楊成林 周 勛 嚴(yán)新榮

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七二二研究所 武漢 430205）

1 引言

通信行業(yè)蓬勃發(fā)展，在保障安全性的前提下，數(shù)據(jù)處理速度逐漸成為影響用戶體驗(yàn)的重要因素。采用軟件方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解析處理已經(jīng)非常成熟，隨著業(yè)界對性能要求的不斷提高，在FPGA 上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理得到廣泛關(guān)注，如報(bào)文解析、數(shù)據(jù)加解密，以及通信系統(tǒng)中的各類接口控制等。

本文針對用于處理以太網(wǎng)口、串口等多種通信接口業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加解密功能的常規(guī)邏輯架構(gòu)，對其不足提出了優(yōu)化方案，在不影響業(yè)務(wù)準(zhǔn)確性、時(shí)效性的前提下，采用數(shù)據(jù)幀流式傳輸與并行處理，重要業(yè)務(wù)優(yōu)先級仲裁［1］，加密算法資源動(dòng)態(tài)分配等方式提高加解密速度，并采用仿真測試對比優(yōu)化前后的處理效率。

2 邏輯架構(gòu)問題分析

2.1 功能需求

FPGA 邏輯用于解析以太網(wǎng)口、串口［2～3］等多種接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，對業(yè)務(wù)幀、指令幀等不同報(bào)文采用加解密處理、參數(shù)配置、優(yōu)先讀取等各種處理方式，實(shí)現(xiàn)報(bào)文解析重組轉(zhuǎn)發(fā)功能。

整體邏輯架構(gòu)劃分為三個(gè)部分：業(yè)務(wù)處理模塊（包含幀格式解析與數(shù)據(jù)加解密等功能）、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊負(fù)責(zé)將上位機(jī)發(fā)來的報(bào)文寫入數(shù)據(jù)緩存模塊，并將接收完成的信號(hào)送給業(yè)務(wù)處理模塊，業(yè)務(wù)處理模塊主動(dòng)從緩存區(qū)域讀取數(shù)據(jù)幀，并對數(shù)據(jù)幀中關(guān)鍵字節(jié)進(jìn)行解析，模塊進(jìn)入對應(yīng)的狀態(tài)機(jī)，最終根據(jù)協(xié)議需求選擇指定的接口送出。

為了提高處理性能，減輕CPU 負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)資源合理利用，選擇采用FPGA 承擔(dān)報(bào)文解析與數(shù)據(jù)加解密功能。

2.2 問題分析

2.2.1 占用鎖死工作模式

圖1的業(yè)務(wù)處理過程記為工程A。

圖1 邏輯模塊整體架構(gòu)

各個(gè)收發(fā)模塊之間采用了“啟動(dòng)-占用-釋放-再啟動(dòng)”的占用鎖死工作模式，某一方進(jìn)入工作態(tài)時(shí)，其余接口的業(yè)務(wù)功能全部暫停，等待先占用者釋放資源。占用/釋放信號(hào)lock/unlock 不僅鎖死了業(yè)務(wù)處理模塊，同時(shí)也會(huì)禁止自己接收新的數(shù)據(jù)幀，這就導(dǎo)致突發(fā)大量數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)，產(chǎn)生丟包問題。圖2簡要展示占用鎖死工作模式。

圖2 占用鎖死工作模式

業(yè)務(wù)處理模塊占用式方法處理業(yè)務(wù)優(yōu)先級問題，承載數(shù)據(jù)幀解析重組、加解密運(yùn)算、報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級判定等重要功能。圖3 以并行架構(gòu)描述業(yè)務(wù)處理流程，但實(shí)際上狀態(tài)機(jī)在跳轉(zhuǎn)回IDLE 狀態(tài)之前的過程中，不會(huì)從IDLE 再次接收信號(hào)進(jìn)入業(yè)務(wù)啟動(dòng)狀態(tài)，整個(gè)業(yè)務(wù)模塊是一個(gè)偽并行處理過程，威脅傳輸可靠性。

