报文分段、IP数据包、帧的长度约束

本文详细介绍了最大传输单元(MTU)的概念及其在网络传输中的作用,并解释了IP数据包如何依据不同网络的MTU进行分片处理。此外,还探讨了传输层中的TCP协议如何确定最大报文段长度(MSS)。

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  1、数据链路层对数据帧的长度都有一个限制,也就是链路层所能承受的最大数据长度,这个值称为最大传输单元,即MTU。以以太网为例,这个值通常是1500字节。

  2、对于IP数据包来讲,也有一个长度,在IP包头中,以16位来描述IP包的长度,也就是说,一个IP包,最长可能是65535字节(多数网络设备将其限制在576字节以内)。

  3、结合以上两个概念,第一个重要的结论就出来了,如果IP包的大小,超过了MTU值,那么就需要分片,也就是把一个IP包分为多个,这个概念非常容易理解,一个载重5T的卡车,要拉10T的货,它当然就得分几次来拉了。

  4、IP分片是很多资料常讲的内容,但是我倒是觉得分不分片其实不重要,重要的是另一个东西。一个数据包穿过一个大的网络,它其间会穿过多个网络,每个网络的MTU值是不同的。我们可以设想,如果接受/发送端都是以太网,它们的MTU都是1500,我们假设发送的时候,IP数据包会以1500来封装,然而,不幸的是,传输中有一段X.25网,它的MTU是576,这会发生什么呢?我想,这个才是我们所关心的。

  当然,结论是显而易见的,这个数据包会被再次分片,咱开始用火车拉,到了半路,不通火车,只通汽车,那一车货会被分为很多车……仅此而已,更重要的是,这种情况下,如果IP包被设置了“不允许分片标志”,那会发生些什么呢?对,数据包将被丢弃,然事收到一份ICMP(Internet Control Message ProtocolInternet控制报文协议)不可达差错,告诉你,需要分片!

  这个网络中最小的MTU值,被称为路径MTU,我们应该有一种有效的手段,来发现这个值,最笨的方法或许是先用traceroute查看所有节点,然后一个个ping……

  5、到了传输层,也会有一个最大值的限制,当然,对于只管发,其它都不管的UDP来说,不再我们讨论之列。这里说的是TCP协议。说到大小,或许会让人想到TCP著名的滑动窗口的窗口大小,它跟收发两端的缓存有关,这里讨论的是传输的最大数据包大小,所以,它也不在讨论之列。

  TCP的选项字段中,有一个最大报文段长度(MSS,Maximum Segment Size),表示了TCP传往另一端的最大数据的长度,当一个连接立时,连接的双方都要通告各自的MSS,也就是说,它说是与TCP的SYN标志在一起的。当然,对于传输来讲,总是希望MSS越大越好,现在超载这么严重,谁家不希望多拉点货……但是,MSS总是有个限制的,也就是MTU-IP头长度-TCP头长度,对于以太网来讲

  它通常是1500-20-20=1460,虽然总是希望它能很大(如1460),但是大多数BSD实现,它都是512的倍数,如1024……

  6、回到分片上来,例如,在Win2000下执行如下命令:

  "ping 192.168.0.1 -l 1473

  按刚才的说法,1473+20(ip头)+8(icmp头)=1501,则好大于1500,它会被分片。

<think>嗯,用户想了解FPGA实现10GE相关的数据结构设计方案。首先,我需要明确10GE指的是10 Gigabit Ethernet,也就是万兆以太网。FPGA在这种高速网络处理中的应用通常涉及数据帧结构、协议处理以及硬件加速等方面。 首先,用户提到的数据结构可能包括以太网的解析和封装。根据IEEE 802.3标准,以太网结构包括前导码、起始定界符、MAC头、载荷和FCS等部分。在FPGA中处理这些数据,需要设计相应的数据结构来存储和操作这些字段。比如,使用寄存器或FIFO来缓存不同的部分。 接下来,用户可能关心的是如何高效处理这些数据。FPGA通常采用流水线结构,每个阶段处理不同的任务,比如解析MAC头、检查FCS、处理VLAN标签等。需要设计模块化的数据结构,每个模块负责特定的功能,同时保证数据的高吞吐量和低延迟。 另外,用户提到的参考文献中提到了10G Ethernet Subsystem的IP核,这可能涉及Xilinx或Intel的FPGA IP核。这些IP核通常已经处理了物理层和数据链路层的部分,用户可能需要关注应用层的数据处理,比如如何将数据从MAC层传输到上层应用,或者实现特定的协议栈。 数据结构的设计还需要考虑FPGA的资源限制。比如,使用高效的存储结构如Block RAM或分布式RAM来缓存数据包,同时优化数据路径以减少逻辑资源的使用。此外,时序约束也是一个重要因素,必须确保数据在高速率下的正确处理,避免时序违例。 用户可能还需要了解如何验证这些数据结构的设计。通常,这涉及使用仿真工具如ModelSim或Vivado Simulator,以及硬件测试设备如网络分析仪。验证过程中需要检查数据结构的正确性和处理效率,确保符合10GE的性能要求。 最后,用户的问题可能涉及到具体实现细节,比如如何处理巨型(Jumbo Frame)或实现流量管理功能。这些高级功能需要更复杂的数据结构和控制逻辑,可能涉及状态机设计、优先级队列等。</think>### FPGA实现10GE数据结构设计方案 在FPGA实现10G以太网(10GE)时,数据结构设计需结合协议规范与硬件特性,重点关注以下核心模块: #### 1. **以太网结构解析** IEEE 802.3标准定义的以太网包含以下字段: - **前导码(Preamble)**:7字节同步信号 - **起始定界符(SFD)**:1字节标识起始 - **MAC头**:6字节目的地址+6字节源地址+2字节类型/长度 - **载荷(Payload)**:46-1500字节(或扩展至Jumbo Frame) - **校验序列(FCS)**:4字节CRC校验 FPGA实现中需通过**寄存器组或FIFO**缓存各字段,例如: ```verilog typedef struct { logic [63:0] preamble; // 前导码(需分段处理) logic [7:0] sfd; // 起始定界符 logic [47:0] dst_mac; // 目的MAC地址 logic [47:0] src_mac; // 源MAC地址 logic [15:0] eth_type; // 以太网类型字段 logic [*:0] payload; // 动态长度载荷(需BRAM管理) logic [31:0] fcs; // 校验序列 } eth_frame_t; ``` #### 2. **流水线处理架构** 为满足10GE线速(10.3125 Gbps)需求,通常采用**多级流水线**: 1. **接收模块**:通过XGMII接口解析物理层数据[^1] 2. **MAC层处理**:CRC校验、过滤、VLAN标签剥离 3. **流量分类**:基于目的MAC/IP/TCP端口进行优先级队列管理 4. **数据缓存**:使用Block RAM(BRAM)或UltraRAM实现报文缓存池 #### 3. **关键数据结构优化** - **描述符(Descriptor)**:记录报文元数据(地址、长度、状态) $$ \text{Descriptor} = \{ \text{base\_addr}, \text{length}, \text{QoS}, \text{status} \} $$ - **哈希表**:用于MAC地址学习与快速查找[^2] - **环形缓冲区(Ring Buffer)**:实现无锁生产者-消费者模型 #### 4. **资源与时序约束** - **BRAM分配策略**:按最大传输单元(MTU=9000字节)划分存储块 - **跨时钟域处理**:使用异步FIFO衔接不同时钟域模块 - **时序收敛**:通过寄存器打拍(Register Retiming)优化关键路径 --- ###
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