本系列文章基于xilinx三速以太網(wǎng)IP進(jìn)行學(xué)習(xí)介紹。

在完成以太網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)之前，必須要對以太網(wǎng)基礎(chǔ)知識進(jìn)行了解。時(shí)間充裕的可以看看《圖解TCP/IP》作為掃盲。本文重點(diǎn)對以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

一、以太網(wǎng)幀格式

以太網(wǎng)幀格式：

前導(dǎo)碼(Preamble)：8 字節(jié)，連續(xù) 7 個(gè) 8’h55 加 1 個(gè) 8’hd5，表示一個(gè)幀的開始，用于雙方設(shè)備數(shù)據(jù)的同步。

目的 MAC 地址：6 字節(jié)，存放目的設(shè)備的物理地址，即 MAC 地址 ;

源 MAC 地址：6 字節(jié)，存放發(fā)送端設(shè)備的物理地址 ;

長度/類型：2 字節(jié)，小于1500為長度，大于則為類型，用于指定協(xié)議類型，常用的有 0800 表示 IP 協(xié)議，0806 表示 ARP 協(xié)議，8035 表示 RARP 協(xié)議 ;

數(shù)據(jù)：46 到 1500 字節(jié)，最少 46 字節(jié)，不足需要補(bǔ)全 46 字節(jié)，例如 IP 協(xié)議層就包含在數(shù)據(jù) 部分，包括其 IP 頭及數(shù)據(jù)。

FCS：幀尾，4 字節(jié)，稱為幀校驗(yàn)序列，采用 32 位 CRC 校驗(yàn)，對目的 MAC 地址字段到數(shù)據(jù)字段進(jìn)行校驗(yàn)。

進(jìn)一步擴(kuò)展，以 UDP 協(xié)議為例，可以看到其結(jié)構(gòu)如下，除了以太網(wǎng)首部的 14 字節(jié)，數(shù)據(jù)部 分包含 IP 首部，UDP 首部，應(yīng)用數(shù)據(jù)共 46~1500 字節(jié)。

基于FPGA的以太網(wǎng)通信基本都是UDP協(xié)議。

UDP協(xié)議：用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務(wù)的簡單不可靠信息傳送服務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸過程中延遲小、數(shù)據(jù)傳輸效率高。

二、UDP 協(xié)議的報(bào)頭格式

UDP 報(bào)頭由 4 個(gè)域組成，其中每個(gè)域各占用 2 個(gè)字節(jié)，具體如下：

① UDP 源端口號

② 目標(biāo)端口號

③ 數(shù)據(jù)報(bào)長度

④ 校驗(yàn)和

UDP 協(xié)議使用端口號為不同的應(yīng)用保留其各自的數(shù)據(jù)傳輸通道。數(shù)據(jù)發(fā)送一方將 UDP 數(shù)據(jù)報(bào)通過源端口發(fā)送出去，而數(shù)據(jù)接收一方則通過目標(biāo)端口接收數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)報(bào)的長度是指包括報(bào)頭和數(shù)據(jù)部分在內(nèi)的總字節(jié)數(shù)。因?yàn)閳?bào)頭的長度是固定的，所以該 域主要被用來計(jì)算可變長度的數(shù)據(jù)部分(又稱為數(shù)據(jù)負(fù)載)。數(shù)據(jù)報(bào)的最大長度根據(jù)操作環(huán)境的不同而各異。從理論上說，包含報(bào)頭在內(nèi)的數(shù)據(jù)報(bào)的最大長度為 65535 字節(jié)。不過，一些實(shí)際應(yīng)用往往會(huì)限制數(shù)據(jù)報(bào)的大小，有時(shí)會(huì)降低到 8192 字節(jié)。

UDP 協(xié)議使用報(bào)頭中的校驗(yàn)值來保證數(shù)據(jù)的安全。UDP校驗(yàn)和=(IP偽頭部+(UDP首部+數(shù)據(jù)每兩個(gè)字節(jié)拼接分別相加的和))。校驗(yàn)值首先在數(shù)據(jù)發(fā)送方通過特殊的算法計(jì)算得出，在傳遞到接收方之后，還需要再重新計(jì)算。如果某個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸過程中被第三方篡改或者由于線路噪音等原因受到損壞，發(fā)送和接收方的校驗(yàn)計(jì)算值將不會(huì)相符，由此 UDP 協(xié)議可以檢測是否出錯(cuò)。雖然 UDP 提供有錯(cuò)誤檢測，但檢測到錯(cuò)誤時(shí)，錯(cuò)誤校正，只是簡單地把損壞的消息段扔掉，或者給應(yīng)用程序提供警告信息。

三、PING功能

ICMP 是 TCP/IP 協(xié)議族的一個(gè) IP 層子協(xié)議，包含在 IP 數(shù)據(jù)報(bào)里，用于 IP 主機(jī)、路由器之間傳遞控制消息。控制消息是指網(wǎng)絡(luò)是否連通，主機(jī)是否可達(dá)等功能。其中 ping 功能采用回送請求和回答報(bào)文，回送請求報(bào)文類型為 8’h08，回答報(bào)文類型為 8’h00。

下一篇，我們將對基于FPGA的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行介紹。

審核編輯：湯梓紅