基于FPGA的以太網(wǎng)協(xié)議

以太網(wǎng)是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)。IEEE組織的IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號(hào)和介質(zhì)訪問(wèn)層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)的協(xié)議層是建立在OSI模型的基礎(chǔ)上的，OSI模型，即開放式通信 系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(Open System Interconnection)，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)提出的一個(gè)試圖使各種計(jì)算機(jī)在世界范圍內(nèi)互連為網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)框架，簡(jiǎn)稱OSI。主要包括七層，具體如下：

（1）、物理層 Physical Layer

（2）、數(shù)據(jù)鏈路層 Data Link Layer

（3）、網(wǎng)絡(luò)層 Network Layer

（4）、傳輸層 Transport Layer

（5）、會(huì)話層 Session Layer

（6）、表示層 Presentation Layer

（7）、應(yīng)用層 Application Layer

因?yàn)槲沂亲?a href="http://www.wenjunhu.com/soft/data/30-91/" target="_blank">FPGA的，因此只關(guān)注了物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層；更上層協(xié)議沒(méi)有做過(guò)多了解。

1，以太網(wǎng)物理層，

物理層為OSI中的第一層，主要包括PCS，PMA，PMD，

PCS：物理編碼子層，完成完成對(duì)傳輸?shù)腗AC協(xié)議數(shù)據(jù)的編、譯碼；以便物理介質(zhì)傳輸；

PMA：物理介質(zhì)連接子層，生成線路的傳輸信號(hào)；接收線路信號(hào)完成時(shí)鐘恢復(fù)；

PMD：物理介質(zhì)相關(guān)子層，定義不同傳輸介質(zhì)的接口標(biāo)準(zhǔn)，提供物理連接。

物理層與鏈路層接口：主要包括：MII、RMII接口、GMII接口、RGMII接口、SGMII接口、 XGMII接口。

MII：支持10兆和100兆的操作，一個(gè)接口由14根線組成，它的支持還是比較靈活的，但是有一個(gè)缺點(diǎn)是因?yàn)樗粋€(gè)端口用的信號(hào)線太多，如果一個(gè)8端口的交換機(jī)要用到112根線，16端口就要用到224根線，到32端口的話就要用到448根線，一般按照這個(gè)接口做交換機(jī)，是不太現(xiàn)實(shí)的，所以現(xiàn)代的交換機(jī)的制作都會(huì)用到其它的一些從MII簡(jiǎn)化出來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)，比如RMII、SMII、GMII等。

RMII：簡(jiǎn)化的MII接口，在數(shù)據(jù)的收發(fā)上它比MII接口少了一倍的信號(hào)線，所以它一般要求是50兆的總線時(shí)鐘。RMII一般用在多端口的交換機(jī)，它不是每個(gè)端口安排收、發(fā)兩個(gè)時(shí)鐘，而是所有的數(shù)據(jù)端口公用一個(gè)時(shí)鐘用于所有端口的收發(fā)，這里就節(jié)省了不少的端口數(shù)目。RMII的一個(gè)端口要求7個(gè)數(shù)據(jù)線，比MII少了一倍，所以交換機(jī)能夠接入多一倍數(shù)據(jù)的端口。和MII一樣，RMII支持10兆和100兆的總線接口速度。

SMII：由思科提出的一種媒體接口，它有比RMII更少的信號(hào)線數(shù)目，S表示串行的意思。因?yàn)樗挥靡桓盘?hào)線傳送發(fā)送數(shù)據(jù)，一根信號(hào)線傳輸接受數(shù)據(jù)，所以在時(shí)鐘上為了滿足100的需求，它的時(shí)鐘頻率很高，達(dá)到了125兆，為什么用125兆，是因?yàn)閿?shù)據(jù)線里面會(huì)傳送一些控制信息。SMII一個(gè)端口僅用4根信號(hào)線完成100信號(hào)的傳輸，比起RMII差不多又少了一倍的信號(hào)線。SMII在工業(yè)界的支持力度是很高的。同理，所有端口的數(shù)據(jù)收發(fā)都公用同一個(gè)外部的125M時(shí)鐘。

