千兆以太网传输层 UDP 协议原理与 FPGA 实现(UDP接收)

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了千兆以太网传输层 UDP 协议原理与 FPGA 实现(UDP接收)。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

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前言

在前面我们对以太网 UDP 帧格式做了讲解,UDP 帧格式包括前导码+帧界定符、以太网头部数据、IP 头部数据、UDP 头部数据、UDP 数据、FCS 数据,以太网接收模块同样是按照该格式接收数据。

提示:任何文章不要过度深思!万事万物都经不起审视,因为世上没有同样的成长环境,也没有同样的认知水平,更「没有适用于所有人的解决方案」 ;不要急着评判文章列出的观点,只需代入其中,适度审视一番自己即可,能「跳脱出来从外人的角度看看现在的自己处在什么样的阶段」才不为俗人 。怎么想、怎么做,全在乎自己「不断实践中寻找适合自己的大道」

心得体会

(1)UDP接收数据,无论是MAC地址,还是IP地址,或者UDP端口,其源端口都为计算机;
(2)在接收数据时不关心源端口(计算机)的MAC地址,还是IP地址,或者UDP端口,只关心目的地址,也就是说接收数据时可以将源端口MAC地址,IP地址,UDP端口全部置 0;
(3)验证时一定要弄清目的地址(开发板)的MAC和IP地址,这里与UDP发送中目的MAC、IP(计算机)是相反的,此处需要注意;
(4)本实验针对千兆网,注意查看电脑是否支持。

一、 UDP 协议简单回顾

以太网 UDP 帧的用户数据是打包在 UDP 协议中,而 UDP 协议又是基于 IP 协议之上的,IP 协议又是走 MAC 层发送的,即从包含关系来说:MAC 帧中的数据段为 IP 数据报文,IP 报文中的数据段为 UDP 报文,UDP 报文中的数据段为用户希望传输的数据内容下图为使用 UDP 协议发送数据的层层打包示意图。
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其中,和以太网帧、IP 报文具有帧头一样,UDP 数据报也包含了一个 UDP 报头部分,与 UDP 协议相关的一些信息如端口号,数据包长度等会被打包进 UDP 报头中,然后再与需要传输的 UDP 报文数据一起,作为 IP 报文的数据段送往 IP 层发送。

二、UDP接收实现

GMII 接口信号连接关系及各信号的介绍如下。
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(注:表格中的方向是站在 MAC 侧角度看的)

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此处给出GMII 接口信号连接关系及各信号的介绍,是为了明确UDP发送与接收需要什么输入与输出。

下面将对各个状态的实现及功能进行简要介绍。

  1. IDLE
    空闲状态,当产生接收数据有效信号时,进入PREAMBLE_CODE状态,否则处于 IDLE 状态,代码如下所示:
 IDLE:     begin
							    GMII_RX_DONE <= 0;
							    crc_en <= 0;
								if(GMII_DV_reg1 && !GMII_DV_reg2)
									begin
										  curr_state <= PREAMBLE_CODE;
										  
									end
								else
								  curr_state <= curr_state;
							end

上述代码中的GMII_DV_reg1 信号是将接收数据有效信号GMII_DV寄存之后打一拍得到的,GMII_DV_reg2 信号是将GMII_DV_reg1信号打一拍得到的,将GMII_DV_reg2 信号取反与
GMII_DV_reg1 相与得到接收数据有效脉冲,得到该信号之后,进入到PREAMBLE_CODE 状态,
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GMII_DV_reg1 信号和GMII_DV_reg2 信号的实现代码如下所示,代码中对GMII_TXD 信号也进行了寄存和打拍操作,

//输入数据寄存
	always @ (posedge clk125m_o  or  negedge reset_n)
		if(!reset_n)
			begin
				GMII_ER_reg <= 0;
				GMII_DV_reg <= 0;
				GMII_TXD_reg<= 0;
			end
		else begin
		        GMII_ER_reg <= GMII_ER;
				GMII_DV_reg <= GMII_DV;
				GMII_TXD_reg<= GMII_TXD;
		     end
			
	
	
	
	//数据打两拍判断接收起始
	always @ (posedge clk125m_o  or negedge reset_n)
	    if(!reset_n)
			begin
			
				GMII_DV_reg1 <= 0;
				GMII_DV_reg2 <= 0;
				
				GMII_TXD_reg1<= 0;
				GMII_TXD_reg2<= 0;
				crc_data        <= 0;
			
			end
		else
			begin
					GMII_DV_reg1 <= GMII_DV_reg;
					GMII_DV_reg2 <= GMII_DV_reg1;
					
