以网络为中心的性能：关键任务有效性的关键

当今的高需求数据环境依赖于有效的以网络为中心的通信，这可以决定任务的成功并决定作战人员的生存能力。传统方法导致效率低下的系统遇到瓶颈和网络流量停滞。需要新一代的网络加速系统来缓解痛苦。

TCP和UDP［传输控制协议和用户数据报协议］等传统架构在计算机网络中普遍存在。从历史上看，这些协议要求主机 CPU 承担繁重的处理负担，并且是网络流量瓶颈的主要原因。随着网络速度从 1G 到 10G 再到 40G/100G bps 甚至更高，主机处理器继续受到瓶颈的困扰，这些瓶颈限制了关键网络流量，导致系统停滞和效率低下。这些瓶颈可能对高需求、竞争环境、任务关键型应用程序有害。在突发网络流量环境中，服务器和客户端由交换机和路由器层隔开，导致明显的延迟、抖动和不稳定的行为，问题会变得更糟。

行业尝试的重点是通过在通信控制器芯片（如媒体访问控制器 （MAC））中实现 TCP/IP 协议套件的某些功能、集成 CPU 或在适配器卡 （NIC） 上引入 ASIC ［特定于应用的集成电路］ 来运行堆栈，从而缓解网络拥塞并提高吞吐量。其中大多数是以部分卸载的形式出现的，并导致网络利用率从10%逐步提高到30%，这仍然有60%到70%的未使用容量和效率。

当前格局中的技术优势

技术已经发展，支持解决基于网络的挑战的不同方法，包括部分卸载功能，这主要在TCP连接保持打开相当长一段时间的情况下提高性能。CPU 软件仍会处理连接设置、重试和异常，从而导致其他应用程序任务的执行停止。它还使操作系统能够将通信的所有 TCP/IP 数据段移动到网络适配器上的专用硬件，同时将 TCP/IP 控制决策留给主机服务器。

减少 CPU 开销的两种常用方法包括 TCP/IP 校验和卸载，这是一种将 TCP 和 IP 校验和数据包的计算从主机 CPU 移动到网络适配器的技术，从而降低 CPU 利用率;或大型发送卸载 （LSO），它使操作系统无需将应用程序的传输数据分段为 MTU ［最大传输单元］ 大小的块。

这些技术为发送的流量提供了性能优势，尽管对接收的流量几乎没有改进。

完全卸载能力

相反，考虑完全卸载功能，这是一种卸载 TCP 通信堆栈的所有组件的方法：

通过处理所有与协议和数据处理相关的任务，提高效率和数据完整性

支持多个并发会话（从 4 个到 1，000 个或更多），扩展网络带宽和可维护性

最大限度地减少网络争用和中断，从而专注于改进应用程序 I/O 事务性能

通过主机处理器在通过内存进行的每次 I/O 传输中仅涉及一次，从而大幅减少请求数量，而不会中断 CPU

通过将数据直接从分配的缓冲区复制到应用程序内存缓冲区来提高系统性能，从而消除 TCP/IP 开销的三个主要原因：中断处理、内存复制和协议处理

这种完全卸载架构在不同的技术层中实现了创新方法，提供了超快的硬件搜索引擎功能，专为动态阵列中的TCP状态高效搜索而设计;搜索引擎的可扩展深度/宽度，通过现场可编程门阵列（FPGA）的超宽处理路径，可以同时搜索更多的“状态字段”;以及高度并行的流水线构建块，根据活动 TCP 会话的数量自动扩展或缩减。这些方法可实现无抖动处理和数据传输。

将技术付诸实践

正如行业经验所证明的那样，以CPU为中心的硅技术无法提供足够的CPU功率来满足最苛刻的网络要求，尽管这种在高性能FPGA中实现的TCP/UDP加速技术在过去13年多的商业、工业和军事应用中一直在解决这个问题。

以下是几个国防和军事应用领域以及用例示例。目标领域包括数字战场、网络中心战、军事指挥中心间超快关键任务精确通信、战区管理、卫星基站到基站通信、城市战和星地通信。

实际客户项目：

多个通道接收来自需要发送/接收实时任务数据图像的许多来源的大型复杂数据集

通过多个同时通道在地面站之间传输TCP/UDP通信数据，具有低纳秒级延迟和零抖动

在需要网络安全和高速数据传输的地面站之间传输TCP/UDP加密数据

需要以接近 10G 或 40G 线速实时传输大图像（每张图像 》 GB 字节）的图像传输应用

支持卫星系统的地面站将数据和图像实时分发到活跃的复杂网络

在当今的远程工作环境中，数百个客户使用 Zoom（或其他远程通信平台）来共享实时数据文件，传统的 TCP 网络架构会导致演示抖动和峰值。在服务器级别使用 TCP 卸载解决方案来处理多个范围的客户端交互可以完全消除抖动和峰值，从而消除数据丢失和误解的事件。现在考虑一下这种网络保真度对军事行动的重要性。

与传统方法相比，这些客户项目的网络加速性能提升了 5 到 60 倍，具体取决于目标服务器/客户端网络的复杂性。

审核编辑：郭婷