本文详细介绍了在通信协议仿真中，如何通过状态机分析MAC管理层的运作，特别是在处理ARP请求和响应过程。从接收IP发送请求开始，解析MAC地址，发送ARP请求，到接收并解析ARP回复，最后成功发送和接收UDP数据包。在实体B端，展示了MAC层如何解析UDP包，并将相关信息传递给上层。整个过程中，状态机的每个状态和转换都有清晰的解释，为理解网络协议的底层工作原理提供了深入的洞察。
书接上篇。
有了上篇分析，这篇主要上图，实现以下这个过程。
仿真运行后，我们要找个起点来观察，一般是从后往前，也就是看结果是否正确，不正确再往前推理找源头。另外一种起点是中最关键的控制部分，分析他的状态转换。
这里我们找到mac_hub这个mac管理层的状态机，
wire arp_in_sending = (s_udp_ip == sending_arp_ip ) && ( sending_time_cntr != ARP_TIMEOUT ) ;
always@(posedge clk)if (rst)st<=0;else case (st)
0:st<=10;
10 : if (arp_reply_valid)st<=100;else st<=200; //if there is a ARP reply to send out .
100,101,102,103:st<=st+1;
104: if (mac_s_busy==0)st<=111;
111: if (mac_s_busy==1)st<=112;
112: if (mac_s_busy==0)st<=113;
113: st<=200;
200: if (udp_m_ip_pack_valid==0) st<=400;else st<=205;
205: st<=210;
210: if (arp_cache_req_done) st<=(arp_cache_req_hit)?220:300;// with IP find out MAC //
220: st<=221; //mac_tx_dst_mac <= arp_cache_mac_out ;
221: st<=222; //s_udp_tx_start=1 in this state otherwise will be 0
222: if (mac_s_busy==0)st<=223;
223: if (mac_s_busy==1)st<=224;
224: if (mac_s_busy==0)st<=225;
// 3state prevous while connect upd_ip to mac_tx
225: st<=300;
300: st<=301;//we need send a arp request
301: st <= (arp_in_sending) ? 313:302;
302,303,304,305,306,307,308,309:st<=st+1;
310: if (mac_s_busy==0)st<=311;
311: if (mac_s_busy==1)st<=312;
312: if (mac_s_busy==0)st<=313;//record sending ip
313: st<=314;
314: st<=10;
400: st<=10;
default st<=0;
endcase
这里结合代码我们看到确实在收到IP发送请求后从arp_cache里面找到对应ip的mac就是发送了一个arp_request请求。
之后我们看以下发送出去的以太网数据包，这里注意长度是66个字节因为mac设置代码填充，不满足64自己的数据包被自动填充上多了0凑足66个字节。
之后我们在实体B端查看接收到的传递给MAC层的数据：
reg [7:0] st1 ;
always@(posedge clk) if (rst)st1<=0; else case (st1)
0:st1<=10;
10: if ( s_valid & s_sof & (s_din == 'h0|| s_din == get_byte5( cfg_my_mac )) ) st1<=11;
11: if ( s_din == 'h0 || s_din == get_byte4( cfg_my_mac ) ) st1<=12;else st1<=10;
12: if ( s_din == 'h0 || s_din == get_byte3( cfg_my_mac ) ) st1<=13;else st1<=10;
13: if ( s_din == 'h0 || s_din == get_byte2( cfg_my_mac ) ) st1<=14;else st1<=10;
14: if ( s_din == 'h0 || s_din == get_byte1( cfg_my_mac ) ) st1<=15;else st1<=10;
15: if ( s_din == 'h0 || s_din == get_byte0( cfg_my_mac ) ) st1<=20;else st1<=10;
20,21,22,23,24:st1<=st1+1; // skip src mac address
25:st1<=30;
30:st1<=31;
31:case ( {s_din_r,s_din} ) ARP_TYPE : st1<=100; IP_TYPE :st1<=200; default st1<=250;endcase
100, // deal with arp
200, // deal with ip (upper layer icmp or udp)
250: if ( s_valid & s_eof ) st1<=10;
default st1<=0; endcase
我们看到很显然st转到了100等待状态机st2处理arp包的发送。
之后我们看st2状态机的运转情况：
reg [7:0] st2 ; // deal with arp //check if it is my ip ,then
always @ (posedge clk )if (rst)st2<=0; else case (st2)
0:st2<=10;
10: if (st1==100&&s_din==0) st2<=14;
14: if (s_din == 8'h01) st2 <= 15;else st2<=10; //arp_hdr
15: if (s_din == 8'h08) st2 <= 16;else st2<=10;
16: if (s_din == 8'h00) st2 <= 17;else st2<=10; //arp_pro
