中文论文标题
CoAP协议的硬件加速器设计，用于高速低功耗的物联网通信
英文论文标题
Hardware Acceleration of CoAP Protocol for High-Speed and Low-Power Internet of Things Communication
作者信息
- Kasem Khalil, IEEE高级会员, 密西西比大学电气与计算机工程系, 美国牛津, MS, 38677, 以及阿西尤特大学电气工程系, 埃及阿西尤特, 71515
- Ashok Kumar, IEEE高级会员, 路易斯安那大学拉法叶分校先进计算机研究中心, 美国拉法叶, LA, 70504
- Magdy Bayoumi, IEEE会士, 路易斯安那大学拉法叶分校电气与计算机工程系, 美国拉法叶, LA, 70504
论文出处
本文已被接受发表在IEEE物联网期刊上. DOI: 10.1109/JIOT.2024.3502549
摘要
本文提出了一种针对物联网设备的CoAP协议硬件加速器，旨在优化资源受限的物联网环境中的消息处理。该加速器的架构使用虚拟通道（VCs）来高效管理传入的消息流量，实现并行处理并提高吞吐量。通过动态资源分配和简化路由机制，加速器减少了处理延迟并提高了系统响应性。该方法在Altera 10 GX FPGA上使用VHDL实现，功耗仅为112.4 mW，平均延迟为58 µs，能耗为6.62 µJ，显示出其优越的性能指标。通过详细的评估和比较分析，验证了所提出的CoAP硬件加速器的优越性能。
引言
物联网（IoT）是一种变革性技术，使得不同设备和系统之间能够无缝通信，包括资源受限的设备。CoAP是一种轻量级且高效的物联网通信协议，能够在资源受限的环境中实现数据交换。随着物联网的发展，对CoAP协议进行硬件加速成为研究的热点，因为它能够提高协议功能的处理速度，减少软件协议栈的开销，从而在资源受限的环境中实现更高效和可靠的运行。
CoAP概述与相关工作
CoAP协议基于状态的方法运行，支持GET、DELETE、PUT和POST四种功能。相关研究包括Brasilino等人设计的针对资源受限物联网设备的CoAP加速器硬件模块，以及Batmaz等人设计的针对CoAP服务器网络栈的硬件加速器等。这些研究为CoAP硬件加速提供了基础和参考。
提出的方法
本文提出的CoAP硬件加速器设计包括多个关键模块，如虚拟通道监控和选择（VCMS）模块、比较器和控制器模块等。VCMS模块通过动态分配虚拟通道来管理传入的消息流量，确保资源的有效利用和最小化处理延迟。控制器模块负责提取消息中的关键信息，并选择适当的处理单元进行进一步处理。此外，该加速器还支持CoAP协议的确认和非确认消息处理，以及必要的重传机制，以确保消息的可靠传输。
评估参数
本文使用多个评估参数来衡量CoAP硬件加速器的性能，包括延迟、吞吐量、资源利用率、能效、可扩展性、可靠性和内存占用等。这些参数为评估硬件实现的CoAP协议提供了全面的视角，有助于优化和改进设计。
实施与实验结果
所提出的CoAP加速器在Altera 10 GX FPGA上通过VHDL实现，并对其性能进行了详细的评估。实验结果表明，与传统的软件方法相比，该加速器在CPU使用率、内存使用、上行流量、下行流量、延迟和丢包率等方面均表现出优越的性能。此外，该加速器在处理不同消息大小和发送速率时均能保持稳定的性能，显示出其在物联网环境中的适用性和可靠性。
结论
本文提出的CoAP硬件加速器通过虚拟通道、动态路由和高效的处理单元等创新设计，显著提高了消息处理效率、降低了延迟和功耗。与现有方法相比，该加速器在多个性能指标上均表现出优越性，适用于多种物联网应用和实时通信场景。未来的研究方向包括进一步降低功耗和应用机器学习算法进行自适应性能调整等。