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      基于FPGA的千兆以太网ARP和UDP的实现

      FPGA设计论坛 • 来源：未知 • 2023-02-16 16:35 • 次阅读
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      1 以太网原理介绍
      1.1 以太网帧
      在以太网链路上的数据包称作以太网帧。以太网帧起始部分由前导码和帧开始符组成。后面紧跟着一个以太网报头，以MAC地址说明目的地址和源地址。帧的中部是该帧负载的包含其他协议报头的数据包(例如IP协议、ARP协议)。以太帧由一个32位冗余校验码结尾。它用于检验数据传输是否出现损坏。以太网帧格式如下图所示。

      1.前导码和帧开始符是固定的，为7个0x55紧跟着1个0xd5
      2.目的MAC地址指明帧的接受者
      3.源MAC地址指明帧的发送者
      4.以太网类型，指示帧的类型，比如0x0800表示该帧是IP数据包，0x0806表示该帧是ARP协议数据包
      5.数据和填充就是所承载的数据包，跟前面以太网类型对应。
      6.帧校验序列是一个32位的循环校验码（FCS）。
      每一个设备都有一个不同的MAC地址，当一个设备A发送一个以太网帧，源MAC地址是自己的MAC地址，目的MAC地址如果是0xffffff，此时就是广播，所有与之连接的设备都会收到该帧，如果目的MAC地址是一个独特的MAC地址，那么本地MAC地址与之相同的设备将会接收到该以太网帧，然后通过判断以太网帧类型，进行下一步数据包解析。

      1.2 ARP协议
      ARP协议，全称为Address Resolution Protocol，即地址解析协议，ARP协议属于以太网帧的一种，前面以太网帧介绍中有说到，我们如果从设备A发送以太网帧到设备B，我们不可能每次都进行广播，那么设备A如何知道设备B的物理地址呢？ARP协议就是为了解决这个问题。
      首先设备Ａ广播，发送ARP请求，等收到设备B的ARP应答以后就能知道设备B的MAC地址。ARP帧格式如下图所示

      ARP字段就是前面以太网帧待填充的数据。
      硬件类型、上层协议类型、MAC地址长度、IP地址长度均固定不变。
      假设设备A的IP地址为192.168.0.2，MAC地址为0x00_0a_35_01_fe_c0，我们知道目的IP地址为192.168.0.3，不知道该IP地址对应的MAC地址，如果设备A想要和IP地址为192.168.0.3的设备B进行通信（如UDP或者IP通信），就必须知道它的MAC地址。此时设备A就需要广播发送ARP请求，接收方MAC地址填0xff_ff_ff_ff_ff_ff。这样IP地址为192.168.0.3的设备就会解析出这是一个ARP请求，它询问自身的MAC地址，此时它就会做出ARP应答，将自身的MAC地址发送给对应IP地址的设备A。
      注意发送ARP请求时，操作码为0x0001，应答时操作码为0x0002。

      1.3 IP协议
      TCP/IP协议定义了一个在因特网上传输的包，称为IP数据包，而IP数据报(IP Datagram)是个比较抽象的内容，是对数据包的结构进行分析。由首部和数据两部分组成，其格式如下图图所示。首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。首部中的源地址和目的地址都是IP协议地址。


      1.4 UDP协议
      UDP 协议是一种不可靠传输，发送方只负责将数据发送出去，而不管接收方是否正确的接收。非常类似于 UART 串口传输。但是，在很多场合，是可以接受这种潜在的不可靠性的，例如视频实时传输显示。在这类系统中，由于数据并不需要进行运算并得到非常精确的结果用于其他功能，而仅仅是显示在屏幕上，因此可以接受一定程度的丢包或者误码。此类应用在 LED 大屏显示系统中应用非常广泛。UDP帧组成如下图所示


