本系列文章基于xilinx三速以太網(wǎng)IP進行學習介紹。

在完成以太網(wǎng)通信實驗之前，必須要對以太網(wǎng)基礎知識進行了解。時間充裕的可以看看《圖解TCP/IP》作為掃盲。本文重點對以太網(wǎng)幀結構進行介紹。

一、以太網(wǎng)幀格式

以太網(wǎng)幀格式：

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

目的 MAC 地址：6 字節(jié)，存放目的設備的物理地址，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)，稱為幀校驗序列，采用 32 位 CRC 校驗，對目的 MAC 地址字段到數(shù)據(jù)字段進行校驗。

進一步擴展，以 UDP 協(xié)議為例，可以看到其結構如下，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)報協(xié)議，一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務。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)議的報頭格式

UDP 報頭由 4 個域組成，其中每個域各占用 2 個字節(jié)，具體如下：

① UDP 源端口號

② 目標端口號

③ 數(shù)據(jù)報長度

④ 校驗和

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

數(shù)據(jù)報的長度是指包括報頭和數(shù)據(jù)部分在內(nèi)的總字節(jié)數(shù)。因為報頭的長度是固定的，所以該 域主要被用來計算可變長度的數(shù)據(jù)部分(又稱為數(shù)據(jù)負載)。數(shù)據(jù)報的最大長度根據(jù)操作環(huán)境的不同而各異。從理論上說，包含報頭在內(nèi)的數(shù)據(jù)報的最大長度為 65535 字節(jié)。不過，一些實際應用往往會限制數(shù)據(jù)報的大小，有時會降低到 8192 字節(jié)。

UDP 協(xié)議使用報頭中的校驗值來保證數(shù)據(jù)的安全。UDP校驗和=(IP偽頭部+(UDP首部+數(shù)據(jù)每兩個字節(jié)拼接分別相加的和))。校驗值首先在數(shù)據(jù)發(fā)送方通過特殊的算法計算得出，在傳遞到接收方之后，還需要再重新計算。如果某個數(shù)據(jù)報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)送和接收方的校驗計算值將不會相符，由此 UDP 協(xié)議可以檢測是否出錯。雖然 UDP 提供有錯誤檢測，但檢測到錯誤時，錯誤校正，只是簡單地把損壞的消息段扔掉，或者給應用程序提供警告信息。

三、PING功能

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

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

審核編輯：湯梓紅