17: if (s_din == 8'h06) st2 <= 18;else st2<=10; //arp_hln
18: if (s_din == 8'h04) st2 <= 19;else st2<=10; //apr_pln
19: if (s_din == 8'h00) st2 <= 20;else st2<=10; //opt hi==0
20: begin st2<=40; need_reply <=(s_din==1)?1:0 ;end
40: begin arp_cache_mac [5*8+7:5*8] <= s_din;st2<=41 ;end
41: begin arp_cache_mac [4*8+7:4*8] <= s_din;st2<=42 ;end
42: begin arp_cache_mac [3*8+7:3*8] <= s_din;st2<=43 ;end
43: begin arp_cache_mac [2*8+7:2*8] <= s_din;st2<=44 ;end
44: begin arp_cache_mac [1*8+7:1*8] <= s_din;st2<=45 ;end
45: begin arp_cache_mac [0*8+7:0*8] <= s_din;st2<=46 ;end
46: begin arp_cache_ip [3*8+7:3*8] <=s_din ;st2<=47 ;end
47: begin arp_cache_ip [2*8+7:2*8] <=s_din ;st2<=48 ;end
48: begin arp_cache_ip [1*8+7:1*8] <=s_din ;st2<=49 ;end
49: begin arp_cache_ip [0*8+7:0*8] <=s_din ; st2<=50 ;end
50,51,52,53,54:st2<=st2+1;
55:st2<=60;
60: if ( s_din == cfg_my_ip[3*8+7:3*8] ) st2<=st2+1; else st2<=10;
61: if ( s_din == cfg_my_ip[2*8+7:2*8] ) st2<=st2+1; else st2<=10;
62: if ( s_din == cfg_my_ip[1*8+7:1*8] ) st2<=st2+1; else st2<=10;
63: if ( s_din == cfg_my_ip[0*8+7:0*8] ) st2<=66; else st2<=10;
66: st2<=70; //
70: if (need_reply) st2 <= 71 ;else st2<=10;
71: begin need_reply <=0; st2 <= 10 ;end // wait replay
default st2<=0;
endcase st2在状态10接棒st1状态机判别到的arp包开始处理。
之后我们再去实体A看ARP_REPLY包是否收到并正确解析。
我们直接找MAC_RX输出给CACHE的接口看波形：
至此ARP_REQUEST和ARP_REPLY一个完整过程结束。
我们通过ARP请求MAC地址的目的就是为了发送上述提到了IP包，现在这不就可以发送了。看mac管理层的状态机st.
这个数据包正确性我们在之前的仿真已经做了校验，这里根据各个字段简单对照没有问题，可以在之后下FPGA板子实际跑遇到问题再抓包分析。
{{aAxvOXMOIvVUoXMxvoxiowMwWV8xxWTxoxOIOVIUUOvwVOUiIoUvvTMMVMwovWHWX8vOUOWm8Wo8VoTOwTOIVTvOmMowxIIiM8IXMMiVIU8UITwVHOMoiHIoVU8VvmvIWXTvvOvv8xvMovOWoVOox8Mi8UmooOTvvwUIoTwvmWUoiTw8VmvoHWwMIUWOixiowiUoiXwiwwMMIiIXHwUmOWUVmXXwV8iHWOTUiwTU8xwOoV8HVmTWZz}}-----------------------------------------------------------第二天继续写的-------------------------------------------------------
我们再看一下实体B收到这个板子做了怎么样处理。
首先eth_rx收到了以太网线路发来的原始数据流，解析出来MAC层的数据，如下：
我们看一下在mac_rx中对UDP包接受和解析的状态机代码：
always @ (posedge clk )m_udp_dout<= s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 34) m_udp_len [15:8] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 35) m_udp_len [7:0] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 ==12) m_ip_len [15:8] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 ==13 ) m_ip_len [7:0] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 22) m_udp_src_ip[3*8+7:3*8+0] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 23) m_udp_src_ip[2*8+7:2*8+0] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 24) m_udp_src_ip[1*8+7:1*8+0] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 25) m_udp_src_ip[0*8+7:0*8+0] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 26) m_udp_dst_ip[3*8+7:3*8+0] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 27) m_udp_dst_ip[2*8+7:2*8+0] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 28) m_udp_dst_ip[1*8+7:1*8+0] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 29) m_udp_dst_ip[0*8+7:0*8+0] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 30) m_udp_src_port[1*8+7:1*8+0] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 31) m_udp_src_port[0*8+7:0*8+0] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 32) m_udp_dst_port[1*8+7:1*8+0] <=s_din ;
