10G_ethernet学习记录（3）: IP层编写

无心所欲为风

已于 2024-12-18 12:53:17 修改

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分类专栏：基于XCKU060的万兆以太网开发过程记录文章标签：学习 tcp/ip 网络

于 2024-12-15 16:44:38 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/m0_46900880/article/details/144487130

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基于XCKU060的万兆以太网开发过程记录专栏收录该内容

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0，IP层协议

版本:占 4 位，ipv4（0100），ipv6（0110）；

首部长度:占 4 位；表示一共有多少个32bit（4字节），无可选字段时固定为5；

区分服务:占 8 位,用来获得更好的服务,在旧标准中叫做服务类型,但实际上一直未被使用过 1998 年这个字段改名为区分服务.只有在使用区分服务(DiffServ)时,这个字段才起作用.一般的情况下都不使用这个字段；设置为0；

总长度:占 16 位，指首部和数据之和的长度，单位为字节,因此数据报的最大长度为 65535字节总长度必须不超过最大传送单元 MTU（最大传输负载）。数据长度等于总长度-20（IP首部）

标识:占 16 位,它是一个计数器,用来产生数据报的标识；

标志(flag):占 3 位，第一位保留，第二位（1是不分片，0是分片），第三位是否有更多的分片；

片偏移:占 13 位,指较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置.片偏移以 8 个字节为偏移单位；

生存时间:占 8 位,记为 TTL (Time To Live) 数据报在网络中可通过的路由器数的最大值,TTL 字段是由发送端初始设置一个 8 bit 字段.推荐的初始值由分配数字 RFC 指定,当前值为 64.发送 ICMP 回显应答时经常把 TTL 设为最大值 255；

协议:占 8 位,指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给哪个处理过程, 1 表示为 ICMP 协议, 2 表示为 IGMP 协议, 6 表示为 TCP 协议, 17表示为 UDP 协议；

首部检验和:占 16 位,只检验数据报的首部不检验数据部分，采用二进制反码求和，即将16 位数据相加后，再将进位与低 16 位相加，直到进位为 0，最后将 16 位取反；

源地址：自身IP地址；

目的地址：接收方IP地址；

1，编写工程

ip层主要包含三个模块：ip_rx，ip_tx，ip_module


module _10g_ip_module
#(
    parameter                           P_SOURCE_IP = 32'hc0_01_01_01,
    parameter                           P_TARGET_IP = 32'hc0_01_01_01 
)
(
    input                               i_clk                      ,
    input                               i_rst                      ,

    //drp
    input              [  31:0]         i_dynamic_source_ip        ,
    input                               i_dynamic_source_valid     ,
    input              [  31:0]         i_dynamic_target_ip        ,
    input                               i_dynamic_target_valid     ,

    /**************   axi_mac   *********************/
    output             [  63:0]         m_axis_mac_data            ,
    output             [  79:0]         m_axis_mac_user            ,//len(16)+source_mac(48)+type(16)
    output             [   7:0]         m_axis_mac_keep            ,
    output                              m_axis_mac_last            ,
    output                              m_axis_mac_valid           ,

    input              [  63:0]         s_axis_mac_data            ,
    input              [  79:0]         s_axis_mac_user            ,//len(16)+source_mac(48)+type(16)
    input              [   7:0]         s_axis_mac_keep            ,
    input                               s_axis_mac_last            ,
    input                               s_axis_mac_valid           ,

    /**************   axi_out   *********************/
    //与UDP或者ICMP层的交互
    output             [  63:0]         m_axis_out_data            ,
    output             [  55:0]         m_axis_out_user            ,//16len + 8type + 16ip + 3mflag + 13offset
    output             [   7:0]         m_axis_out_keep            ,
    output                              m_axis_out_last            ,
    output                              m_axis_out_valid           ,

    input              [  63:0]         s_axis_out_data            ,
    input              [  55:0]         s_axis_out_user            ,//16len + 8type + 16ip + 3mflag + 13offset
    input              [   7:0]         s_axis_out_keep            ,
    input                               s_axis_out_last            ,
    input                               s_axis_out_valid            
);

_10g_ip_tx
#(
    .P_SOURCE_IP                       (P_SOURCE_IP               ),
    .P_TARGET_IP                       (P_TARGET_IP               ) 
)
_10g_ip_tx_inst
(
    .i_clk                             (i_clk                     ),
    .i_rst                             (i_rst                     ),

    //drp
    .i_dynamic_source_ip               (i_dynamic_source_ip       ),
    .i_dynamic_source_valid            (i_dynamic_source_valid    ),
    .i_dynamic_target_ip               (i_dynamic_target_ip       ),
    .i_dynamic_target_valid            (i_dynamic_target_valid    ),

