當今的高需求數據環(huán)境依賴于有效的以網絡為中心的通信，這可以決定任務的成功并決定作戰(zhàn)人員的生存能力。傳統(tǒng)方法導致效率低下的系統(tǒng)遇到瓶頸和網絡流量停滯。需要新一代的網絡加速系統(tǒng)來緩解痛苦。

TCP和UDP［傳輸控制協議和用戶數據報協議］等傳統(tǒng)架構在計算機網絡中普遍存在。從歷史上看，這些協議要求主機 CPU 承擔繁重的處理負擔，并且是網絡流量瓶頸的主要原因。隨著網絡速度從 1G 到 10G 再到 40G/100G bps 甚至更高，主機處理器繼續(xù)受到瓶頸的困擾，這些瓶頸限制了關鍵網絡流量，導致系統(tǒng)停滯和效率低下。這些瓶頸可能對高需求、競爭環(huán)境、任務關鍵型應用程序有害。在突發(fā)網絡流量環(huán)境中，服務器和客戶端由交換機和路由器層隔開，導致明顯的延遲、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 TCP/IP 協議套件的某些功能、集成 CPU 或在適配器卡 （NIC） 上引入 ASIC ［特定于應用的集成電路］ 來運行堆棧，從而緩解網絡擁塞并提高吞吐量。其中大多數是以部分卸載的形式出現的，并導致網絡利用率從10%逐步提高到30%，這仍然有60%到70%的未使用容量和效率。

當前格局中的技術優(yōu)勢

技術已經發(fā)展，支持解決基于網絡的挑戰(zhàn)的不同方法，包括部分卸載功能，這主要在TCP連接保持打開相當長一段時間的情況下提高性能。CPU 軟件仍會處理連接設置、重試和異常，從而導致其他應用程序任務的執(zhí)行停止。它還使操作系統(tǒng)能夠將通信的所有 TCP/IP 數據段移動到網絡適配器上的專用硬件，同時將 TCP/IP 控制決策留給主機服務器。

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 校驗和數據包的計算從主機 CPU 移動到網絡適配器的技術，從而降低 CPU 利用率;或大型發(fā)送卸載 （LSO），它使操作系統(tǒng)無需將應用程序的傳輸數據分段為 MTU ［最大傳輸單元］ 大小的塊。

這些技術為發(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。

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：

通過處理所有與協議和數據處理相關的任務，提高效率和數據完整性

支持多個并發(fā)會話（從 4 個到 1，000 個或更多），擴展網絡帶寬和可維護性

最大限度地減少網絡爭用和中斷，從而專注于改進應用程序 I/O 事務性能

通過主機處理器在通過內存進行的每次 I/O 傳輸中僅涉及一次，從而大幅減少請求數量，而不會中斷 CPU

通過將數據直接從分配的緩沖區(qū)復制到應用程序內存緩沖區(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、內存復制和協議處理

這種完全卸載架構在不同的技術層中實現了創(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)高效搜索而設計;搜索引擎的可擴展深度/寬度，通過現場可編程門陣列（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建塊，根據活動 TCP 會話的數量自動擴展或縮減。這些方法可實現無抖動處理和數據傳輸。

將技術付諸實踐

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

以下是幾個國防和軍事應用領域以及用例示例。目標領域包括數字戰(zhàn)場、網絡中心戰(zhàn)、軍事指揮中心間超快關鍵任務精確通信、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/接收實時任務數據圖像的許多來源的大型復雜數據集

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

在需要網絡安全和高速數據傳輸的地面站之間傳輸TCP/UDP加密數據

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)）的圖像傳輸應用

支持衛(wèi)星系統(tǒng)的地面站將數據和圖像實時分發(fā)到活躍的復雜網絡

在當今的遠程工作環(huán)境中，數百個客戶使用 Zoom（或其他遠程通信平臺）來共享實時數據文件，傳統(tǒng)的 TCP 網絡架構會導致演示抖動和峰值。在服務器級別使用 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，從而消除數據丟失和誤解的事件?，F在考慮一下這種網絡保真度對軍事行動的重要性。

與傳統(tǒng)方法相比，這些客戶項目的網絡加速性能提升了 5 到 60 倍，具體取決于目標服務器/客戶端網絡的復雜性。

審核編輯：郭婷