FPGA实现以太网（一）、以太网基础知识

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一、以太网简介

  以太网（Ethernet）是一种广泛使用的局域网（LAN）技术，最初由罗伯特·梅特卡夫（Robert Metcalfe）于1970年代发明。以太网的设计旨在提供一种可靠的、低成本的网络连接方式，支持多种数据传输速率和网络拓扑结构。如今以太网在生活中广泛使用，以太网的分类有标准以太网（10Mbit/s）、快速以太网(100Mbit/s)和千兆以太网（1000Mbit/s），现在还有万兆以太网（10Gbit/s）。在实际应用中千兆以太网就能满足大部分需求，以下是局域网的示意图：

二、OSI七层模型

  OSI七层模型（Open Systems Interconnection Model）是一个用于理解网络通信的标准化模型，由国际标准化组织（ISO）于1984年提出。该模型将网络通信过程分为七个层次，每一层都有特定的功能和职责。七层模型的目的是为不同的网络设备和协议提供一个共同的框架，以便于互操作性和标准化。以下是OSI七层模型的各层及其功能：

• 应用层：为用户提供网络服务，直接与用户的应用程序交互；主要协议：HTTP，HTTPS，FTP，POP3、SMTP、SNMP、DHCP、DNS。
• 表示层：表示层负责数据的格式化、加密和解密，确保不同系统应用之间能够正确理解数据；主要格式：JPEG、ASCll、DECOIC、加密格式。
• 会话层：会话层负责建立、管理和终止会话，确保数据在应用程序之间的顺利传输。
• 传输层：传输层负责端到端的通信，提供可靠性、流量控制和错误恢复；主要协议 TCP、UDP。
• 网络层：网络层负责数据包的路由选择和转发，确保数据在不同网络之间传输；网络层通过 IP 寻址来建立两个节点之间的连接，为源端的运输层送来的分组，选择合适的路由和交换节点，正确无误地按照地址传送给目的端的传输层，就是我们常说的 IP 层。主要协议：ICMP IP（IPV4 IPV6）。
• 数据链路层：数据链路层负责在物理层上建立、维护和断开数据链路，提供错误检测和纠正，确保数据帧的可靠传输；主要协 议 ARP 、 RARP 、IEEE802.3、PPP、CSMA/CD。
• 物理层：物理层负责传输原始比特流，通过物理媒介（如电缆、光纤、无线信号等）实现数据的传输；常用设备：集线器、中继器、调制解调器、网线、双绞线、同轴电缆等。

  OSI七层模型为网络通信提供了一个系统化的框架，帮助网络工程师和开发人员理解和设计网络协议及应用。虽然在实际应用中，许多现代网络协议并不完全遵循OSI模型，但该模型依然是学习和理解网络通信的重要工具，实际大多数使用的是TCP/IP五层模式。

三、TCP/IP五层模型

  TCP/IP五层协议模型是互联网协议族的一个分层结构，它是由美国国防部开发的，旨在为网络通信提供一套标准。虽然TCP/IP协议族与OSI七层模型有相似之处，但它的层次结构更为简洁，通常分为五层。以下是TCP/IP五层协议模型的各层及其功能：

  TTCP/IP 协议不仅仅指的是 TCP 和 IP 两个协议，而是指一个由 FTP、SMTP、TCP、UDP、IP 等协议构成的协议簇， 只是因为在 TCP/IP 协议中 TCP 协议和 IP协议最具代表性，所以被称为 TCP/IP 协议，其每层的功能和OSI七层类似，这里就不再赘述。

四、MAC-PHY接口

  在物理层，由 IEEE 802.3 标准规定了以太网使用的传输介质、传输速度、数据编码方式和冲突检测机制，物理层一般是通过一个 PHY 芯片实现其功能的。而链接数据链路层和物理层之间的通信接口称为媒体访问控制接口（MAC-PHY接口），也叫MII （Media Independent Interface（介质无关接口）或称为媒体独立接口，后逐步扩展为：MII、RMII、SMII、GMII、RGMII 等。

• MII：MII是最初的MAC-PHY接口标准，支持10 Mbps和100 Mbps的以太网，时钟单沿采样。
  

  发送、接收的数据线均为4位，则每个时钟周期发送或接收4位数据。如果要实现100Mbps通信速率，那么时钟频率就应该是25MHz。如果要实现10Mbps通信速率，那么时钟频率就应该是2.5MHz。

• RMII：RMII是MII的简化版，支持10 Mbps和100 Mbps的以太网，时钟单沿采样。
  

  RMII将发送时钟、接收时钟合并为参考时钟信号，把4位的数据线简化为2位数据线。当以100Mbps速率传输数据时，每个时钟传输2位数据，此时参考时钟应该设置为50MHz。当以10Mbps速率传输数据时，参考时钟应设置为5MHz。