圖3 業(yè)務(wù)處理流程

圖4 ECB算法加解密圖解

圖5 CBC算法加解密圖解

2.2.2 算法介紹［4～5］

需要加解密的報(bào)文分為兩類，分別采用ECB或CBC［6］模式。由于工程A的仲裁方式每次僅允許一項(xiàng)業(yè)務(wù)進(jìn)入業(yè)務(wù)模塊，所以一個(gè)算法核即可滿足業(yè)務(wù)需求。

1）ECB模式中，明文分組加密之后的結(jié)果直接成為密文分組。各個(gè)分組之間的加解密關(guān)聯(lián)較小，無順序要求。該種方式簡單快速，且支持并行計(jì)算。

2）CBC模式中，首先將明文分組與前一個(gè)密文分組進(jìn)行異或運(yùn)算，再進(jìn)行加密。與ECB 模式相比，CBC加密模式的每一個(gè)分組均與其之前的所有分組相關(guān)，CBC解密模式的每一個(gè)分組僅與其對應(yīng)的密文分組和前一個(gè)密文分組相關(guān)。

符號(hào)含義：

ENC：加密運(yùn)算DEC：解密運(yùn)算

C：密文分組⊕：異或運(yùn)算

P：明文分組K：密鑰IV：初始化向量

3 優(yōu)化方法

針對工程A 中存在的丟包與偽并行問題進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的圖6業(yè)務(wù)處理過程記為工程B，以實(shí)現(xiàn)合理分配FPGA 資源、功能模塊化、流式傳輸數(shù)據(jù)幀、并行加解密等目標(biāo)。

圖6 邏輯模塊優(yōu)化調(diào)整

3.1 收發(fā)模塊資源調(diào)整

2.2.1 節(jié)中提及占用鎖死的接收模式難以應(yīng)對網(wǎng)口的突發(fā)大量傳輸，會(huì)產(chǎn)生丟包現(xiàn)象，而收發(fā)模塊僅起到緩存數(shù)據(jù)幀的作用，無需對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理。因此將原來IP 核由RAM 改為FIFO［7］，并采用AXIS 格式進(jìn)行傳輸，擴(kuò)充緩存空間［8］，應(yīng)對來自高速接口的突發(fā)傳輸。

3.2 業(yè)務(wù)模塊處理流程優(yōu)化

針對“啟動(dòng)-占用-釋放-再啟動(dòng)”的工作模式導(dǎo)致業(yè)務(wù)處理效率低下的現(xiàn)象，改變這種偽并行的工作模式，將原來的業(yè)務(wù)模塊細(xì)化為多個(gè)子業(yè)務(wù)模塊，并行處理業(yè)務(wù)。在業(yè)務(wù)部分之前添加一個(gè)分流模塊，將業(yè)務(wù)分類從業(yè)務(wù)處理模塊中剝離，對收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行預(yù)處理，簡化后續(xù)處理流程。具體設(shè)計(jì)如下：

1）業(yè)務(wù)模塊細(xì)化

將各類接口的業(yè)務(wù)分開，而非集中在同一個(gè)模塊的狀態(tài)機(jī)里。對于不同需求的業(yè)務(wù)模塊增加相應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)，有針對性地提高效率與可靠性。如網(wǎng)口之間的ping 包，無需解析重組，可以直接發(fā)往目標(biāo)網(wǎng)口，大大提高該類業(yè)務(wù)的處理速度［9］；對于需要進(jìn)行加解密過程的業(yè)務(wù)，可在加解密模塊外部套一層異步FIFO［10］，通過改變FIFO 的讀寫時(shí)鐘頻率，均衡加解密速率與數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同時(shí)鐘域［11～12］之間的可靠傳輸。

2）構(gòu)建分流模塊與合流模塊

工程A 中的業(yè)務(wù)區(qū)分與業(yè)務(wù)處理功能都放在業(yè)務(wù)模塊中，各種業(yè)務(wù)搶占狀態(tài)機(jī)，導(dǎo)致偽并行邏輯。在業(yè)務(wù)處理模塊之前添加一個(gè)分流模塊，代替了前文提到的仲裁功能，真正實(shí)現(xiàn)偽并發(fā)到真并發(fā)的轉(zhuǎn)變。該模塊將收到的數(shù)據(jù)以AXIS格式并發(fā)送入所有的子業(yè)務(wù)模塊，但僅有業(yè)務(wù)相關(guān)一路的有效信號(hào)會(huì)被拉高。