      2 GMII接口介绍
      在芯航线 AC6102 开发板上，设计了一路 GMII 接口的千兆以太网电路，通过该以太网电路，用户可以将 FPGA 采集或运算得到的数据传递给其他设备如 PC 或服务器，或者接收其他设备传输过来的数据并进行处理。首先介绍一下GMII接口。

      gmii_rx_clk是PHY发送过来的时钟，FPGA通过该时钟进行采样
      gmii_rx_dv是接收数据有效标志，与gmii_rx_data对齐
      gmii_rx_er是错误标志，当它有效时，说明发送帧错误
      gmii_rx_data是PHY发送过来的数据
      phy_rst_n是低电平复位信号
      gmii_tx_clk是FPGA发送时钟，这里直接使用gmii_rx_clk即可
      gmii_tx_en发送数据有效标志，与gmii_tx_data对齐
      gmii_tx_er是错误标志
      gmii_tx_data是FPGA发送给PHY的数据
      以上就是GMII接口所有的信号。
      在发送数据时，只需要按以下时序发送。


      3 ARP协议实现
      在本工程中，ARP实现分两部分，一是由FPGA发送ARP请求，二是对发送过来的ARP应答进行解析，得到目的IP地址对应的MAC地址。
      这样我们就可以知道，发送ARP请求完整的帧内容了。如下图所示。（数据格式为16进制）

      除了CRC32校验值之外，其他都是固定的，CRC32需要进行计算。关于CRC32的8位并行计算，大家可以参考下面这篇论文。千兆以太网MAC中CRC算法的设计与实现
      用CRC计算软件可以算出，也可以用FPGA实现。

      由计算软件看出crc32校验结果为0x63f9a3ca，在发送时，按7-0、15-8、23-16、31-24的顺序发送。
      下面给出CRC32的FPGA实现代码：

      module crc(
      input clk ,
      input rst_n ,
      input [ 7: 0] din ,
      input crc_en ,
      input crc_init ,
      output reg [31: 0] crc
      );
      //======================================================================
      //************** Define Parameter and Internal Signals *****************
      //======================================================================/
      wire [ 7: 0] data ;
      wire [31: 0] crc_next ;
      //======================================================================
      //**************************** Main Code *******************************
      //======================================================================/
      assign data={din[0],din[1],din[2],din[3],din[4],din[5],din[6],din[7]};

