCP 數(shù)據(jù)流

當(dāng)用于已建立的數(shù)據(jù)流的TCP數(shù)據(jù)段進入分類器時，利用查找樹可獲取流標(biāo)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(xié)議數(shù)據(jù)單元。如果數(shù)據(jù)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(tài)，以了解當(dāng)前滑動窗口大小(cwnd)、接收器通知窗口(rwnd)、NP的內(nèi)存限制以及正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小是否允許傳輸該數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)包可以傳輸，則轉(zhuǎn)發(fā)到SED進行 NAT 轉(zhuǎn)換并發(fā)送到遠端客戶端。流量整形器(TS)的轉(zhuǎn)發(fā)緩沖器中保存一個副本，另一個副本被發(fā)送到SED，用于生成一個立即本地確認(rèn)。SED利用傳來的TCP/IP報頭、最末ACK的SN和最后收到的字節(jié)數(shù)生成本地ACK。

如果TCP滑動窗口被占滿，則TS停止調(diào)度數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包在停止?fàn)顟B(tài)結(jié)束之前一直有效保存在TS中(圖4)。 

來自客戶端的TCP數(shù)據(jù)流

當(dāng)ACK到達分類器時，分類器提取確認(rèn)號并將其轉(zhuǎn)發(fā)至狀態(tài)引擎。狀態(tài)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(rèn)數(shù)據(jù)的大小以及TCP滑動窗口的占滿狀態(tài)。

生成一個觸發(fā)信號發(fā)送到TS，以從重發(fā)隊列中刪除已確認(rèn)的數(shù)據(jù)包。TS調(diào)度所有來自伙伴(partner)控制隊列確認(rèn)數(shù)據(jù)包和相關(guān)數(shù)據(jù)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(fā)信號發(fā)送到 TS，以恢復(fù)對TCP數(shù)據(jù)段的處理(圖5)。然后，該確認(rèn)在NP上結(jié)束。

如果客戶端數(shù)據(jù)包帶有背負(fù)(piggybacked)數(shù)據(jù)，則按照上述方式更新狀態(tài)機。然后修改報頭中的確認(rèn)號，以反映最近生成的本地確認(rèn)號，并將它轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器。另外，在狀態(tài)引擎中更新下一個來自客戶端的預(yù)期SN，以便將該SN用作隨后本地確認(rèn)的SN。

重發(fā)與重發(fā)超時(RTO)估算

對于重發(fā)緩沖器中的每個數(shù)據(jù)包，內(nèi)部PGE生成的伙伴控制隊列保留該段的傳輸時間。當(dāng)一個確認(rèn)到達時，按確認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)估算重發(fā)超時(RTO)。

如果數(shù)據(jù)包處于重發(fā)序列之中，則PGE生成由當(dāng)前時間、重發(fā)時間或者當(dāng)前時間外加RTO組成的控制數(shù)據(jù)包。

對PGE進行編程，以生成周期性的觸發(fā)信號。每次進行此操作時，TS都會檢查重發(fā)時間。每個帶有過期定時器的數(shù)據(jù)包被調(diào)度發(fā)送到SED，同時相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)包也被清除。重復(fù)此操作，直到處理完所有帶有過期定時器的數(shù)據(jù)包?；貍鞑⒋鎯γ總€重發(fā)段的副本，以用于下一次重發(fā)。IETF RFC 2001規(guī)定的快速重發(fā)算法由PGE實現(xiàn)，一旦收到來自客戶端的三個重復(fù)確認(rèn)，它便生成一個重發(fā)觸發(fā)信號。

基于NP的TOE使服務(wù)器性能可以不依賴于NP和客戶端之間的網(wǎng)絡(luò)特征。其性能反而可以反映NP和服務(wù)器之間的鏈路特征。此外，服務(wù)器的內(nèi)存需求仍獨立于網(wǎng)絡(luò)擁塞和客戶端網(wǎng)絡(luò)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(shè)備的TCP性能，而且服務(wù)器可以免受與各種客戶端環(huán)境相關(guān)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(wǎng)絡(luò)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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