以太网UDP数据回环实验

最新推荐文章于 2025-05-20 16:23:58 发布

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#udp #网络协议 #fpga #fpga开发

本文介绍了TCP/IP协议簇，包括IP、UDP协议及其校验和计算方法。IP首部校验和需将校验和字段置0后进行反码加法等操作。UDP校验和计算涉及伪首部、首部和有效数据。还阐述了以太网UDP数据回环实验，FPGA接收上位机数据并回传，UDP模块实现接收、发送及CRC校验功能。

一、TCP/IP协议簇

前面说到TCP/IP是一个协议簇，其中包含有IP协议、TCP协议、UDP协议、ARP协议、DNS协议、FTP协议等。设备之间要想完成通信，就必须通过这些网络通信协议。

物理层的主要作用就是传输比特流（将1、0转化为电流强弱来进行传输，到达目的地后在转化为1、0，即数模转换与模数转换）。
数据链路层接收来自物理层的位流形式的数据，并封装成帧，传送到上一层；也将来自上层的数据帧，拆装为位流形式的数据转发到物理层。MAC数据包位于数据链路层，当MAC数据包经过数据链路层到达网络层时，前导码、帧起始界定符、目的 MAC 地址、源 MAC 地址、类型/长度以及校验字节均被去除，只有有效数据传入了网络层。
        网路层通过路由选择算法，为报文（该层的数据单位，由上一层数据打包而来）通过通信子网选择最适当的路径。这一层定义的是IP地址，通过IP地址寻址，所以产生了IP协议。传入网络层的数据包并不完全是需要传输的有效数据，他的前面还包含着 20 字节的IP协议首部。网络层在接收到数据包后，取下数据包的IP首部，将剩余有效数据包发送到传输层。
        而传输层提供了主机应用程序进程之间的端到端的服务，基本功能是：分割与重组数据、按端口号寻址、连接管理、差错控制和流量控制、纠错功能。若传输层使用UDP协议，那么传入传输层的数据包为UDP数据包。
        应用层是计算机用户，以及各种应用程序和网络之间的接口。

以太网数据包就是对各层协议的逐层封装来实现数据传输，MAC帧中的数据段为IP数据报文，IP报文中的数据段位UDP报文，UDP报文中的数据段为传输数据。

1.1 IP

IP协议规定了数据传输时的基本单元和格式，位于以太网MAC格式的数据段，由IP首部和数据字段组成。

版本(4bit)：定义IP协议版本，设置为二进制的0100时表示IPv4，设置为二进制的0110时表示IPv6。
首部长度 (4bit)：定义数据报协议头长度，表示IP首部一共有多少个32位。协议头最小值为5，最大值为15。
服务类型 (8bit)：定义上层协议对处理当前数据报所期望的服务质量，并对数据报按照重要性级别进行分配。前3位成为优先位，后面4位成为服务类型，最后1位没有定义。这些8位字段用于分配优先级、延迟、吞吐量以及可靠性。
总长度(16bit)：定义整个IP数据报的字节长度，包括协议头部和数据。其最大值为65535字节。
标识 (16bit)：包含一个整数，用于标识主机发送的数据报，通常每发送一份数据包值加一。
标记(3bit)：由3位字段构成，其中最低位 (ME控制分段，存在下一个分段置为1，否则置0代表该分段是最后一个分段。中间位(DF) 指出数据报是否可进行分段，如果为1则机器不能将该数据报进行分段。第三位即最高位保留不使用，值为0。
分段偏移 (13bit)：在接收方进行数据报重组时用来标识分段的顺序。
生存时间 (8bit)：一种计数器，在丢弃数据报的每个点值依次减1直至减少为0。这样确保数据报拥有有限的环路过程(即TTL)，限制了数据报的寿命。
协议 (8bit)：该字段指出在IP处理过程完成之后，有哪种上层协议接收导入数据报。
首部校验和(16bit)：该字段帮助确保IP协议头的完整性。由于某些协议头字段的改变，这就需要对每个点重新计算和检验。计算过程是先将校验和字段置为0，然后将整个头部每 16 位划分为一部分，将个部分相加，再将计算结果取反码，插入到校验和字段中。
源地址 (32bit)：发送端IP地址，该字段在IPV4数据报从源主机到目的主机传输期间必须保持不变。
目的地址 (32bit)：接收端IP地址，该字段在IPv4数据报从源主机到目的主机传输期间同样必须保持不变。

1.1.1 IP首部校验和

IP首部校验和计算步骤：

将16位检验和字段置为0，然后将IP首部按照16位分成多个单元；
对各个单元采用反码加法运算(即高位溢出位会加到低位，通常的补码运算是直接丢掉溢出的高位)；
此时仍然可能出现进位的情况，将得到的和再次分成高16位和低16位进行累加;
最后将得到的和的反码填入校验和字段。

IP首部校验和校验

对IP首部中每个16bit进行二进制反码求和，将计算结果再取反码，若结果为0，通过检验，否则不通过检验。

例：验证IP首部 45 00 00 30 80 4c 40 00 80 06 b5 2e d3 43 11 7b cb 51 15 3d
(1)对 IP 首部进行反码求和：4500+0030+804c+4000+8006+b52e+d343+117b+cb51+153d=3fffc
0300+3fffc=ffff
(2)对和结果取反码：~ffff=0，校验正确。

