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基于 FPGA 的10G 万兆 TCP 协议栈实现 - 服务器版本，提供源码和技术支持

芯门 2025-12-28 12:01:02
简介基于 FPGA 的10G 万兆 TCP 协议栈实现 - 服务器版本，提供源码和技术支持

基于 FPGA 的10G 万兆 TCP 协议栈实现 - 服务器版本

概述

在现代网络通信中，万兆网已经成为了高速数据传输的关键组成部分。尤其是在高性能计算、数据中心、工业自动化等领域，万兆网络不仅能够提供极高的带宽，同时也能处理大规模并发的数据流量。为了充分利用这些硬件资源，开发一款高效、低延迟且具有可移植性的万兆 TCP 协议栈成为了很多技术工程师的迫切需求。

本方案基于 FPGA 开发的 万兆 TCP 协议栈实现，使用的硬件平台为 K7325t 开发板，VHDL 纯代码实现，无需 IP 核，便于移植和优化。这一协议栈适合技术工程师、学生以及有需求的开发者用于快速集成、学习和实验。

代码已公开，感兴趣的朋友可以联系我获取源代码。

基于FPGA的10G万兆网TCP/IP 协议栈，服务器版本，纯VHDL代码编写，提供2套工程源码和技术支持

1. 方案介绍

本项目的目标是通过 Xilinx K7 FPGA 实现一个 万兆TCP/IP 协议栈，在此基础上实现测速功能。利用 FPGA 强大的并行计算能力，减少软件协议栈的性能瓶颈，从而实现高吞吐量的数据传输。

该协议栈支持多种 Internet 协议，这些组件可以根据用户应用的需求轻松启用或禁用，包括：

  • TCP 服务器：支持多个并发 TCP 连接，数量可在 VHDL 合成前根据 FPGA 资源进行调整。
  • UDP 发送/接收：支持 UDP 数据包的发送和接收。
  • ARP 和 NDP：支持地址解析协议（ARP）和邻居发现协议（NDP），用于 IP 地址到 MAC 地址的解析。
  • PING：支持 ICMP 回显请求和响应，用于网络诊断。
  • IGMP：支持多播组管理，适用于多播 UDP 应用。
  • DHCP 服务器和客户端：支持动态 IP 地址分配和获取。
  • 代码可移植到多种 FPGA 平台，支持 156.25 MHz 的时钟频率。

2. 项目背景

2.1 网络带宽与低延迟需求的日益增加

随着全球数据量的激增以及技术的不断发展，对数据传输速度和实时性的需求也在不断提升。从大数据处理到云计算，再到智能制造和自动驾驶，所有这些应用都依赖于高速网络传输来实现数据的快速交换和实时处理。为了满足这一需求，万兆以太网（10Gbps）作为一种高速网络解决方案，已经成为数据中心、企业网络、超级计算机以及高频交易等领域的标准配置。

然而，虽然万兆以太网提供了超高的传输带宽，但如何高效利用这项技术仍然面临一些挑战。传统的 TCP/IP 协议栈，在面对如此高带宽、高并发的网络环境时，往往会成为性能瓶颈。这不仅限制了数据传输的最大吞吐量，也带来了高延迟和丢包率的问题，严重影响了网络应用的效率和稳定性。

2.2 FPGA 的优势：硬件加速协议栈

FPGA（现场可编程门阵列），作为一种硬件可编程的计算平台，凭借其高度的并行计算能力和低延迟的特点，成为了解决这一问题的理想选择。与传统的软件协议栈不同，FPGA 可以将 TCP/IP 协议栈 中的各个功能模块直接硬件化，实现数据包的高速处理和传输，从而显著降低延迟，提升吞吐量。

通过将协议栈的处理过程从软件转移到硬件，FPGA 可以直接与网络接口卡（NIC）进行交互，避免了传统 TCP 协议栈中的上下文切换和 CPU 负载。FPGA 能够以并行的方式处理大量数据流，支持多个并发连接，同时还可以根据需要灵活配置协议栈的各个模块，达到定制化的需求。

此外，FPGA 提供了极高的灵活性，用户可以根据实际需求对协议栈进行优化和修改，例如调整 TCP 拥塞控制策略、调整数据包大小、优化内存访问等。这使得 FPGA 成为一种非常适合高吞吐量、低延迟网络应用的硬件平台。

