传输控制协议(tcp)是一种最初针对低速地面链路而设计的传输层协议。然而，随着高速传输介质和复杂的访问机制的发展，用纯软件方式实现tcp需要强大的计算和存储能力。

近年来，网络速度、cpu和内存的速度呈爆炸式增长。由于以太网速度的增长速度远远大于cpu或内存，所以目前的网络性能仍然主要受制于内存与cpu速度。

tcp卸载是一种用于加速tcp/ip连接的技术，它克服了上述局限性，将复杂的tcp处理从主机cpu转移到专用的tcp加速器上。通常，用于加速的tcp卸载引擎(toe)是一个主机cpu共址的专用子系统。可达到同样目标的一种可选机制，是将复杂的tcp/ip处理转移至用高速链路与tcp服务器连接的网络处理器(np)上(一种专用的可编程硬件设备)。

这种可选机制采用的网络处理器不但具备通用处理器(gpp)的低成本与高灵活性，而且还具有定制硅芯片解决方案的速度与可扩展性。此外，np还可减轻tcp服务器上需要大量内存和cpu资源的处理负担。它还提供可扩展性极高的解决方案，尤其是存在原有设备或对成本敏感的设备的情况下。

防御网络通常与长延迟卫星链路、易出错的无线信道一起，构成高性能服务器与网络。卫星链路是降低整体性能的链路中最薄弱的环节。采用这种可选机制可使带有toe的np连接至薄弱部分，从而让np-toe能消除长延迟和信道错误的不利影响，并提高网络整体性能。

对于成本与尺寸受限的低端企业级产品而言，通过在中央网络单元中引入toe来解决内存/cpu瓶颈是一种具有可扩展性和成本效益的解决方案。与提高主机自身的性能(如使用键盘、显示器和鼠标——kvm交换机)相比，该方法尤其具有优势。

图1列举了一种部署方案，其中远程键盘、监视器和鼠标控制多台与基于ip的kvm(kvm-over-ip)交换机相连的远程托管服务器。远程控制计算机的鼠标与键盘事件通过因特网从kvm交换机传输到服务器。服务器通过kvm交换机将压缩的监视器数据发送至远程计算机。带有toe的np使kvm交换机能够将tcp的处理负担转移到np，从而简化了kvm交换机硬件。



图1：带有toe的np提升网络性能的部署实例。

采用tcp接合技术的toe

tcp卸载可在企业tcp主机和远程np两种网络实体上进行，它是通过利用分离的tcp连接(也称为tcp接合)而得以实现的。tcp接合是一种著名的tcp性能增强技术。在tcp接合中，两个独立的tcp连接可以跨接一次会话：一个从客户端到np，另一个从np到服务器。图2说明了采用tcp接合技术的toe的基本操作步骤。

服务器发送的数据由np在本地确认，从而减少服务器的缓冲需求并且加快拥塞窗口的扩大。np在远端(客户端)的确认(ack)到达之前缓冲数据。在未收到确认通知的情况，np执行定时器管理以向远端重发tcp段。利用本地确认还可以避免tcp服务器受np和客户端之间网络拥塞和延迟过长的影响。这可以减轻服务器的内存负担。

np还可以为服务器向客户端发送的数据(包括校验和计算)执行可选的网络地址转换(nat)。尽管上述功能需要大量计算并且给gpp带来繁重负担，但np非常适合处理此类操作。

与路由等传统np应用相比，tcp卸载应用需要具备包间依赖性和基于连接的状态机。此外，这种应用还要处理传输层功能，而这超越了由np执行的传统链路层和网络层的处理能力。

tcp处理过程中主要有两个复杂之处。缓冲器管理包括对拥塞网络中未确认段、乱序段和延迟段进行存储。定时器管理包括估算重发超时(rto)估算以及触发未确认段的重发。

在高性能服务器或网络与长延迟无线和/或窄带网络一起运行的情况下(防御和移动网络大多如此)，这种机制非常有用。在这种情况下，由于立即确认使可察觉的延迟更短，所以np上的tcp卸载功能可缩短慢启动阶段。请注意，当处理任务很轻时，慢启动阶段决定了应用性能。

另外，tcp拥塞控制针对有线部分的拥塞以及易错无线信道的性能下降而调整。由于错误恢复功能受限于np和客户端，所以np上的tcp卸载可以防止服务器中的窗口崩溃。这可以提高整体吞吐量。



图2：从服务器到客户端的数据处理框图。

利用网络处理器实现带toe的tcp接合技术

在开发执行被提议的替代机制的概念原型中，我们采用杰尔app340处理器(图3)。app3xx系列np具有2gbps的吞吐能力。该器件包含分类器、由调度程序、缓冲器管理器与流编辑器(sed)组成的流量管理器、状态引擎以及片上控制处理器(即嵌入式主机)。嵌入式主机处理低速通道(控制与管理)，器件的其余部分则处理快速通道或数据管道。

分类器用于识别连接及其状态；状态引擎让tcp状态变量能被np上的各种功能模块访问；流量管理器运行tcp拥塞控制协议，并执行调度决策；sed则被用于执行序号处理及网络地址转换(nat)的穿透(traversal)。

app340允许流量整