    .m_axis_mac_data                   (m_axis_mac_data           ),
    .m_axis_mac_user                   (m_axis_mac_user           ),//len(16)+source_mac(48)+type(16)
    .m_axis_mac_keep                   (m_axis_mac_keep           ),
    .m_axis_mac_last                   (m_axis_mac_last           ),
    .m_axis_mac_valid                  (m_axis_mac_valid          ),
    .m_axis_mac_ready                  (                          ),

    .s_axis_out_data                   (s_axis_out_data           ),
    .s_axis_out_user                   (s_axis_out_user           ),//16len + 8type + 16ip + 3mflag + 13offset
    .s_axis_out_keep                   (s_axis_out_keep           ),
    .s_axis_out_last                   (s_axis_out_last           ),
    .s_axis_out_valid                  (s_axis_out_valid          ) 
);

_10g_ip_rx
#(
    .P_SOURCE_IP                       (P_SOURCE_IP               ),
    .P_TARGET_IP                       (P_TARGET_IP               ) 
)
_10g_ip_rx_inst
(
    .i_clk                             (i_clk                     ),
    .i_rst                             (i_rst                     ),

    //drp
    .i_dynamic_source_ip               (i_dynamic_source_ip       ),
    .i_dynamic_source_valid            (i_dynamic_source_valid    ),
    .i_dynamic_target_ip               (i_dynamic_target_ip       ),
    .i_dynamic_target_valid            (i_dynamic_target_valid    ),

    .s_axis_mac_data                   (s_axis_mac_data           ),
    .s_axis_mac_user                   (s_axis_mac_user           ),//len(16)+source_mac(48)+type(16)
    .s_axis_mac_keep                   (s_axis_mac_keep           ),
    .s_axis_mac_last                   (s_axis_mac_last           ),
    .s_axis_mac_valid                  (s_axis_mac_valid          ),

    .m_axis_out_data                   (m_axis_out_data           ),
    .m_axis_out_user                   (m_axis_out_user           ),//16len + 8type + 16ip + 3mflag + 13offset
    .m_axis_out_keep                   (m_axis_out_keep           ),
    .m_axis_out_last                   (m_axis_out_last           ),
    .m_axis_out_valid                  (m_axis_out_valid          ) 
);

1.1，ip_rx

该模块主要负责接受MAC层输出的类型为0800的ip类型数据，进行数据报文的解析，主要功能如下：

module _10g_ip_rx
#(
    parameter                           P_SOURCE_IP = 32'hc0_01_01_01,
    parameter                           P_TARGET_IP = 32'hc0_01_01_01 
)
(
    input                               i_clk                      ,
    input                               i_rst                      ,

    //drp
    input              [  31:0]         i_dynamic_source_ip        ,
    input                               i_dynamic_source_valid     ,
    input              [  31:0]         i_dynamic_target_ip        ,
    input                               i_dynamic_target_valid     ,

    input              [  63:0]         s_axis_mac_data            ,
    input              [  79:0]         s_axis_mac_user            ,//len(16)+source_mac(48)+type(16)
    input              [   7:0]         s_axis_mac_keep            ,
    input                               s_axis_mac_last            ,
    input                               s_axis_mac_valid           ,

    output             [  63:0]         m_axis_out_data            ,
    output             [  55:0]         m_axis_out_user            ,//16len + 8type + 16ip + 3mflag + 13offset
    output             [   7:0]         m_axis_out_keep            ,
    output                              m_axis_out_last            ,
    output                              m_axis_out_valid            
);

1，解析出报文的长度（1byte形式），这里长度需要进行统一，有的是按照64bit（8byte形式），长度存放在user中，后续统一。

2，解析出协议protocal，为后续的ICMP，UDP仲裁使用。1 表示为 ICMP 协议, 2 表示为 IGMP 协议, 6 表示为 TCP 协议, 17表示为 UDP 协议；

3，解析出MFB，offset，为后续巨帧的开发做准备。

4，因为在MAC做了CRC校验，这里就不再对ip的首部检验和做检查，而是仅仅检查IP头部中的目的IP与IP层中的source_ip是否一致，用于控制输出的valid信号。