1.2 UDP

UDP (User Datagram Protocol)，即用户数据报协议，是一种面向无连接的传输层协议。无连接是指在传输数据时，数据的发送端和接收端不建立逻辑连接。即发送端只管发送，不会管接收端到底有没有接收到数据，而接收端也不会向发送端反馈反馈是否收到数据。

UDP首部共8个字节，同IP首部一样，也是一行以32位(4个字节)为单位。

源端口号(16byte)：用于区分不同服务的端口，端口号的范围从0到 65535。
目的端口号(16byte)：16位接收端端口号。
UDP长度(16byte)：包含 UDP 首部长度+数据长度。
UDP校验和(16byte)：提供了与TCP校验字段相同的功能，可选。

1.2.1 UDP校验和

UDP校验和的计算需要三部分数据：UDP 伪首部、UDP首部和有效数据。伪首部包含IP首部一些字段，其目的是让UDP两次检查数据是否已经正确到达目的地，只是单纯做校验使用。

UDP校验和计算步骤：校验字节强制置0，将三部分数据按2字节，即16比特，分开分别相加，若如果大于 FFFF 那么把高16位与低16位相加，直到最终结果为16比特数据。将计算结果取反作为 UDP 校验和字节。

例：

(1) 将校验和字段00 92置为00 00:
a9 fe bf lf a9 fe 01 17 00 11 00 28 04 d2 04 d2 00 28 00 00 68 74 74 70 3a 2f 2f 77 7777 2e 63 6d 73 6f 66 74 2e 63 6e 20 51 51 3a 31 30 38 36 35 36 30 30
(2) 以2字节为单位，数据反码求和:
a9fe + bflf + a9fe + 0117 + 0011 + 0028 + 04d2 + 04d2 + 0028 + 0000 + 6874 + 7470+ 3a2f + 2f77 + 7777 + 2e63 + 6d73 + 6f66 + 742e + 636e + 2051 + 513a + 3130 +3836 + 3536 + 3030 = 6 ff67
(3) 将进位(6)加到低 16 位(f67)上：6 + ff67 = ff6d
(4)将 ff6d 取反得: checksum = 0092

二、以太网UDP数据回环实验

上位机通过网口调试助手发送数据给FPGA，FPGA通过以太网接口接收数据并将收到的数据发送给上位机，完成以太网UDP数据的回环。

GMII TO RGMII模块负责将双沿 (DDR) 数据和单沿 (SDR) 数据之间的转换，GMII接收侧的引脚同时连接至 ARP顶层模块和UDP顶层模块，这个两个模块会分别根据ARP协议和UDP协议解析数据。而GMII发送侧引脚只能和ARP顶层模块和UDP顶层模块的其中一个连接，因此以太网控制模块会根据当前接收到的协议类型，选择切换GMII发送侧引脚和ARP顶层模块或者UDP顶层模块连接，并且根据输入的ARP接收的类型，控制ARP顶层模块返回ARP应答信号。ARP顶层模块解析ARP 请求命令，并返回开发板的MAC地址。UDP顶层模块实现了以太网 UDP 数据包的接收、发送以及 CRC 校验的功能。以太网单次会接收到大量数据，因此需要FIFO模块用来缓存数据，由于所使用的GMII接收时钟和GMII发送时钟实际上为同一个时钟，因此这里使用同步FIFO。

2.1 UDP模块

UDP模块实现了以太网帧格式和UDP协议功能，由UDP接收模块、UDP发送模块和CRC校验模块组成。

UDP接收模块：接收模块较为简单只需要判断目的MAC地址与开发板MAC地址、目的IP地址与开发板IP地址是否一致。接收模块的解析顺序是:前导码+顺起始界定符→以太网头→IP首部→UDP首部→UDP数据(有效数据)→接收结束。IP数据报一般以32bit为单位，为了和IP数据报格式保持一致，所以要把8位数据转成32位数据，因此接收模块实际上是完成了8位数据转32位数据的功能。

UDP发送模块：发送模块多了IP首部校验和和CRC循环冗余校验的计算，CRC的校验在CRC校验模块里完成。发送模块的发送顺序是前导码+起始界定符→以太网头→IP首部→UDP首部→UDP数据(有效数据)→CRC校验。输入的有效数据为32位数据，GMII接口为8位数据接口，因此发送模块实际上完成的是32位数据转8位数据的功能。

CRC校验模块：CRC校验模块是对UDP发送模块的数据(不包括前导码和起始界定符)做校验，把校验结果值拼在以太网倾格式的FCS字段，如果CRC校验值计算错误或者没有的话，那么电脑网卡会直接丢弃该顿导致收不到数据。CRC32 校验在FPGA实现的原理是LFSR (Linear Feedback Shif Register，线性反馈移位寄存器)，其思想是各个寄存器储存着上一次CRC32运算的结果，寄存器的输出即为CRC32的值。

2.1.1 UDP接收模块

UDP接收模块按照UDP的数据格式解析数据，并实现将8位用户数据转成32位数据的功能，通过三段式状态机来解析以太网包。

module udp_rx(
    input                clk         ,    //时钟信号
    input                rst_n       ,    //复位信号，低电平有效
    
    input                gmii_rx_dv  ,    //GMII输入数据有效信号
    input