• GMII：用于支持千兆以太网（1 Gbps）数据传输，时钟单沿采样。

  由于数据线位宽为8位，在每个时钟的单沿进行数据传输。如果要实现1000Mbps传输速率，那么发送和接收的时钟频率应该为125MHz。

• RGMII：专门设计用于支持千兆以太网（1 Gbps）数据传输。RGMII是GMII（Gigabit Media Independent Interface）的简化版本，旨在减少所需的引脚数量，同时保持高数据传输速率，时钟双沿采样。

  由于数据线位宽为4位，在每个时钟的双沿进行数据传输。如果要实现1000Mbps传输速率，那么发送和接收的时钟频率应该为125MHz。

五、MAC帧格式

  MAC 子层是属于数据链路层的下半部分，它主要负责与物理层进行数据交接。如：是否可以发送数据，发送的数据是否正确，对数据流进行控制等。它自动对来自上层的数据包加上一些控制信号，交给物理层。接收方得到正常数据时，自动去除 MAC 控制信号，把该数据包交给上层，帧格式如下：

1. 前导码：也称为帧头；用于使收发节点的时钟同步；内容为连续 7 个字节的 0x55。
2. 帧起始界定符：用于区分前导段与数据段的，内容为 0xD5。
3. MAC 地址：MAC 地址由 48 位数字组成，它是网卡的物理地址，在以太网传输的最底层，就是根据 MAC 地址来收发数据。
4. 数据包类型：用来描述本 MAC 数据包是属于 TCP/IP 协议层的IP 包、 ARP 包还是 SNMP 包，也可以用来描述本 MAC 数据包数据段的长度。如果该值被设置大于 0x0600，不用于长度描述，而是用于类型描述功能，表示与以太网帧相关的 MAC 客户端协议的种类。
5. 数据段：数据段是 MAC 包的核心内容，它包含的数据来自 MAC 的上层。
6. 校验和域：MAC 数据包的尾部是校验和域，它保存了 CRC 校验序列，用于检错。

六、IP帧格式

  上面介绍的MAC 数据包位于 TCP/IP 协议的数据链路层，当 MAC 数据包经过数据链路层到达网络层时，前导码、帧起始界定符、目的 MAC 地址、源 MAC 地址、类型/长度以及校验字节均被去除，只有有效数据传入了网络层。网络层互联主要负责主机间或与路由器、交换机间对分组数据的路由选择和传递。要实现这一功能，就需要相关协议。常用的网络层协议就是 IP 协议，IP帧格式如下：

  传入网络层的数据包并不完全是需要传输的有效数据，他的前面还包含着 20 字节的IP 协议首部，IP协议首部格式如下：

  有两部分组成：IP 首部和数据。首部长度可由 20~60 个字节组成，该部分包含有与路由选择和传输有关的重要信息。

1. 版本：4bit，该字段定义 IP 协议版本；IPv4的值为4，IPv6的值为6。
2. 首部长度：4bit，指定IP头部的长度，以32位字（4字节）为单位。最小值为5（20字节），最大值为15（60字节）。
3. 服务类型：8bit，用于指定数据包的优先级和服务质量；并对数据报按照重要性级别进行分配。前 3 位成为优先位，后面 4 位成为服务类
   型，最后 1 位没有定义。这些 8 位字段用于分配优先级、延迟、吞吐量以及可靠性。
4. 总长度：16bit，指定整个IP数据包的长度，包括头部和数据部分，单位为字节。最大值为65,535字节。
5. 标识：该字段包含一个整数，用于识别当前数据报。当数据报分段时，标识字段的值被复制到所有的分段之中。该字段由发送端分配帮助接收端集中数据报分段。
6. 标志：3bit，其中最低位（MF）控制分段，存在下一个分段置为 1，否则置 0 代表该分段是最后一个分段。中间位（DF）指出数据报是否可进行分段，如果为 1 则机器不能将该数据报进行分段。第三位即最高位保留不使用，值为 0。
7. 分段偏移：13bit，该字段指出分段数据在源数据报中的相对位置，支持目标 IP适当重建源数据。
8. 生产时间：用于限制数据包在网络中的生存时间。每经过一个路由器，TTL值减1，当TTL为0时，数据包被丢弃。
9. 协议：指定IP数据包中封装的上层协议类型（如TCP、UDP、ICMP等）。例如，TCP的值为6，UDP的值为17。
10. 用于检测IP头部在传输过程中是否发生错误。接收方会计算接收到的头部的校验和，并与该字段进行比较。
11. 源IP地址：源主机 IP 地址，该字段在 IPv4 数据报从源主机到目的主机传输期间必须保持不变。
12. 目的IP地址：目标主机 IP 地址，该字段在 IPv4 数据报从源主机到目的主机传输期间同样必须保持不变。

