随着AI、5G、大数据、云计算等信息技术产业的兴起和发展,网络中数据传输速率和通信负载总量呈爆炸式增长。面向海量的网络数据处理需求,尤其是TCP/IP等占用大量CPU计算资源和处理周期的复杂网络协议,传统的基于CPU+软件协议栈的网络数据处理方式已遇到瓶颈。TCP/IP卸载引擎（TCP/IP Offload Engine,TOE）的出现很好地缓解了这个问题,其通过将TCP/IP协议的处理过程卸载到专用硬件上,极大释放了CPU的网络协议处理负担。目前,针对TOE的研究和设计实现已成为网络通信领域的一大研究热点,但现有研究普遍存在核心技术依赖国外IP授权或支持并发连接数较少等问题。本文依托于网络处理智能芯片项目,设计并实现了一种支持50K高并发的TCP/IP协议卸载引擎,在满足协议处理功能和性能的同时,兼具良好的可靠性和灵活性。论文主要工作如下:1、TOE模块的设计实现。根据TCP/IP协议处理的功能和性能需求,采用自顶向下的模块化设计思路,将TOE整体结构划分为五大子模块,即发送模块、接收模块、状态转移模块、并发连接管理模块以及超时模块,并基于Verilog语言设计实现了各个模块的数据通路以及关键状态机。针对50K高并发下访问并发连接管理表延迟过大的问题,提出并实现了基于QSM（Quick Search Memory,快速查找存储器）的快速并发连接管理的优化方法,以更好地满足低延迟与高并发的设计需求。此外,针对复杂传输环境中可能出现的协议处理异常场景,设计超时模块使系统具备异常情况下的处理能力,保证了设计的可靠性和鲁棒性。2、TOE模块UVM功能验证。TOE作为一个较复杂且需不断完善的功能模块,完备的验证是保证其正常工作的一个重要条件,而传统验证方法效率较低,兼容性较差。因此本文采用System Verilog语言以及UVM（Universal Verification Methodology,通用验证方法学）验证方法学搭建TOE模块级UVM验证平台,并对测试功能点进行梳理和分解,构造对应测试用例,覆盖TOE数据通路、正常传输场景以及异常传输场景的各个测试功能点,确保模块设计符合功能要求。3、TOE模块FPGA原型验证。搭建FTP测试环境,其中FPGA使用Xilinx公司的Kintex Ultra Scale KU085。Wireshark的抓包结果表明,该设计能够满足正常情况和异常情况的传输需求,并且支持50K的并发连接。本文所设计的50K高并发TOE在延迟上相较于软件方案,提升平均可达64.1%,相较于传统硬件TOE方案,提升平均可达31.2%。结果表明,本文设计的TOE在满足高并发的前提下,有效降低了延迟,提升了系统性能。