[发明专利]一种基于TCP协议的FPGA超低延迟通信传输方法

说明书

本发明公开提供了一种基于TCP协议的FPGA超低延迟通信传输方法，包括以下步骤：TCP客户端接收新的数据发送请求后，向TCP服务器端发送建链帧、应答帧以及数据帧，TCP客户端发送建链帧和应答帧后，TCP客户端的TCP有限状态机更新状态；TCP服务器接收到TCP客户端发送过来的建链帧后，产生建链应答帧。本发明的一种基于FPGA的超低延迟TCP协议栈建链方法通过对协议栈三次握手方式的修改，将TCP客户端的数据发送延迟从原本的至少一个RTT减少到远小于1个RTT，能够达到与传统UDP通信几乎相同的延迟特性，在提供可靠通信的情况下对建链过程产生的延迟进行优化。

技术领域

本发明涉及计算机通信领域，尤其涉及一种基于FPGA的超低延迟TCP协议栈建链方法。

背景技术

TCP/IP协议栈是互联网的核心协议，同时也是数据中心最为广泛使用的可靠通信协议。然而TCP协议的三次握手过程产生的固有延迟，对于数据中心这类对延迟非常敏感的用户会带来非常大的影响。

现有的数据中心中所采用的基于FPGA的网络卸载应用，仅仅是对吞吐量、带宽、处理器的负载分担做了优化与提升，没有有效的针对建链过程产生的延迟的优化。建链过程产生的延迟与网络环境中的往返时间(RTT)大小和客户端与服务器端的响应延迟成正相关。客户端和服务器端的响应延迟可以通过使用FPGA或者专用ASIC等硬件加速代理的方式进行优化，然而RTT大小是网络环境的固有特性，没法在不修改协议栈的情况下进行优化。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中，没有有效的针对建链过程产生的延迟的优化和没法在不修改协议栈的情况下进行优化，提供一种基于FPGA的超低延迟TCP协议栈建链方法。本发明公开实现的方法通过对协议栈三次握手方式的修改，将TCP客户端的数据发送延迟从原本的至少一个RTT减少到远小于1个RTT，能够达到与传统UDP通信几乎相同的延迟特性。而UDP通信由于存在着不可靠的特性，协议本身对于数据内容的交付不提供保障，因此无法应用在数据中心等对可靠通信有要求的场景。因此本发明的TCP协议栈能在提供可靠通信的情况下对建链过程产生的延迟进行优化。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于TCP协议的FPGA超低延迟通信传输方法，包括以下步骤：

TCP客户端接收新的数据发送请求后，向TCP服务器端发送建链帧、应答帧以及数据帧，TCP客户端发送建链帧和应答帧后，TCP客户端的TCP有限状态机更新状态；TCP服务器接收到TCP客户端发送过来的建链帧后，产生建链应答帧。

进一步地，TCP客户端发送建链帧和应答帧后，TCP客户端的TCP有限状态机更新状态，具体为：

TCP有限状态机从CLOSED状态跳转到一个新的状态PRE_ESTABLISHED状态，在PRE_ESTABLISHED状态下TCP客户端能够执行数据发送。

进一步地，TCP客户端发送的应答帧中的TCP确认序号是一个系统预设的固定数值N。

进一步地，TCP服务器端在接收到TCP客户端发送过来的建链帧后，产生的建链应答帧中的TCP发送序号为N-1。

进一步地，TCP客户端在收到正确的建链应答帧后，TCP有限状态机从的PRE_ESTABLISHED状态跳转到ESTABLISHED状态，TCP客户端后续的TCP有限状态机与正常的TCP有限状态机工作机制一样。

进一步地，TCP客户端在PRE_ESTABLISHED状态下启动等待建链应答帧的超时定时器，若在超时前收到有效建链应答帧则TCP客户端TCP有限状态机状态由PRE_ESTABLISHED状态转入ESTABLISHED状态，完成三次握手；若TCP客户端在超时前未收到有效建链应答帧，则跳转回SYN_SENT状态重发建链帧，TCP客户端后续的TCP有限状态机与正常的TCP有限状态机工作机制一样。