2.3 万兆 TCP 协议栈的市场需求

目前，很多高性能网络应用都需要 万兆网络协议栈，尤其是在数据中心、云计算、超级计算、金融高频交易和大规模实时数据传输的场景中，低延迟和高吞吐量是决定系统性能的关键。因此，如何在万兆网络环境中提供一个高效、稳定、可扩展的 TCP 协议栈，成为了技术工程师和网络架构师的紧迫需求。

传统的基于 CPU 的协议栈无法满足这些要求，而基于 FPGA 的硬件加速协议栈则为解决这一问题提供了有效的方案。与软件协议栈相比，基于 FPGA 的协议栈具有以下显著优势：

  • 低延迟：FPGA 可以直接处理数据包，无需通过操作系统内核，减少了软件协议栈中的上下文切换和中断处理，从而显著降低了网络通信的延迟。
  • 高吞吐量：通过硬件加速，FPGA 能够处理更高带宽的数据流，达到比软件协议栈更高的吞吐量。
  • 低 CPU 占用：由于数据包的处理任务被移交给 FPGA，CPU 可以腾出更多资源，处理其他任务，提高系统的整体效率。
  • 高并发支持：FPGA 通过并行处理，能够支持更多的并发连接，解决传统协议栈在高并发连接下的瓶颈问题。

2.4 项目背景的创新点

本项目的创新之处在于 完全基于 VHDL 编写的万兆 TCP 协议栈，完全避免了 IP 核的使用，确保了协议栈的可定制性和移植性。这一协议栈不仅支持 K7325t 开发板，也可移植到其他 FPGA 开发平台上，具有广泛的应用前景。

通过这套 万兆 TCP 协议栈，用户不仅能够在硬件层面加速 TCP 数据包的处理，还可以在此基础上进行性能调优和功能扩展，从而满足各种应用场景的需求。尤其对于 数据中心、云计算、大数据处理、实时通信 等领域，该协议栈能够提供稳定、高效、低延迟的网络通信支持。

3. 硬件平台

本项目使用的硬件平台是 K7325t 开发板，该开发板搭载了高速 FPGA，可支持 10Gbps 的数据处理能力，且拥有丰富的接口支持。
在这里插入图片描述

  • 开发板型号：KC705-1（可提供）
  • FPGA 类型：基于 Xilinx K7 系列 FPGA 7k325t
  • 网络接口：万兆以太网端口,10G SFP+
  • 计算能力：支持并行计算和高吞吐量数据传输
其他硬件要求

  1. 计算机端：需配备万兆网卡（10G Ethernet）进行数据接收和处理。
    本项目使用Intel的X520单光口10G万兆网卡，万兆网卡如下图所示：
    在这里插入图片描述

  2. 其他设备：万兆光纤模块。
    本项目使用的万兆光纤模块如下所示：
    在这里插入图片描述

4. 工程实现

程序框图如下所示：
在这里插入图片描述

4.1 程序顶层结构

工程顶层代码结构如下图所示：
在这里插入图片描述

4.2 10G Ethernet Subsystem的10G IP核

工程中使用到了10G Ethernet Subsystem的10G IP核。
在 FPGA 设计中，Xilinx 提供了一款高性能的 10G Ethernet Subsystem IP 核，该 IP 主要用于实现 以太网物理层（PHY） 与 MAC（Media Access Control） 数据接口的转换，并且能够以 AXI4-Stream 接口输出 MAC 数据，方便用户在 FPGA 内部进行数据处理。

Xilinx 的 10G Ethernet Subsystem IP 核支持完整的 IEEE 802.3 标准，包括 10GBASE-R 物理层协议，并且提供以下核心功能：

  • 物理层（PHY）接口：

    • 支持 10GBASE-R PCS（物理编码子层）
    • 集成 PMA（物理介质附加层），支持 64B/66B 编码
    • 提供 MDIO 接口用于 PHY 设备管理

  • MAC 数据接口：

    • 通过 AXI4-Stream 接口与上层用户逻辑交互
    • 支持 全双工（Full-Duplex） 数据传输
    • 提供帧校验（FCS）和数据完整性检查