      assign crc_next[0] = crc[24] ^ crc[30] ^ data[0] ^ data[6];
      assign crc_next[1] = crc[24] ^ crc[25] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[6] ^ data[7];
      assign crc_next[2] = crc[24] ^ crc[25] ^ crc[26] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[6] ^ data[7];
      assign crc_next[3] = crc[25] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ crc[31] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[3] ^ data[7];
      assign crc_next[4] = crc[24] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ crc[30] ^ data[0] ^ data[2] ^ data[3] ^ data[4] ^ data[6];
      assign crc_next[5] = crc[24] ^ crc[25] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[3] ^ data[4] ^ data[5] ^ data[6] ^ data[7];
      assign crc_next[6] = crc[25] ^ crc[26] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[4] ^ data[5] ^ data[6] ^ data[7];
      assign crc_next[7] = crc[24] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ crc[29] ^ crc[31] ^ data[0] ^ data[2] ^ data[3] ^ data[5] ^ data[7];
      assign crc_next[8] = crc[0] ^ crc[24] ^ crc[25] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[3] ^ data[4];
      assign crc_next[9] = crc[1] ^ crc[25] ^ crc[26] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[4] ^ data[5];
      assign crc_next[10] = crc[2] ^ crc[24] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ crc[29] ^ data[0] ^ data[2] ^ data[3] ^ data[5];
      assign crc_next[11] = crc[3] ^ crc[24] ^ crc[25] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[3] ^ data[4];
      assign crc_next[12] = crc[4] ^ crc[24] ^ crc[25] ^ crc[26] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ crc[30] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[4] ^ data[5] ^ data[6];
      assign crc_next[13] = crc[5] ^ crc[25] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ crc[29] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[3] ^ data[5] ^ data[6] ^ data[7];
      assign crc_next[14] = crc[6] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[2] ^ data[3] ^ data[4] ^ data[6] ^ data[7];
      assign crc_next[15] = crc[7] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ crc[31] ^ data[3] ^ data[4] ^ data[5] ^ data[7];
      assign crc_next[16] = crc[8] ^ crc[24] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ data[0] ^ data[4] ^ data[5];
      assign crc_next[17] = crc[9] ^ crc[25] ^ crc[29] ^ crc[30] ^ data[1] ^ data[5] ^ data[6];
      assign crc_next[18] = crc[10] ^ crc[26] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[2] ^ data[6] ^ data[7];
      assign crc_next[19] = crc[11] ^ crc[27] ^ crc[31] ^ data[3] ^ data[7];
      assign crc_next[20] = crc[12] ^ crc[28] ^ data[4];
      assign crc_next[21] = crc[13] ^ crc[29] ^ data[5];
      assign crc_next[22] = crc[14] ^ crc[24] ^ data[0];
      assign crc_next[23] = crc[15] ^ crc[24] ^ crc[25] ^ crc[30] ^ data[0] ^ data[1] ^ data[6];
      assign crc_next[24] = crc[16] ^ crc[25] ^ crc[26] ^ crc[31] ^ data[1] ^ data[2] ^ data[7];
      assign crc_next[25] = crc[17] ^ crc[26] ^ crc[27] ^ data[2] ^ data[3];
      assign crc_next[26] = crc[18] ^ crc[24] ^ crc[27] ^ crc[28] ^ crc[30] ^ data[0] ^ data[3] ^ data[4] ^ data[6];
      assign crc_next[27] = crc[19] ^ crc[25] ^ crc[28] ^ crc[29] ^ crc[31] ^ data[1] ^ data[4] ^ data[5] ^ data[7];
      assign crc_next[28] = crc[20] ^ crc[26] ^ crc[29] ^ crc[30] ^ data[2] ^ data[5] ^ data[6];
      assign crc_next[29] = crc[21] ^ crc[27] ^ crc[30] ^ crc[31] ^ data[3] ^ data[6] ^ data[7];
      assign crc_next[30] = crc[22] ^ crc[28] ^ crc[31] ^ data[4] ^ data[7];
      assign crc_next[31] = crc[23] ^ crc[29] ^ data[5];

      //crc 这里用下降沿采集，是为了crc能提前半拍送到eth_mac_send模块中，这个很重要
      //否则crc高8位会发送出错，自己可以修改代码试试看
      always @(negedge clk or negedge rst_n)begin
      if(rst_n == 1'b0)begin
      crc <=  {32{1'b1}};
      end
      else if(crc_init)begin
      crc <=  {32{1'b1}};
      end
      else if(crc_en)begin
      crc <=  crc_next;
      end
      end


      endmodule

      下面是用SignalTap抓取到的信号，如下图所示。


      可以看出发送的校验码为0xca_a3_f9_63与CRC计算机软件计算结果一致。

      3.1 ARP请求
      FPGA实现ARP请求非常简单。首先定义模块信号。

      module arp_request(
      input clk ,//125M
      input rst_n ,
      input [31: 0] src_ip_addr ,
      input [31: 0] dest_ip_addr ,
      input [47: 0] src_mac_addr ,
      input [47: 0] dest_mac_addr ,
      input [31: 0] crc ,
      output reg crc_init ,
      output reg crc_en ,
      //gmii
      output reg gmii_tx_en ,
      output reg [ 7: 0] gmii_tx_data
      );

      用计数器，在计数变化时，将每一个字节通过gmii_tx_data发送即可。具体请看工程源码。

      3.2 ARP应答解析
      在FPGA发送ARP请求后，对应IP地址将会做出APR应答发送其对应MAC地址，此时通过FPGA的ARP应答解析模块即可正确解析出目标MAC地址，从而为UDP协议传输奠定基础。
      具体实现：
      ①判断目标MAC地址是否是FPGA设备的MAC地址
      ②判断操作码是否是0x0002
      ③判断PC端IP地址是否是192.168.0.3
      ④判断目的IP地址是否是192.168.0.2
      只有以上条件均满足时，我们认为这是一条ARP应答包，从而更新IP为192.168.0.3对应的MAC地址。具体请看工程源码

