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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firstpass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ietfrfc2988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。ietfrfc2001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nptoe減輕擁塞及鏈路損失，從而顯著改善用戶體驗。 |
