朱新星

摘要：隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的廣泛運用，作為計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的重要協(xié)議之一 —— UDP傳輸協(xié)議，已經(jīng)廣泛的運用到計算機網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，而且希望數(shù)據(jù)可以高效、準確、迅速的完成傳輸。本文研究了運輸層的UDP協(xié)議發(fā)送來的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議條件下對數(shù)據(jù)進行處理、發(fā)送的過程，主要包括建立連接，數(shù)據(jù)的接收和緩存，IP數(shù)據(jù)包頭的處理以及數(shù)據(jù)發(fā)送四個步驟，接著設(shè)計了以為基礎(chǔ)FPGA的功能實現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：UDP 協(xié)議 FPGA

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/ Internet Protocol，TCP/IP）協(xié)議簇是Internet 和全球各地網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的引擎。本文針對網(wǎng)際層IP協(xié)議下的一項功能的實現(xiàn)，主要是針對從UDP協(xié)議下的數(shù)據(jù)包處理的過程。UDP是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的運輸層協(xié)議：進程的每個輸出操作都正好產(chǎn)生一個UDP數(shù)據(jù)報，并組裝成一份待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報。

1數(shù)據(jù)報處理方案

1.1端口設(shè)計

端口應(yīng)該由外部端口和內(nèi)部端口組成。外部端口是控制硬件（以FPGA為例），主要包括時鐘輸入信號和復(fù)位輸入信號。內(nèi)部端口為運輸層與網(wǎng)絡(luò)層相互聯(lián)系為原則設(shè)計的，不僅需要數(shù)據(jù)輸入輸出，也需要這兩個模塊間的相互控制。具體內(nèi)部端口主要包括數(shù)據(jù)輸入輸出信號及對應(yīng)的數(shù)據(jù)同步信號，兩個準備信號，兩個IP地址輸入信號和輸入同步信號的結(jié)束信號。信號描述如下：

時鐘信號（clk）、復(fù)位信號（res）、UDP準備信號（udprd）、輸入數(shù)據(jù)信號（isd）：、輸入數(shù)據(jù)同步信號（iss）、輸入數(shù)據(jù)結(jié)束信號（ise）、源IP地址（sipa）：、目的IP地址（dipa）、IP準備信號（iprd）、輸出數(shù)據(jù)信號（osd）、輸出數(shù)據(jù)同步信號（oss）。

具體端口設(shè)置如圖1：

1.2 功能模塊

1.2.1 建立連接模塊

運輸層和網(wǎng)絡(luò)層之間有很多協(xié)議，不同協(xié)議對應(yīng)不同數(shù)據(jù)包，如何選擇合適通路選擇特定數(shù)據(jù)包，這就要求有特定的連接過程完成特定的數(shù)據(jù)傳輸。

為了建立UDP協(xié)議數(shù)據(jù)和IP數(shù)據(jù)之間的相互通信，在方案中，選擇增添一個建立連接模塊，目的是完成兩個功能。首先是完成UDP協(xié)議下的數(shù)據(jù)在特定通道內(nèi)向網(wǎng)絡(luò)層的傳輸，其次是產(chǎn)生控制信號，控制下一模塊工作狀態(tài)。在此過程中，主要涉及到兩個信號，其一是udprd信號，是建立連接第一步，這個信號旨在反映UDP數(shù)據(jù)報已經(jīng)準備好發(fā)送；其二是iprd信號，建立連接第二步，本信號是為了給運輸層的UDP協(xié)議的反饋信號，如果接到收此信號，UDP數(shù)據(jù)報就開始發(fā)送了。本信號還有一個功能：當網(wǎng)絡(luò)層對數(shù)據(jù)處理時，此信號會自動變低電平，將不會接收UDP數(shù)據(jù)報，直到在網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)處理完畢。

1.2.2 數(shù)據(jù)接收存儲模塊

在此模塊下，可分為數(shù)據(jù)接收部分和數(shù)據(jù)的存儲部分。

首先介紹一下數(shù)據(jù)的接收部分，當大量的數(shù)據(jù)報準備進入網(wǎng)絡(luò)層時，有些數(shù)據(jù)是沒有意義的，所以要準確有效的接收來自UDP協(xié)議下的數(shù)據(jù)報，需要在這一部分完成此功能。在端口的設(shè)置，增加了同步接收信號和終止信號，當同步信號有效，數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，當終止信號有效，則一個完整的UDP數(shù)據(jù)包就發(fā)送完成了。

當大量的UDP數(shù)據(jù)包進入到IP協(xié)議下準備處理，而處理速度是遠遠小于接收的速度，會導致數(shù)據(jù)的滯留，甚至數(shù)據(jù)會丟失。為了解決該問題，增加了一個數(shù)據(jù)存儲模塊，把數(shù)據(jù)存儲下來，彌補了處理速度和接收速度的不匹配。

此模塊還額外的完成了一個功能：計數(shù)功能。在加I P數(shù)據(jù)頭需要每一包UDP數(shù)據(jù)包字節(jié)的長度信息進行存儲。

1.2.3 IP數(shù)據(jù)包頭處理及發(fā)送模塊

每一份的IP數(shù)據(jù)包都是有IP數(shù)據(jù)包頭和對應(yīng)的UDP數(shù)據(jù)包組合成的。需要將其對應(yīng)封裝。

當IP數(shù)據(jù)包頭處理完成了，緊接任務(wù)就是將其發(fā)送出去。在發(fā)送完IP數(shù)據(jù)包頭緊跟要發(fā)送其對應(yīng)的UDP數(shù)據(jù)包，這就是一個完整的IP數(shù)據(jù)包。如果輸出同步信號有效，這些處理好的數(shù)據(jù)將發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈路層供其使用。

2方案綜述

（1）運輸層和網(wǎng)絡(luò)層之間建立連接，保證數(shù)據(jù)準確無誤差的傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層，產(chǎn)生控制信號，控制數(shù)據(jù)的接收；產(chǎn)生反饋信號，保證運輸層的UDP數(shù)據(jù)包適時的傳送過來。（2）讀取UDP數(shù)據(jù)包并準確的計數(shù)，將已讀的數(shù)據(jù)存入緩存中，產(chǎn)生信號，控制IP頭處理模塊的啟動，然后將必要數(shù)據(jù)傳遞到IP頭處理模塊。（3）處理數(shù)據(jù)，將對應(yīng)的一包UDP數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)的IP數(shù)據(jù)包頭，形成一個IP數(shù)據(jù)包。然后將包頭發(fā)送，產(chǎn)生輸出的同步信號，之后產(chǎn)生信號讀取緩存中的數(shù)據(jù)，通過輸出端口將其發(fā)送出去。

這就是一個UDP數(shù)據(jù)包的處理過程，不斷反復(fù)以上步驟，UDP數(shù)據(jù)段就轉(zhuǎn)變成了IP數(shù)據(jù)段。

本方案增加了同步數(shù)據(jù)的輸出信號，這就可以自由的控制輸入輸出數(shù)據(jù)，不會導致數(shù)據(jù)的意外丟失。而這些信號還可以支持數(shù)據(jù)間斷輸入，給運輸層數(shù)據(jù)傳輸很大的靈活性；還增加了udp和iprd信號，它們完成這兩個層連接，給數(shù)據(jù)傳輸提供良好的初始條件。

參考文獻

[1]TCP-IP詳解（中文）.pdf.

[2]張帆.《基于FPGA的IP協(xié)議處理器》.湖南大學碩士論文.

[3]雷釗等.《基于FPGA的TCP-IP協(xié)議的實現(xiàn)》.電腦編程技巧與維護，2009（5）.