always @ (posedge clk ) if (st3 == 33) m_udp_dst_port[0*8+7:0*8+0] <=s_din ;
reg [7:0] st3 ; // deal with ip (UDP or ICMP)
always @ (posedge clk )if (rst)st3<=0; else case (st3)
0 : st3<=10;
10: if (st1 == 200 && s_din == 'h45 ) st3<=11;
11,12,13,14,15,16,17,18 : st3 <= st3+1 ;
19 : if (s_din == 'h11) st3<=20;else st3<=10 ;
20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36:st3<=st3+1;
37:st3<=38;
38: st3<=40;
40:if (s_eof) st3<=50;
50:st3<=60;
60:st3<=10; //输出total_len eof sof以及valid .给udp_rx层
default st3<=0; endcase
// m_udp_valid,m_udp_sof,m_udp_eof,m_udp_chksum_ok,
always @ (posedge clk ) if (st3 == 38) m_udp_valid<= 1;else if (s_eof_r ) m_udp_valid<=0;
always @(posedge clk) m_udp_eof <= s_eof ;
always @ (posedge clk) m_udp_sof <= st3 == 38 ;
always @(posedge clk) m_udp_chksum_ok <=1; 代码的思路和之前一脉相承，m_udp_chksum这里暂时不做处理。
我们直接看解析出来的udp数据包：
这里我们可以看到解析出来收发方IP和端口，
对照我们仿真平台的设置来看都是正确的：
按照层次化的网络协议思想，我们在上层是能看到下层的细节，比如我们在实体A的IP层面发送数据包，就不需要知道MAC以及下面的以太网层面进行怎么的添充和校验，在实体B的MAC层接受就是收到了实体A的IP传来的数据格式，以太网地址的请求处理过程在mac层也看不到。按照这个思路UDP层也看不到IP地址的情况，协议中UDP包头里面确实没有IP地址的字段（只有收发PORT，字节长度,校验和这8字节），但是IP地址相当关键，标识着数据是网络节点哪个主机，因此这里我在MAC_RX模块里面解析出来，上层代码可用可不用（不用的画对应的逻辑会被自动优化掉，不产生额外FPGA逻辑资源开销）。
我们可以看到这里完美解析出了传输的UDP数据包，其中前18个字节是实际内容，后面的有多个字节填充。我们在测试平台里面修改要发送的自己数，设置大一些，这样就可以不必在amc_rx中被自动填充了。
产生测试向量的代码如下：
wire [15:0] test_len = 32;
reg [11:0] c;always @(posedge clk) if (rst) c<=0; else c<=(c==(1000-1))?0:c+1; // system counter for debug
reg [7:0] st = 0 ;
reg [7:0] r;
always @(posedge clk) if (rst)st<=0; else case (st)
0:st<=10;
10:if(s_udp_tx_busy==0)st<=20;
20:st<=30;
30:if(r==test_len)st<=40;
40:st<=10;
default st<=0;
endcase
reg s_udp_tx_start=0;
always @(posedge clk) if (rst){s_udp_tx_start,r}<=0; else case (st)
20:begin r<=0;s_udp_tx_start <=1; end
30:begin r<=r+1; s_udp_tx_start <=0; end
default begin r<=0;s_udp_tx_start <=0;end
endcase
这里我们完美看到收到了32个字节
至此两个实体进行测试的仿真实验完成，接下来就可以下板子运行了。
ICMP的实现，需要在MAC_RX模块加入对ICMP请求的解析，得到必要信息连同padding传递跟ICMP_REPLY模块，ICMP应答数据包传递给IP层，之后给mac管理层，在mac_hub模块里面排队等待发出。
在发送ICMP请求时，我们的IP地址已经被对方记录，说明之前对方发来过arp请求，这样的话我们也保存过他的ip和mac地址，不需要发送arp请求。但是也有一个例外，就是我们在和对方arp对话过之后，从新上电了，就不会有对方ip以及mac地址了，这时候还是要发送arp请求包：因此这部分在mac_hub被处理的时候还是要考虑arp_request的请求。在发送udp协议时候已经做好了arp_request的发送状态序列，icmp请求引起的arp_request直接设置几个寄存器后转跳到这些执行序列就可以，不会增加很多额外的逻辑。
{{aAoUUvUWw8ooWiUxHOmwoIoivHX8WXIXiOmUmMIVUTxUXwvmOmxWwUmXUUVVUwTmW8xxxmVMwwMHVOoxX8iMxxvwiMTTxUIUiWMXIMHUHT8OHTXWZz}}----------------------------------------------------------
接下来就要写代码并下板子运行了，撸了一周的代码要跑起来了，还是有点小激动，紧张搓搓小手~
扫一扫
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