5，解析数据，传递给下一层，任然是老套的keep处理，尤其是尾端keep，但是因为经过MAC处理之后已经是字节对齐过了的，处理起来很方便。

    else if( !r_s_axis_mac_valid && r_s_axis_mac_valid_1d && !(r_last_keep == 8'b1000_0000 || r_last_keep == 8'b1100_0000 || r_last_keep == 8'b1110_0000 || r_last_keep == 8'b1111_0000 )   ) begin
        case (r_last_keep)
            8'b1000_0000 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1111_1000;//提前一个周期             
            8'b1100_0000 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1111_1100;//提前一个周期             
            8'b1110_0000 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1111_1110;//提前一个周期             
            8'b1111_0000 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1111_1111;//提前一个周期             
            8'b1111_1000 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1000_0000;              
            8'b1111_1100 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1100_0000;              
            8'b1111_1110 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1110_0000;
            8'b1111_1111 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1111_1111;
            default      : r_m_axis_out_keep <= 8'b1111_1111;
        endcase
    end    
    else if( !s_axis_mac_valid && r_s_axis_mac_valid && (r_last_keep == 8'b1000_0000 || r_last_keep == 8'b1100_0000 || r_last_keep == 8'b1110_0000 || r_last_keep == 8'b1111_0000 )   ) begin
        case (r_last_keep)
            8'b1000_0000 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1111_1000;//提前一个周期             
            8'b1100_0000 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1111_1100;//提前一个周期             
            8'b1110_0000 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1111_1110;//提前一个周期             
            8'b1111_0000 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1111_1111;//提前一个周期             
            8'b1111_1000 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1000_0000;              
            8'b1111_1100 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1100_0000;              
            8'b1111_1110 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1110_0000;
            8'b1111_1111 : r_m_axis_out_keep <= 8'b1111_1111;
            default      : r_m_axis_out_keep <= 8'b1111_1111;
        endcase
    end

仿真波形：

可以看到ip报文头部的20个byte已经全部移除，数据提取完毕且完成字节对齐。

1.2，ip_tx

将IMCP，UDP层发送的数据添加IP首部发送给MAC。


module _10g_ip_tx
#(
    parameter                           P_SOURCE_IP = 32'hc0_01_01_01,
    parameter                           P_TARGET_IP = 32'hc0_01_01_01 
)
(
    input                               i_clk                      ,
    input                               i_rst                      ,

    //drp
    input              [  31:0]         i_dynamic_source_ip        ,
    input                               i_dynamic_source_valid     ,
    input              [  31:0]         i_dynamic_target_ip        ,
    input                               i_dynamic_target_valid     ,

    output             [  63:0]         m_axis_mac_data            ,
    output             [  79:0]         m_axis_mac_user            ,//len(16)+source_mac(48)+type(16)
    output             [   7:0]         m_axis_mac_keep            ,
    output                              m_axis_mac_last            ,
    output                              m_axis_mac_valid           ,
    output                              m_axis_mac_ready           ,

    input              [  63:0]         s_axis_out_data            ,
    input              [  55:0]         s_axis_out_user            ,//16len + 8type + 16ip + 3mflag + 13offset
    input              [   7:0]         s_axis_out_keep            ,
    input                               s_axis_out_last            ,
    input                               s_axis_out_valid            
);

主要功能：

1，根据输入的user中的数据进行IP首部的组帧

input   [  55:0]  s_axis_out_user    ,//16len + 8type + 16ip + 3mflag + 13offset

2，首部校验和的计算，接受我们可以不校验，但是发送需要自己组成，

IP首部校验和计算方法：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_44870077/article/details/118106364

总结一下就是：

将头部20个字节的IP首部分为10个16bit大小的数据，且首部检验和为0，进行相加。存放进一个[31:0]result（大位宽防止加法溢出）；
使用result[31:16]+result[15:0]，进行相加（如果担心任然有溢出，再次操作）；
对最后的到的result[15:0]进行取反，即为首部校验和；

//首部校验和
always @(posedge i_clk) begin
    if (i_rst) begin
        r_header_sum_check <= 'd0;
    end
    else if(r_in_cnt == 1) begin
        r_header_sum_check <= 16'h4500
                               +  (r_s_axis_out_user[55:40] + 16'd20)       //len
                               +  r_s_axis_out_user[31:16]                  //id
                               +  r_s_axis_out_user[15:0]                   //mflag + offset
                               +  {P_LIVE_TIME , r_s_axis_out_user[36:29]}  //live + protocol
                               +  16'd0                                      //header_sum
                               +  r_i_dynamic_source_ip[31:16] + r_i_dynamic_source_ip[15:0]
                               +  r_i_dynamic_target_ip[31:16] + r_i_dynamic_target_ip[15:0];
    end
    else if(r_in_cnt == 2) begin
        r_header_sum_check <= r_header_sum_check[31:16] + r_header_sum_check[15:0];
    end
    else if(r_in_cnt == 3) begin
        r_header_sum_check <= r_header_sum_check[31:16] + r_header_sum_check[15:0];
    end
    else begin
        r_header_sum_check <= r_header_sum_check;
    end
end