  • 时钟与复位管理：

    • 支持 156.25MHz 参考时钟输入
    • 兼容 Xilinx GTX/GTH/GTP 高速串行收发器

  • 可配置选项：

    • 允许用户启用或禁用特定功能，如 Flow Control、VLAN 过滤等
    • 兼容不同 FPGA 平台，如 Kintex-7、Virtex-7、UltraScale 等

10G Ethernet Subsystem IP 核的内部架构通常包括以下几个关键模块：

  1. PMA (Physical Medium Attachment) & PCS (Physical Coding Sublayer)：

    • 负责 64B/66B 编码与解码
    • 处理串行收发信号
    • 与外部光模块（如 SFP+）进行接口通信

  2. MAC 层（Media Access Control）：

    • 处理 Ethernet 帧的收发
    • 管理 MAC 地址过滤、VLAN、Flow Control 等功能
    • 提供标准 AXI4-Stream 接口供用户逻辑访问

  3. AXI4-Stream 接口：

    • 作为 MAC 层和用户逻辑之间的数据交互通道
    • 采用 AXI4-Stream 传输格式，支持高速数据流传输
      IP核配置界面如下：
      在这里插入图片描述

注意：时钟晶振需为156.25MHz。

4.3 协议栈源码工程结构

项目的核心代码是使用 VHDL 编写的，完全基于硬件描述语言实现，因此无需依赖任何外部 IP 核。这样设计的好处是移植性极强，可以轻松迁移到不同的 FPGA 开发板上。源码文件包括：

  • COM_TCPSERVER.vhd：根实体文件，包含 IP 协议的实例化和发送到 MAC/PHY 的下一个数据包的仲裁机制。
  • PACKET_PARSING_10G.vhd：解析从 MAC 接收到的数据包，提取关键信息。
  • ARP_10G.vhd：处理 ARP 请求和响应。
  • DHCP_SERVER_10G.vhd：管理 IPv4 地址池，动态分配地址给 DHCP 客户端。
  • DHCP_CLIENT_10G.vhd：从远程 DHCP 服务器请求 IPv4 地址。
  • IGMP_REPORT_10G.vhd：发送 IGMP 成员报告。
  • IGMP_QUERY.vhd：响应成员查询。
  • ICMPV6_10G.vhd：处理 IPv6 邻居请求和响应。
  • PING_10G.vhd：处理 ICMP 回显请求和响应。
  • WHOIS2_10G.vhd：生成 ARP 请求广播包。
  • ARP_CACHE2_10G.vhd：共享路由表，存储 IP 地址和 MAC 地址。
  • UDP_TX_10G.vhd：封装数据包为 UDP 帧并发送。
  • UDP_RX_10G.vhd：验证接收到的 UDP 帧并提取数据。
    vTCP_SERVER_10G.vhd**：处理 TCP 服务器的连接请求、建立和拆除连接，管理流量控制和字节顺序。
  • TCP_TX_10G.vhd：格式化 TCP 发送帧，包括所有层。
  • TCP_TXBUF_10G.vhd：存储 TCP 发送有效载荷数据。
  • TCP_RXBUFNDEMUX_10G.vhd：解复用多个 TCP 接收流。

4.4 参数设置

4.4.1 预配置参数

本协议栈支持的预配置参数如下：
在这里插入图片描述

  • NTCPSTREAMS_MAX：最大并发 TCP 流数量。这个参数影响所有实例化的 COM5502 组件的 TCP 接口数据宽度。
  • NTCPSTREAMS：特定 COM5502 实例的并发 TCP 流数量。每个额外的 TCP 流需要更多的资源（RAM 块、逻辑）。
  • NUDPTX：UDP 发送实例化（1）/禁用（0）。
  • NUDPRX：UDP 接收实例化（1）/禁用（0）。
  • IPv6_ENABLED：启用（1）/禁用（0）IPv6 协议。
  • MTU：最大传输单元（IP 帧最大字节大小）。
  • TCP_TX_WINDOW_SIZE 和 TCP_RX_WINDOW_SIZE：TCP 发送和接收缓冲区大小，单位为 2^n 字节。
  • DHCP_SERVER_EN：DHCP 服务器实例化（1）/禁用（0）。
  • DHCP_CLIENT_EN：DHCP 客户端实例化（1）/禁用（0）。
  • IGMP_EN：IGMP 实例化（1）/禁用（0）。
  • TX_IDLE_TIMEOUT：TCP 发送流空闲超时，单位为 4µs。
  • TCP_KEEPALIVE_PERIOD：TCP 保持活动周期，单位为秒。
  • CLK_FREQUENCY：时钟频率，单位为 MHz。
4.4.2 运行时配置参数