      4 UDP协议传输实现
      在这里，我通过按键，生成1200个字节的数据，从0-255循环变化，然后封装成UDP包发送到PC端。从而实现UDP协议传输。
      由上面UDP介绍，我们可以知道发送一个UDP包的主要构成，如下图所示：

      IP数据包的报头校验和：
      0x4500+0x04cc+0x0000+0x0000+0x4011+0xc0a8+0x0002+0xc0a8+0x0003 = 0x20b32
      0x0002+0x0b32 = 0x0b34
      checksum = ~(0x0b34) = 0xf4cb
      同样的，我们使用计数器来发送对应数据。
      UDP发送模块如下：

      module udp_send(
      input clk ,
      input clk_50m ,
      input rst_n ,
      input [31: 0] src_ip_addr ,
      input [31: 0] dest_ip_addr ,
      input [47: 0] src_mac_addr ,
      input [47: 0] dest_mac_addr ,
      //fifo
      input [10: 0] fifo_rdusedw ,
      input [ 7: 0] fifo_rd_data ,
      output reg fifo_rdreq ,
      //crc
      input [31: 0] crc ,
      output reg crc_init ,
      output reg crc_en ,
      //gmii
      output reg gmii_tx_en ,
      output reg [ 7: 0] gmii_tx_data
      );
      //======================================================================
      //************** Define Parameter and Internal Signals *****************
      //======================================================================/
      parameter DATA_LEN = 16'd1200 ;//发送的UDP数据长度

      parameter PREAMBLE = 8'h55 ;
      parameter SFD = 8'hd5 ;
      parameter LEN_TYPE = 16'h0800 ;

      parameter VER_HDR_LEN = 8'h45 ;
      parameter TOS = 8'h00 ;
      parameter TOTAL_LEN = DATA_LEN+28 ;
      parameter ID = 16'h0000 ;
      parameter RSV_DF = 8'h00 ;
      parameter MF_FRAG_OFFSET = 8'h00 ;
      parameter TTL = 8'h40 ;
      parameter PROTOCOL = 8'h11 ;

      parameter SRC_PORT = 16'd5000 ;
      parameter DST_PORT = 16'd6000 ;
      parameter UDP_LEN = DATA_LEN+8 ;
      parameter UDP_CHECKSUM = 16'h0000 ;


      wire [19: 0] ip_check_sum1 ;
      wire [19: 0] ip_check_sum2 ;
      wire [15: 0] ip_check_sum ;


      reg trig_udp_send ;
      reg flag_udp_send ;

      reg [10: 0] udp_byte_cnt ;
      wire add_udp_byte_cnt ;
      wire end_udp_byte_cnt ;

      reg [ 7: 0] udp_data ;
      //======================================================================
      //**************************** Main Code *******************************
      //======================================================================/
      //check_sum1 进位为17'hxff这种情况时,check_sum1，前16与后16位相加可能还会在第
      //17位进1
      assign ip_check_sum1 = {VER_HDR_LEN, 8'h00} + TOTAL_LEN + {TTL, PROTOCOL} + src_ip_addr[31:16] + src_ip_addr[15:0] + dest_ip_addr[31:16] + dest_ip_addr[15:0];//width<=20

      //check_sum2
      assign ip_check_sum2 = ip_check_sum1[19:16] + ip_check_sum1[15:0];//width<=17
      assign ip_check_sum = ~(ip_check_sum2[19:16] + ip_check_sum2[15:0]);//width<=16


      //trig_udp_send
      always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
      if(!rst_n)begin
      trig_udp_send <=  1'b0;
      end
      else if(fifo_rdusedw == DATA_LEN-1)begin//
      trig_udp_send <=  1'b1;
      end
      else begin
      trig_udp_send <=  1'b0;
      end
      end

      //flag_udp_send
      always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
      if(!rst_n)begin
      flag_udp_send <=  1'b0;
      end
      else if(trig_udp_send)begin
      flag_udp_send <=  1'b1;
      end
      else if(end_udp_byte_cnt)begin
      flag_udp_send <=  1'b0;
      end
      end