XGMII：是10Gb的物理層接口，接口時(shí)鐘為156.25Mhz。

GMII ：是千兆網(wǎng)的MII接口，這個(gè)也有相應(yīng)的RGMII接口，表示簡(jiǎn)化了的GMII接口；GMII是8bit并行同步收發(fā)接口，采用8位接口數(shù)據(jù)，工作時(shí)鐘125MHz，因此傳輸速率可達(dá)1000Mbps。同時(shí)兼容MII所規(guī)定的10/100 Mbps工作方式。

發(fā)送接口信號(hào)：

◇ GTXCLK——吉比特TX..信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)（125MHz）

◇ TXCLK——10/100M信號(hào)時(shí)鐘

◇ TXD[7..0]——被發(fā)送數(shù)據(jù)

◇ TXEN——發(fā)送器使能信號(hào)

◇ TXER——發(fā)送器錯(cuò)誤（用于破壞一個(gè)數(shù)據(jù)包）

接收接口信號(hào)：

◇ RXCLK——接收時(shí)鐘信號(hào)（從收到的數(shù)據(jù)中提取，因此與GTXCLK無(wú)關(guān)聯(lián)）

◇ RXD[7..0]——接收數(shù)據(jù)

◇ RXDV——接收數(shù)據(jù)有效指示

◇ RXER——接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)指示

◇ COL——沖突檢測(cè)（僅用于半雙工狀態(tài)）

注：在千兆速率下，向PHY提供GTXCLK信號(hào)，TXD、TXEN、TXER信號(hào)與此時(shí)鐘信號(hào)同步。否則，在10/100M速率下，PHY提供 TXCLK時(shí)鐘信號(hào)，其它信號(hào)與此信號(hào)同步。其工作頻率為25MHz（100M網(wǎng)絡(luò)）或2.5MHz（10M網(wǎng)絡(luò)）。

2，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層為OSI中的第二層，主要將從物理層拿到的數(shù)據(jù)幀解析后拿到IP數(shù)據(jù)報(bào)傳遞給網(wǎng)絡(luò)層；或把網(wǎng)絡(luò)層拿到的IP數(shù)據(jù)報(bào)，增加前導(dǎo)碼，MAC地址，幀類型校驗(yàn)后組成新的數(shù)據(jù)幀傳遞給物理層；具體協(xié)議數(shù)據(jù)幀如下：

數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)為IP數(shù)據(jù)報(bào)；

數(shù)據(jù)幀前會(huì)有8個(gè)字節(jié)的前導(dǎo)碼，然后和上述的數(shù)據(jù)幀一塊構(gòu)成一個(gè)完成對(duì)MAC層數(shù)據(jù)報(bào)。

注意：

幀間最小間隔 ：幀間最小間隔為 9.6 us （10Mbps） ，相當(dāng)于96 bit 的發(fā)送時(shí)間(等待12個(gè)時(shí)鐘之后)。一個(gè)站在檢測(cè)到總線開始空閑后，還要等待 9.6 us （10Mbps）才能再次發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣做是為了使剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站的接收緩存來(lái)得及清理，做好接收下一幀的準(zhǔn)備。

最大幀長(zhǎng)度：為了保證信道使用的相對(duì)公平性，讓更多的站能搶占到信道，規(guī)定了最大幀長(zhǎng)度；超過(guò)了最大幀長(zhǎng)度就需要分多次完成；以太網(wǎng)規(guī)定了數(shù)據(jù)幀中傳送數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度為1500字節(jié)。

最短有效幀長(zhǎng)：如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前 64 字節(jié)之內(nèi)。由于一檢測(cè)到?jīng)_突就立即中止發(fā)送，這時(shí)已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于 64 字節(jié)。以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長(zhǎng)為 64 字節(jié)，凡長(zhǎng)度小于 64 字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無(wú)效幀。

3，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是OSI中的第三層；位于傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層之間；實(shí)現(xiàn)將傳輸層數(shù)據(jù)報(bào)打包為IP數(shù)據(jù)報(bào)，或解析IP數(shù)據(jù)報(bào)。

IP數(shù)據(jù)報(bào)如下：（藍(lán)色部分為IP數(shù)據(jù)報(bào)首部來(lái)；黃色部分為UDP/TCP數(shù)據(jù)報(bào)，也是IP數(shù)據(jù)報(bào)的報(bào)文）

首部介紹：

版本：占 4 位,指 IP 協(xié)議的版本，通信雙方使用的IP協(xié)議的版本必須一致，目前的 IP 協(xié)議版本號(hào)為 4 (即 IPv4)