  • MAC 地址：网络节点的 48 位 MAC 地址。用户负责为每个实例选择唯一的“硬件”地址。

  • 动态/静态 IP：动态（1）/静态（0）IP 地址。设备 IP 地址可以由外部 DHCP 服务器动态分配，或由用户定义为静态地址。

  • IPv4 地址：静态 IP 地址（当 DYNAMIC_IP = 0）或最后一次动态分配的地址（当 DYNAMIC_IP = 1）。

  • IPv4 子网掩码：用于确定 IP 地址是本地（LAN）还是远程（WAN）的子网掩码。

  • IPv4 网关 IP 地址：用于将数据包导向远程目的地的网关地址。

  • IPv4 多播地址：用于接收 UDP 多播消息的多播地址。

  • IPv6 地址：本地 IP 地址。

  • IPv6 子网前缀长度：有效范围 64-128。

  • IPv6 网关 IP 地址：用于将数据包导向远程目的地的网关地址。

  • TCP_KEEPALIVE_EN：启用（1）/禁用（0）TCP 保持活动功能。

  • 数据传输速率：10 Gbps（万兆级别）

  • 数据包大小：支持标准 Ethernet 帧和最大传输单元（MTU）大小。

  • 连接数：支持高并发连接的处理能力。

  • TCP 拥塞控制：实现标准的 TCP 拥塞控制算法，确保网络稳定性。
    本项目在运行时配置的部分参数如下所示：

    wire [47:0]  MAC_ADDR            = 48'hb0_7b_25_05_e2_2b;
    wire         DYNAMIC_IP          = 1'b0;
    wire [31:0]  IPv4_ADDR           = {8'd192, 8'd168, 8'd5,   8'd56};
    wire [127:0] IPv6_ADDR           = {96'd0, 8'd192, 8'd168, 8'd5,   8'd56};
    wire [31:0]  GATEWAY_IP_ADDR     = {8'd192, 8'd168, 8'd5,   8'd1};
    wire [31:0]  SUBNET_MASK         = {8'd255, 8'd255, 8'd255, 8'd0};
    wire [31:0]  MULTICAST_IP_ADDR   = {8'd0,   8'd0,   8'd0,   8'd0};
    wire [16*1-1:0] TCP_LOCAL_PORTS = {16'd1024};//{16'd1025,16'd1024};
    wire [1-1:0] CONNECTION_RESET = {1{1'b0}};

5. 实验与性能测试

1. 测试前的准备工作

进行测试之前，需要准备以下设备：

  • FPGA 开发板：可以使用个人设备或博主提供的开发板。
  • SFP 光模块：支持 10G 线速率。
  • 光纤：支持 10G 线速率。
  • Intel X520万兆网卡：支持 10Gbps 速率的电脑端网卡
  • 电脑主机：配备 PCIE 插槽。
  • 网络调试助手软件。

连接方式如下：

  1. 将 SFP 光模块安装到 FPGA 开发板的 SFP 光口。
  2. 使用光纤将 FPGA 开发板的 SFP 光口与电脑端的 10G 网卡相连。
  3. 将 10G 网卡插入电脑的 PCIE 插槽。
    连接图如下所示：
    开发板连接：
    在这里插入图片描述

万兆网卡连接图：
在这里插入图片描述

2. 配置电脑端 IP 地址

按照以下步骤设置电脑端 IP 地址：

  • IP 地址：192.168.5.128（或其他与 FPGA 网卡 IP 地址处于同一网段且不冲突的地址）。
  • 子网掩码：255.255.255.0。
  • 默认网关：根据实际网络环境进行配置（通常与 FPGA 网卡的网关保持一致）。
    在这里插入图片描述

重要提示：

电脑端的 IP 地址不能与 FPGA 网卡的 IP 地址相同（例如不能设置为 192.168.5.56）。

3. 进行 ping 测试
  1. 将编译完成的 bit 文件下载到 FPGA 开发板上，完成硬件配置工作。
  2. 打开命令提示符（CMD），输入以下命令：
    ping 192.168.5.56 -t