6.1 IP首部校验和计算

  首部校验和一共16bit位，2字节。首先将校验和位置为00，然后将整个IP头部的20字节，按照每两个字节一组分开；然后一起累加，若结果大于 FFFF 那么把高 16 位与低 16 位相加，直到最终结果为 16 比特数据。将计算结果取反作为 IP 首部校验和字节。

  例如：抓取 IP 数据包，取 IP 数据报报头部分(20B)，数据如下，45 00 00 30 80 4c 40 00 80 06 b5 2e d3 43 11 7b cb 51 15 3d，计算 IP 首部校验和。

1. 首先将校验和字段置为00，数据变为：45 00 00 30 80 4c 40 00 80 06 00 00 d3 43 11 7b cb 51 15 3d
2. 再将IP首部以2字节分开然后求和：
   4500+0030+804c+4000+8006+0000+d343+117b+cb51+153d=34ace
3. 结果大于FFFF，那么将结果的高16位和低16位相加：
   0003+4ace=4ad1
4. 再把相加后的数字取反：~ 4ad1 = B521

6.2 IP首部校验和校验

  对 IP 首部中每个 16 bit 进行二进制反码求和，将计算结果再取反码，若结果为 0，通过检验，否则，不通过检验。例如：验证IP首部：45 00 00 30 80 4c 40 00 80 06 b5 2e d3 43 11 7b cb 51 15 3d

1. 以2字节分开求和：
   4500+0030+804c+4000+8006+b52e+d343+117b+cb51+153d=3fffc
2. 求和后结果大于FFFF，则高16位和低16位相加：
   0003+fffc=ffff
3. 相加后的结果取反：~ ffff = 0000，校验正确。

七、UDP帧格式

  网络层在接收到数据包后，取下数据包的 IP 首部，将剩余有效数据包发送到传输层。传输层有两种传输协议：基于字节流的 TCP 协议、基于报文流的 UDP 协议。两种协议各有优缺点，应用于不同场景。TCP 协议是面向连接的流传输协议，可以保证数据传输
的完整、有序，是可靠协议，常用在对数据完整性和正确性要求较高的场合，如文件传输。占用资源较 UDP 多，速度较 UDP 慢；UDP 协议则是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，因为无需连接，传输速度较 TCP 快，占用资源量较TCP 少，适合实时数据的传输，如视频通话。
  UDP（用户数据报协议）是一个无连接的传输层协议，用于在计算机网络中传输数据。UDP数据报的格式相对简单，适用于需要快速传输而不需要复杂连接管理的应用，其帧格式如下：

  UDP 数据包分为 UDP 首部和有效数据两个部分。UDP 首部由源端口，目的端口，报文长度以及校验和组成，其UDP头部格式如下：

1. 源端口号（16bit）：指定发送数据报的应用程序的端口号。这个字段是可选的，可以为0。
2. 目的端口号（16bit）：指定接收数据报的应用程序的端口号。这个字段是必需的。
3. UDP长度（16bit）：指定UDP数据报的总长度，包括头部和数据部分。最小值为8字节（仅包含头部）。
4. UDP校验和（16bit）：用于错误检测，确保数据在传输过程中没有损坏，校验和覆盖UDP头部和数据部分的内容，接收方会计算接收到的数据的校验和，并与该字段进行比较

7.1 UDP头部校验和计算

  UDP 校验和的计算需要三部分数据：UDP 伪首部、UDP 首部和有效数据。伪首部包含 IP 首部一些字段，其目的是让 UDP 两次检查数据是否已经正确到达目的地，只是单纯做校验使用。

  例如：源IP地址为：a9 fe bf 1f，目的IP地址为： a9 fe 01 17，协议为11。UDP长度为0028，源端口号为：04d2，目的
端口号也是04d2。

1. 和IP校验一样，先把校验位置0，得到数据：a9 fe bf 1f a9 fe 01 17 00 11 00 28 04 d2 04 d2 00 28 00 00 68 74 74 70 3a 2f 2f 77 77 77 2e 63 6d 73 6f 66 74 2e 63 6e 20 51 51 3a 31 30 38 36 35 36 30 30

2. 累加起来：a9fe + bf1f + a9fe + 0117 + 0011 + 0028 + 04d2 + 04d2 + 0028 + 0000 + 6874 + 7470+ 3a2f + 2f77 + 7777 + 2e63 + 6d73 + 6f66 + 742e + 636e + 2051 + 513a + 3130 +3836 + 3536 + 3030 = 6 ff67

3. 大于FFFF，则高16位和低16位相加：0006 + ff67 = ff6d

4. 相加后取反：~ff6d = 0092

  以上是我们对以太网基础知识的了解，接下来我们用FPGA来实现。