當(dāng)今的高需求數(shù)據(jù)環(huán)境依賴于有效的以網(wǎng)絡(luò)為中心的通信，這可以決定任務(wù)的成功并決定作戰(zhàn)人員的生存能力。傳統(tǒng)方法導(dǎo)致效率低下的系統(tǒng)遇到瓶頸和網(wǎng)絡(luò)流量停滯。需要新一代的網(wǎng)絡(luò)加速系統(tǒng)來緩解痛苦。

TCP和UDP［傳輸控制協(xié)議和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議］等傳統(tǒng)架構(gòu)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中普遍存在。從歷史上看，這些協(xié)議要求主機(jī) CPU 承擔(dān)繁重的處理負(fù)擔(dān)，并且是網(wǎng)絡(luò)流量瓶頸的主要原因。隨著網(wǎng)絡(luò)速度從 1G 到 10G 再到 40G/100G bps 甚至更高，主機(jī)處理器繼續(xù)受到瓶頸的困擾，這些瓶頸限制了關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)流量，導(dǎo)致系統(tǒng)停滯和效率低下。這些瓶頸可能對高需求、競爭環(huán)境、任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用程序有害。在突發(fā)網(wǎng)絡(luò)流量環(huán)境中，服務(wù)器和客戶端由交換機(jī)和路由器層隔開，導(dǎo)致明顯的延遲、抖動和不穩(wěn)定的行為，問題會變得更糟。

行業(yè)嘗試的重點是通過在通信控制器芯片（如媒體訪問控制器 （MAC））中實現(xiàn) TCP/IP 協(xié)議套件的某些功能、集成 CPU 或在適配器卡 （NIC） 上引入 ASIC ［特定于應(yīng)用的集成電路］ 來運行堆棧，從而緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞并提高吞吐量。其中大多數(shù)是以部分卸載的形式出現(xiàn)的，并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)利用率從10%逐步提高到30%，這仍然有60%到70%的未使用容量和效率。

當(dāng)前格局中的技術(shù)優(yōu)勢

技術(shù)已經(jīng)發(fā)展，支持解決基于網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)的不同方法，包括部分卸載功能，這主要在TCP連接保持打開相當(dāng)長一段時間的情況下提高性能。CPU 軟件仍會處理連接設(shè)置、重試和異常，從而導(dǎo)致其他應(yīng)用程序任務(wù)的執(zhí)行停止。它還使操作系統(tǒng)能夠?qū)⑼ㄐ诺乃?TCP/IP 數(shù)據(jù)段移動到網(wǎng)絡(luò)適配器上的專用硬件，同時將 TCP/IP 控制決策留給主機(jī)服務(wù)器。

減少 CPU 開銷的兩種常用方法包括 TCP/IP 校驗和卸載，這是一種將 TCP 和 IP 校驗和數(shù)據(jù)包的計算從主機(jī) CPU 移動到網(wǎng)絡(luò)適配器的技術(shù)，從而降低 CPU 利用率;或大型發(fā)送卸載 （LSO），它使操作系統(tǒng)無需將應(yīng)用程序的傳輸數(shù)據(jù)分段為 MTU ［最大傳輸單元］ 大小的塊。

這些技術(shù)為發(fā)送的流量提供了性能優(yōu)勢，盡管對接收的流量幾乎沒有改進(jìn)。

完全卸載能力

相反，考慮完全卸載功能，這是一種卸載 TCP 通信堆棧的所有組件的方法：

通過處理所有與協(xié)議和數(shù)據(jù)處理相關(guān)的任務(wù)，提高效率和數(shù)據(jù)完整性

支持多個并發(fā)會話（從 4 個到 1，000 個或更多），擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)帶寬和可維護(hù)性

最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)爭用和中斷，從而專注于改進(jìn)應(yīng)用程序 I/O 事務(wù)性能

通過主機(jī)處理器在通過內(nèi)存進(jìn)行的每次 I/O 傳輸中僅涉及一次，從而大幅減少請求數(shù)量，而不會中斷 CPU

通過將數(shù)據(jù)直接從分配的緩沖區(qū)復(fù)制到應(yīng)用程序內(nèi)存緩沖區(qū)來提高系統(tǒng)性能，從而消除 TCP/IP 開銷的三個主要原因：中斷處理、內(nèi)存復(fù)制和協(xié)議處理

這種完全卸載架構(gòu)在不同的技術(shù)層中實現(xiàn)了創(chuàng)新方法，提供了超快的硬件搜索引擎功能，專為動態(tài)陣列中的TCP狀態(tài)高效搜索而設(shè)計;搜索引擎的可擴(kuò)展深度/寬度，通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的超寬處理路徑，可以同時搜索更多的“狀態(tài)字段”;以及高度并行的流水線構(gòu)建塊，根據(jù)活動 TCP 會話的數(shù)量自動擴(kuò)展或縮減。這些方法可實現(xiàn)無抖動處理和數(shù)據(jù)傳輸。

將技術(shù)付諸實踐

正如行業(yè)經(jīng)驗所證明的那樣，以CPU為中心的硅技術(shù)無法提供足夠的CPU功率來滿足最苛刻的網(wǎng)絡(luò)要求，盡管這種在高性能FPGA中實現(xiàn)的TCP/UDP加速技術(shù)在過去13年多的商業(yè)、工業(yè)和軍事應(yīng)用中一直在解決這個問題。

以下是幾個國防和軍事應(yīng)用領(lǐng)域以及用例示例。目標(biāo)領(lǐng)域包括數(shù)字戰(zhàn)場、網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)、軍事指揮中心間超快關(guān)鍵任務(wù)精確通信、戰(zhàn)區(qū)管理、衛(wèi)星基站到基站通信、城市戰(zhàn)和星地通信。

實際客戶項目：

多個通道接收來自需要發(fā)送/接收實時任務(wù)數(shù)據(jù)圖像的許多來源的大型復(fù)雜數(shù)據(jù)集

通過多個同時通道在地面站之間傳輸TCP/UDP通信數(shù)據(jù)，具有低納秒級延遲和零抖動

在需要網(wǎng)絡(luò)安全和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡孛嬲局g傳輸TCP/UDP加密數(shù)據(jù)

需要以接近 10G 或 40G 線速實時傳輸大圖像（每張圖像 》 GB 字節(jié)）的圖像傳輸應(yīng)用

支持衛(wèi)星系統(tǒng)的地面站將數(shù)據(jù)和圖像實時分發(fā)到活躍的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

在當(dāng)今的遠(yuǎn)程工作環(huán)境中，數(shù)百個客戶使用 Zoom（或其他遠(yuǎn)程通信平臺）來共享實時數(shù)據(jù)文件，傳統(tǒng)的 TCP 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)會導(dǎo)致演示抖動和峰值。在服務(wù)器級別使用 TCP 卸載解決方案來處理多個范圍的客戶端交互可以完全消除抖動和峰值，從而消除數(shù)據(jù)丟失和誤解的事件?，F(xiàn)在考慮一下這種網(wǎng)絡(luò)保真度對軍事行動的重要性。

與傳統(tǒng)方法相比，這些客戶項目的網(wǎng)絡(luò)加速性能提升了 5 到 60 倍，具體取決于目標(biāo)服務(wù)器/客戶端網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。

審核編輯：郭婷