Xilinx平台以太网接口(一)TCP/IP基础

本系列文章基于xilinx三速以太网IP进行学习介绍。

在完成以太网通信实验之前，必须要对以太网基础知识进行了解。时间充裕的可以看看《图解TCP/IP》作为扫盲。本文重点对以太网帧结构进行介绍。

一、以太网帧格式

以太网帧格式：

前导码(Preamble)：8 字节，连续 7 个 8’h55 加 1 个 8’hd5，表示一个帧的开始，用于双方设备数据的同步。

目的 MAC 地址：6 字节，存放目的设备的物理地址，即 MAC 地址 ;

源 MAC 地址：6 字节，存放发送端设备的物理地址 ;

长度/类型：2 字节，小于1500为长度，大于则为类型，用于指定协议类型，常用的有 0800 表示 IP 协议，0806 表示 ARP 协议，8035 表示 RARP 协议 ;

数据：46 到 1500 字节，最少 46 字节，不足需要补全 46 字节，例如 IP 协议层就包含在数据 部分，包括其 IP 头及数据。

FCS：帧尾，4 字节，称为帧校验序列，采用 32 位 CRC 校验，对目的 MAC 地址字段到数据字段进行校验。

进一步扩展，以 UDP 协议为例，可以看到其结构如下，除了以太网首部的 14 字节，数据部 分包含 IP 首部，UDP 首部，应用数据共 46~1500 字节。

基于FPGA的以太网通信基本都是UDP协议。

UDP协议：用户数据报协议，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。数据传输过程中延迟小、数据传输效率高。

二、UDP 协议的报头格式

UDP 报头由 4 个域组成，其中每个域各占用 2 个字节，具体如下：

① UDP 源端口号

② 目标端口号

③ 数据报长度

④ 校验和

UDP 协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道。数据发送一方将 UDP 数据报通过源端口发送出去，而数据接收一方则通过目标端口接收数据。

数据报的长度是指包括报头和数据部分在内的总字节数。因为报头的长度是固定的，所以该 域主要被用来计算可变长度的数据部分(又称为数据负载)。数据报的最大长度根据操作环境的不同而各异。从理论上说，包含报头在内的数据报的最大长度为 65535 字节。不过，一些实际应用往往会限制数据报的大小，有时会降低到 8192 字节。

UDP 协议使用报头中的校验值来保证数据的安全。UDP校验和=(IP伪头部+(UDP首部+数据每两个字节拼接分别相加的和))。校验值首先在数据发送方通过特殊的算法计算得出，在传递到接收方之后，还需要再重新计算。如果某个数据报在传输过程中被第三方篡改或者由于线路噪音等原因受到损坏，发送和接收方的校验计算值将不会相符，由此 UDP 协议可以检测是否出错。虽然 UDP 提供有错误检测，但检测到错误时，错误校正，只是简单地把损坏的消息段扔掉，或者给应用程序提供警告信息。

三、PING功能

ICMP 是 TCP/IP 协议族的一个 IP 层子协议，包含在 IP 数据报里，用于 IP 主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络是否连通，主机是否可达等功能。其中 ping 功能采用回送请求和回答报文，回送请求报文类型为 8’h08，回答报文类型为 8’h00。

下一篇，我们将对基于FPGA的以太网通信系统架构进行介绍。

审核编辑：汤梓红