其中，192.168.5.56 是 FPGA 网卡的 IP 地址。
3. 观察 ping 测试的结果，以确认网络连接是否正常。
在这里插入图片描述

4. TCP 数据回环测试

  1. 将编译完成的 bit 文件下载到 FPGA 开发板上，完成硬件配置工作。

  2. 打开网络调试助手并进行以下配置：

    • 选择 TCP 客户端模式。
    • 设置服务器 IP 地址为 FPGA 网卡的 IP 地址（例如 192.168.5.56）。
    • 设置端口号（根据工程配置，例如 1024）。
    • 连接到服务器。

  3. 单次发送数据测试：

    • 在网络调试助手中输入测试数据并发送。
    • 检查接收数据是否与发送数据一致。
      测试结果如下：
      在这里插入图片描述
5. 网络速度测试

  1. 下载用于测速的 bit 文件，并将其烧录到 FPGA 开发板中。

  2. 打开网络调试助手，选择“接收数据不显示”模式，点击连接。设置界面截图如下：
    在这里插入图片描述

  3. 打开电脑的任务管理器，进入“性能”选项卡，找到10G 网卡。

  4. 观察实时速率，并记录测试结果。
    在这里插入图片描述

视频演示：

基于FPGA的10G万兆TCP协议栈测速

重要提示：

测试得到的速率仅表示可能的最高速度。TCP 的点到点速度与电脑的网卡、CPU 速度、内存速度以及操作系统密切相关。

6. 项目优势

  1. 完全自定义、无 IP 核依赖：本协议栈完全使用 VHDL 编写，没有任何 IP 核，完全可定制，便于用户根据需求进行修改和移植。
  2. 高效的硬件加速：通过 FPGA 提供硬件加速，避免了传统软件协议栈的瓶颈，适合需要高性能的场景。
  3. 低延迟、高吞吐量：本协议栈针对万兆网络进行了优化，具有极低的延迟和非常高的吞吐量。
  4. 易于移植：由于使用纯 VHDL 编写，无需依赖特定的硬件平台，用户可以轻松移植到其他 FPGA 平台。
  5. 灵活配置：可以根据需求灵活配置不同的参数，适应不同的应用场景。

7. 适用人群与应用场景

  • 学生与学者：学习网络协议的实现，理解 TCP/IP 协议栈的原理与优化。
  • 技术工程师：用于研发高性能网络系统，尤其是数据中心、高速计算和通信领域。
  • 硬件开发者：需要在 FPGA 上实现自定义协议栈，且不依赖于高层 IP 核的开发人员。

8. 源码与资料获取

工程源码介绍

本项目基于 Xilinx Kintex-7 35T（xc7k325tffg676-2） FPGA 设计，采用 板载 10G SFP 光口 进行高速数据通信，并集成 Xilinx 官方 10G Ethernet Subsystem 作为以太网物理层实现。该 IP 核充分利用 GTX 高速收发器，确保高吞吐量、低延迟的数据传输能力。

协议栈部分完全使用 VHDL 语言 编写，并提供 Verilog 顶层封装，使得即便是不熟悉 VHDL 的用户，也可以直接在 Verilog 工程中轻松调用该 TCP/IP 协议栈，极大地降低了集成门槛。此外，该项目已经完成了 TCP/IP 数据回环功能 以及 TCP/IP 网络测速功能，支持 Xilinx 7 系列 FPGA 轻松移植，适用于高速网络通信、实时数据传输等应用场景。

资料获取

为方便技术交流，将提供完整的工程源码和相关文档，可通过私信方式获取。

注：所有源码仅限个人学习、研究使用，禁止商业传播和二次售卖.

9. 总结

通过本项目，您将能够深入了解 基于 FPGA 的 TCP 协议栈实现，并能在自己的项目中实现高效的网络数据处理。无论是学习、科研还是产品开发，这套源码都能为您提供强大的支持。如果你正在寻找一套可移植、无 IP 核、低延迟、高吞吐量的解决方案，欢迎联系我获取源码！

注：本文所分享的源码将根据项目的实际需求进行持续更新和优化。如果您在使用过程中遇到任何问题，欢迎提出宝贵意见！

风语者！平时喜欢研究各种技术，目前在从事后端开发工作，热爱生活、热爱工作。

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