基于FPGA的TCP粘合设计实现

在应用级代理的基础上，为进一步提高数据处理的速度，提出了TCP粘合技术[1]。该技术在通信双方建立通信之初对双方的握手信号以及通信原语进行分析，获取必要的信息，决定数据的流向，一旦双方开始通信，该代理就不再对数据进行分析，而仅起到一个透明网关的作用，从而提高代理的系统性能。

TCP粘合技术采用软件处理方式时，由于大量数据包不需要上层解析，因此提高了系统性能，但是受软件处理速度的限制，该技术仍很难应用于大规模的集群系统。本文提出了一种基于FPGA的TCP粘合技术的高速实现机制，利用硬件的高速处理特性和流水线技术来适应高速网络传输的需要。

1 现存的TCP粘合技术

TCP粘合原理如下：(1)监听客户端的连接请求，并在客户端发出连接请求后(从SYN开始)，建立客户端到均衡器之间的连接(通过TCP的三次握手协议完成)。(2)在随后的请求报文中分析数据并决定真正被访问的服务节点。(3)与服务节点建立另一个连接，将两个连接粘合在一起(Splicing)。其TCP粘合原理示意图如图1所示[2]。

2 TCP粘合技术的硬件实现

TCP粘合技术的关键在于，当客户端发起连接请求时，系统并不是立即将该请求发给后端服务器，而是伪装成服务器与客户端建立连接，取得用户的GET数据包。通过对URL的匹配来找到信息在后端服务器的位置，然后再在客户端与服务器之间建立连接通信。

2.1 系统架构

TCP粘合系统结构如图2所示。

该系统中首先由客户数据接收端对接收到的HTTP报文进行解析，发现数据包为一个发起连接的SYN数据包时，传给地址管理单元，地址管理就为该连接分配一个地址空间，同时通过映射单元告诉客户数据发送端与客户端完成三次握手，建立连接。

当客户数据接收端接收到GET数据包时，将该数据包发送给字符串匹配表，该表会将信息在后端服务器的位置返回给地址管理单元，地址管理单元将该信息送给数据包映射单元，映射单元将该信息写入相应的SSRAM空间中，同时通知服务器发送端与后端服务器建立连接。这样就完成了一个TCP的粘合过程。

在客户端与服务器的通信过程中，数据包映射单元通过双方SIP、DIP信息从SSRAM中查找出对应的替换信息，完成双方数据包的映射。

在双方通信结束时，由地址管理单元对双方使用的地址空间进行回收;同时为防止通信过程中的异常中断，地址管理单元内部还采用了定时器机制对地址空间进行监测，根据定时器返回结果回收过时地址，防止过时信息被查用。2.2 设计实现

在该系统中，为完成TCP粘合并且保证TCP通信的可靠性，必须能够正确识别接收到的数据包类型;同时由于实际网络数据传输的延时，在一个客户端通信过程中可能会插入很多其他客户端发起的新的连接请求，系统内部根据对CAM查找返回的地址来区分不同的数据流，因此要对内部地址空间进行有效的释放回收，为处理网络通信异常中断而导致内部地址无法回收而引入定时器机制;在数据发送部分，客户端数据发送模块伪装成服务器与客户端完成TCP三次握手协议;服务器数据发送模块则伪装成客户端与服务器完成TCP三次握手协议。双方在通信过程中转发对方的数据包。

2.2.1 数据收发

对于系统的发送接口来说，所有发送数据包的转发由数据包映射单元完成，因此发送接口仅完成简单的数据包转发功能。而当系统接收到数据包时，要对数据包进行协议解析，从而决定数据包后端处理的方式。在接收部分主要对三种数据包进行区分：(1)双方发起连接的SYN数据包。这表示一个新连接的发起，因此交给地址管理单元，为它分配一个新的地址空间，同时要求发送端返回一个ACK数据包;(2)客户端发来的GET数据包中含有客户端所需信息的URL地址，将该数据包送给字符串匹配表以获得该信息所在后端服务器的位置;(3)双方通信的普通数据包。该数据包交给数据包映射单元实现双发的通信。具体接收的状态转换图如图3所示。

2.2.2 地址管理单元

在地址管理的方式上，在此处利用一个地址链表进行管理，如图4所示。

每次地址管理单元接收到新的请求连接就从链表的头部取出该可用地址空间，将新请求的SIP、DIP信息写入该地址的CAM中，同时在该地址对应的SSRAM的页面中写入相关的信息，假设链表中取出地址为n，页面大小为m，则SSRAM中对应的页面起始地址l为：

l=n×m

当地址管理单元接收到字符串匹配表返回的后端服务器位置信息时，首先通过该数据包的SIP、DIP从CAM中查找该数据流对应的地址，通过上述计算公式找出SSRAM中对应的页面，写入返回信息。

对于地址空间的回收，为防止通信异常中断而无法回收地址，在系统中采用定时器机制，即在一段时间后对SSRAM