業(yè)務(wù)并行處理結(jié)束時(shí)，存在多個(gè)業(yè)務(wù)同時(shí)準(zhǔn)備從接口發(fā)出的情況，需要在合流模塊中進(jìn)行發(fā)送順序仲裁。對于同一優(yōu)先級的業(yè)務(wù)，采用先結(jié)束先發(fā)出的處理方式，由于發(fā)送數(shù)據(jù)速度較快，不存在堵塞現(xiàn)象；對于特殊業(yè)務(wù)，合流模塊會(huì)讀取到高優(yōu)先級指令字，等待高優(yōu)先級業(yè)務(wù)發(fā)送完后，再繼續(xù)發(fā)送普通業(yè)務(wù)。

3）算法核復(fù)用優(yōu)化

針對ECB 與CBC 模式不同的加密原理，對二者分別適配單業(yè)務(wù)多算法核與多業(yè)務(wù)多算法核的調(diào)用方式，并采用“專用部分等待，公用部分搶占”的仲裁［13］方式，來提高加解密運(yùn)算速率和算法核利用率。

4 仿真驗(yàn)證及性能分析

工程A 和工程B 分別在modelsim 中進(jìn)行仿真調(diào)試，并在國產(chǎn)開發(fā)環(huán)境pango2020.3 上進(jìn)行編譯與測試，仿真采用以下兩種業(yè)務(wù)類型：

業(yè)務(wù)a：需要CBC模式解密的數(shù)據(jù)幀；

業(yè)務(wù)b：需要ECB模式解密的數(shù)據(jù)幀。

測試結(jié)果如圖7～圖11 所示，數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 優(yōu)化性能測試記錄表

圖7 工程A連續(xù)處理CBC業(yè)務(wù)丟包現(xiàn)象仿真圖

圖8 工程B連續(xù)處理CBC業(yè)務(wù)仿真圖

圖9 工程A時(shí)延處理CBC業(yè)務(wù)仿真圖

圖10 工程A連續(xù)處理ECB業(yè)務(wù)丟包現(xiàn)象仿真圖

圖11 工程B連續(xù)處理ECB業(yè)務(wù)仿真圖

經(jīng)過上述仿真結(jié)果對比，計(jì)算得出以下結(jié)論：

1）通過更改占用鎖死機(jī)制，解決了工程A 在接收連續(xù)業(yè)務(wù)時(shí)的丟包問題。

2）在處理單個(gè)CBC 解密業(yè)務(wù)的情況下，工程B與工程A 性能基本持平，每幀開銷均為11.0μs；在處理連續(xù)CBC 解密業(yè)務(wù)的情況下，工程B 比工程A效率提升最高約11.04μs/ 1.84μs = 600%，即工程B中最多可實(shí)現(xiàn)6路并行處理。

3）在處理單個(gè)ECB 解密業(yè)務(wù)的情況下，工程B多次復(fù)用算法核對數(shù)據(jù)分組并行解密，處理效率比工程A提升約46.12μs/13.72μs ≈264%；在處理連續(xù)ECB解密業(yè)務(wù)的情況下，工程B效率相對于工程A 提升約203%～410%（連續(xù)處理數(shù)量越多效率提升越高，最高可達(dá)410%）。

5 結(jié)語

本文針對常規(guī)的數(shù)據(jù)幀處理方法作出優(yōu)化，解決了處理過程中的偽并行和丟包問題，通過細(xì)化業(yè)務(wù)模塊等方式減少了代碼中的冗余部分，使邏輯架構(gòu)更加簡潔。創(chuàng)新地采用算法核復(fù)用，根據(jù)算法特點(diǎn)有針對性的進(jìn)行算法調(diào)用過程優(yōu)化。相較于工程A，工程B 提高了硬件資源利用率和業(yè)務(wù)處理速度，對于項(xiàng)目本身的性能提升有重要價(jià)值。