随着5G通信、云计算、大数据和物联网等技术的广泛兴起,数据流量爆炸式增长,网络带宽也随之快速增长,目前万兆以太网已经普及。CPU如何来处理速度越来越快、流量越来越大的网络数据成为一个难点,其重要解决方案为TCP/IP卸载引擎技术(简称TOE技术),即通过专用的硬件设备来处理复杂的网络数据,以释放CPU资源,降低其处理压力。然而现有万兆以太网的TOE解决方案还不够成熟,存在速度慢、未兼容标准协议等缺陷。针对当前研究现状并结合市场需求,本文设计了一套基于FPGA的万兆以太网TCP/IP卸载引擎与硬件系统,通过FPGA硬件逻辑实现标准TCP/IP协议栈卸载,并融合数字鉴权等安全算法实现高速安全的网络数据传输与通信。硬件系统采用Xilinx XC7Z045为核心处理器,包含4路万兆光口SFP+和1路PCIe 2.0×8接口,并搭载4片DDR3@1866Mbps和4片DDR3@1066Mbps存储颗粒;整板包含1190个电子元器件,4118个连接,17路电源,并有8对最高速度达10.3125Gbps的SFP+差分走线,16对最高速度达5GTps的PCIe差分走线,以及共180余根DDR3高速走线。因此,本系统硬件设计面临信号完整性、电源完整性和电磁兼容性的严峻挑战。借助理论计算和仿真工具,本文最终以12层叠层设计,并通过严格的阻抗和时延控制、合理的布局布线完成整板硬件设计。同时,本文通过Verilog硬件描述语言,完成标准TCP/IP协议栈卸载功能,实现万兆以太网通信、PCIe接口通信和DDR3高速存储等功能;通过嵌入式软件编程实现数字鉴权安全算法,保障设备安全与传输安全;通过上位机软件编程实现系统的配置与审计,为用户提供人性化的管理接口和操作界面。综上,本文完成了复杂的高速数字系统设计、FPGA硬件逻辑设计和上位机软件设计,为核心服务器的网络硬件加速提供了一种解决方案,且该系统兼容现有市场标准网络设备,即插即用,具有广泛应用前景。