首部長(zhǎng)度：占4位,可表示的最大數(shù)值是15個(gè)單位(一個(gè)單位為 4 字節(jié))，因此IP 的首部長(zhǎng)度的最大值是 60 字節(jié)。最常用的是20字節(jié)（0101）

區(qū)分服務(wù)：占 8 位，一般不使用

總長(zhǎng)度：占 16 位，指首部和數(shù)據(jù)之和的長(zhǎng)度,單位為字節(jié),因此數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度為 65535 字節(jié)，總長(zhǎng)度必須不超過(guò)最大傳送單元MTU

標(biāo)識(shí)：占 16 位,它是一個(gè)計(jì)數(shù)器,用來(lái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識(shí)，在分片時(shí)被使用，用于數(shù)據(jù)的重組條件

標(biāo)志：占 3 位,目前只有前兩位有意義，標(biāo)志字段的最低位是 MF(More Fragment)，MF=1 表示后面“還有分片”。MF=0 表示最后一個(gè)分片；標(biāo)志字段中間的一位是 DF (Don’t Fragment)，只有當(dāng) DF=0 時(shí)才允許分片

片偏移:占13位,指較長(zhǎng)的分組在分片后某片在原分組中的相對(duì)位置.片偏移以 8 個(gè)字節(jié)為偏移單位

生存時(shí)間：占 8 位,記為 TTL (Time To Live) 數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中可通過(guò)的路由器數(shù)的最大值,TTL 字段是由發(fā)送端初始設(shè)置一個(gè) 8 bit 字段.推薦的初始值由分配數(shù)字 RFC 指定,當(dāng)前值為 64.發(fā)送ICMP 回顯應(yīng)答時(shí)經(jīng)常把 TTL 設(shè)為最大值 255

協(xié)議：占 8 位,指出此數(shù)據(jù)報(bào)攜帶的數(shù)據(jù)使用何種協(xié)議以便目的主機(jī)的 IP 層將數(shù)據(jù)部分上交給哪個(gè)處理過(guò)程, 1 表示為 ICMP 協(xié)議, 2 表示為 IGMP 協(xié)議, 6 表示為 TCP 協(xié)議, 17 表示為UDP 協(xié)議

首部檢驗(yàn)和：占 16 位,只檢驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)的首部不檢驗(yàn)數(shù)據(jù)部分.這里不采用 CRC 檢驗(yàn)碼而采用簡(jiǎn)單的計(jì)算方法

源地址和目的地址：都各占 4 字節(jié),分別記錄源地址和目的地址

可選字段和填充字段 : 很少使用，新協(xié)議中已經(jīng)取消IPv6

4，以太網(wǎng)傳輸層

傳輸層是OSI中的第四層；主要完成UDP/TCP的裝配然后傳輸給網(wǎng)絡(luò)層；

UDP：不可靠傳輸；但能保證實(shí)時(shí)性；多用于視頻通話或會(huì)議等；

TCP：可靠傳輸；建立在連接的基礎(chǔ)之上；保證數(shù)據(jù)完整性；多用于郵件，信息等；

UDP數(shù)據(jù)報(bào)：

TCP數(shù)據(jù)報(bào)：

帶陰影的幾個(gè)字段需要重點(diǎn)說(shuō)明一下：

1) 序號(hào)：Seq（Sequence Number）序號(hào)占32位，用來(lái)標(biāo)識(shí)從計(jì)算機(jī)A發(fā)送到計(jì)算機(jī)B的數(shù)據(jù)包的序號(hào)，計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)此進(jìn)行標(biāo)記。

2) 確認(rèn)號(hào)：Ack（Acknowledge Number）確認(rèn)號(hào)占32位，客戶端和服務(wù)器端都可以發(fā)送，Ack = Seq + 1。

3) 標(biāo)志位：每個(gè)標(biāo)志位占用1Bit，共有6個(gè)，分別為 URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN，具體含義如下：

URG：緊急指針（urgent pointer）有效。

ACK：確認(rèn)序號(hào)有效。

PSH：接收方應(yīng)該盡快將這個(gè)報(bào)文交給應(yīng)用層。

RST：重置連接。

SYN：建立一個(gè)新連接。

FIN：斷開一個(gè)連接。

審核編輯 ：李倩