					GMII_TXD_reg1<= GMII_TXD_reg;
					GMII_TXD_reg2<= GMII_TXD_reg1;
					crc_data     <= GMII_TXD_reg2;  
					
			end
	
  1. PREAMBLE_CODE 状态
    处于 PREAMBLE_CODE状态的时候,当以太网接收到帧界定符(D5)和 7 个的前导码(55)
    时,进入到ETH_HEADER 状态,代码如下所示:
PREAMBLE_CODE:
								begin
									crc_init <= 0;
									if(cnt_preamble == 4'd7)
									  begin
										  curr_state <= ETH_HEADER;
										  cnt_preamble <= 0;
									  end
									  
									
									else
										begin
											cnt_preamble <= cnt_preamble + 1'b1;
											curr_state <= curr_state;
										end
                                end
  1. ETH_HEADER
    处于 ETH_HEADER 状态时,接收以太网头部数据,当接收完 14 个以太网头部数据之后,进入到 IP_HEADER 状态,如果接收不是7个55和一个D5,则表明此时数据接收错误,进入 IDLE 状态,然后当处于该状态的时候,根据 cnt_eth_header 的值,依次得到 14 个字节的以太网头部数据,分别是 MAC 目的地址(6 个字节)、MAC 源地址(6 个字节)和以太网类型(2 个字节),代码如下所示:
 ETH_HEADER:begin
								crc_en <= 1;
								if(cnt_eth_header == 4'd13)
									begin
										curr_state <= IP_HEADER;
										cnt_eth_header <= 0;
									end
								else if((cnt_eth_header == 4'd0) && (preamble_code_check_ok == 1'b0))
									begin
										curr_state <= IDLE;
										cnt_eth_header <= 0;
									end	
								else
									begin
										cnt_eth_header <= cnt_eth_header + 1'b1;
										curr_state <= curr_state;
									end
								
								case(cnt_eth_header)
									 
									  4'd0 :dst_mac_reg[47:40] <= GMII_TXD_reg2;   
									  4'd1 :dst_mac_reg[39:32] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd2 :dst_mac_reg[31:24] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd3 :dst_mac_reg[23:16] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd4 :dst_mac_reg[15:8]  <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd5 :dst_mac_reg[7:0]   <= GMII_TXD_reg2;

									  4'd6 :src_mac_reg[47:40] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd7 :src_mac_reg[39:32] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd8 :src_mac_reg[31:24] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd9 :src_mac_reg[23:16] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd10:src_mac_reg[15:8]  <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd11:src_mac_reg[7:0]   <= GMII_TXD_reg2;

									  4'd12:eth_type[15:8] <= GMII_TXD_reg2;
									  4'd13:eth_type[7:0]  <= GMII_TXD_reg2;
									  default: ;	
									
								endcase
						    end

其中preamble_code_check_ok为:文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-765863.html

always @ (posedge clk125m_o  or negedge reset_n)
		if(!reset_n)
			preamble_code_check_ok <= 1'b0;
		else if((GMII_TXD_reg2 == 8'hd5) && (cnt_preamble == 4'd7))
			preamble_code_check_ok <= 1'b1;
		else
			preamble_code_check_ok <= 1'b0;
  1. IP_HEADER
    (1)接收以太网 IP 头部数据状态IP_HEADER,首先得对接收的以太网 IP 头部数据进行计数,定义一个计数器 cnt_ip_header,当处于该状态的时候进行计数,否则清零,
    (2)然后当处于 IP_HEADER 状态时,获取以太网 IP 头部数据,根据 cnt_ip_header 的值,一共需要获取 20 个字节的数据,分别为 IP 版本(ip_ver)、首部长度(ip_hdr_len)、服务类型(ip_tos)、数据报总长度(total_len)、标识主机发送的每一份数据报(ip_id)、标志位(ip_rsv、ip_df、ip_mf)、段偏移量(ip_frag_offset)、生存期(ip_ttl)、IP 的协议封装类型(ip_protocol)、头部校验和(ip_check_sum)、源 IP 地址(src_ip)和目的 IP 地址(dst_ip),代码如下所示:
IP_HEADER:begin
									if(cnt_ip_header == 5'd19)
									    begin
										    curr_state <= UDP_HEADER;
											udp_data_length_reg <= ip_total_len - 16'd20 - 16'd8;
											cnt_ip_header <= 5'd0;
											ip_cal_en     <= 1;
											
										end
									else if(cnt_ip_header >= 5'd1 && eth_header_check_ok == 1'b0)
									    begin
											curr_state <= IDLE;
											cnt_ip_header <= 0;
											
										end
									else
										begin
											cnt_ip_header <= cnt_ip_header + 1'b1;
											curr_state <= curr_state;
										end
									case (cnt_ip_header)
										          5'd0:   {
   ip_ver,ip_hdr_len}                       <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd1:   ip_tos                                    <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd2:   ip_total_len[15:8]                        <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd3:   ip_total_len[7:0]                         <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd4:   ip_id[15:8]                               <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd5:   ip_id[7:0]                                <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd6:   {
   ip_rsv,ip_df,ip_mf,ip_frag_offset[12:8]} <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd7:   ip_frag_offset[7:0]                       <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd8:   ip_ttl                                    <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd9:   ip_protocol                               <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd10:  ip_check_sum[15:8]                        <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd11:  ip_check_sum[7:0]                         <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd12:  src_ip_reg[31:24]                         <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd13:  src_ip_reg[23:16]                         <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd14:  src_ip_reg[15:8]                          <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd15:  src_ip_reg[7:0]                           <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd16:  dst_ip_reg[31:24]                         <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd17:  dst_ip_reg[23:16]                         <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd18:  dst_ip_reg[15:8]                          <= GMII_TXD_reg2;
												  5'd19:  dst_ip_reg[7:0]                           <= GMII_TXD_reg2;      
												  defaul

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