      //udp_byte_cnt
      always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
      if(!rst_n)begin
      udp_byte_cnt <= 0;
      end
      else if(add_udp_byte_cnt)begin
      if(end_udp_byte_cnt)
      udp_byte_cnt <= 0;
      else
      udp_byte_cnt <= udp_byte_cnt + 1;
      end
      end

      assign add_udp_byte_cnt = flag_udp_send;
      assign end_udp_byte_cnt = add_udp_byte_cnt && udp_byte_cnt == DATA_LEN+54-1;//前导码+分隔符8个，MAC帧头14，CRC校验4

      //fifo_rdreq
      always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
      if(!rst_n)begin
      fifo_rdreq <=  1'b0; 
      end
      else if(udp_byte_cnt == 50-1)begin
      fifo_rdreq <=  1'b1;  
      end
      else if(udp_byte_cnt == DATA_LEN+50-1)begin//校验码之前
      fifo_rdreq <=  1'b0; 
      end
      end

      //--------------------------------------------------------------------
      //gmii_tx_en
      always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
      if(!rst_n)begin
      gmii_tx_en <=  1'b0;
      end
      else if(flag_udp_send)begin
      gmii_tx_en <=  1'b1;
      end
      else begin
      gmii_tx_en <=  1'b0;
      end
      end

      //gmii_tx_data
      always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
      if(!rst_n)begin
      gmii_tx_data <=  8'h00;
      end
      else if(flag_udp_send)begin
      case(udp_byte_cnt)
      0,1,2,3,4,5,6: gmii_tx_data <=  PREAMBLE;
      7: gmii_tx_data <=  SFD;
      //帧头
      8: gmii_tx_data <=  dest_mac_addr[47:40];
      9: gmii_tx_data <=  dest_mac_addr[39:32];
      10: gmii_tx_data <=  dest_mac_addr[31:24];
      11: gmii_tx_data <=  dest_mac_addr[23:16];
      12: gmii_tx_data <=  dest_mac_addr[15: 8];
      13: gmii_tx_data <=  dest_mac_addr[ 7: 0];
      14: gmii_tx_data <=  src_mac_addr[47:40];
      15: gmii_tx_data <=  src_mac_addr[39:32];
      16: gmii_tx_data <=  src_mac_addr[31:24];
      17: gmii_tx_data <=  src_mac_addr[23:16];
      18: gmii_tx_data <=  src_mac_addr[15: 8];
      19: gmii_tx_data <=  src_mac_addr[ 7: 0];
      20: gmii_tx_data <=  LEN_TYPE[15: 8];
      21: gmii_tx_data <=  LEN_TYPE[ 7: 0];
      //IP
      22: gmii_tx_data <=  VER_HDR_LEN;//8'h45    
      23: gmii_tx_data <=  TOS;           
      24: gmii_tx_data <=  TOTAL_LEN[15: 8];     
      25: gmii_tx_data <=  TOTAL_LEN[ 7: 0];  
      26: gmii_tx_data <=  ID[15: 8];            
      27: gmii_tx_data <=  ID[ 7: 0];       
      28: gmii_tx_data <=  RSV_DF;        
      29: gmii_tx_data <=  MF_FRAG_OFFSET;
      30: gmii_tx_data <=  TTL;           
      31: gmii_tx_data <=  PROTOCOL;
      32: gmii_tx_data <=  ip_check_sum[15: 8];           
      33: gmii_tx_data <=  ip_check_sum[ 7: 0]; 
      34: gmii_tx_data <=  src_ip_addr[31:24];           
      35: gmii_tx_data <=  src_ip_addr[23:16];
      36: gmii_tx_data <=  src_ip_addr[15: 8];           
      37: gmii_tx_data <=  src_ip_addr[ 7: 0];
      38: gmii_tx_data <=  dest_ip_addr[31:24];           
      39: gmii_tx_data <=  dest_ip_addr[23:16]; 
      40: gmii_tx_data <=  dest_ip_addr[15: 8];           
      41: gmii_tx_data <=  dest_ip_addr[ 7: 0]; 
      //udp
      42: gmii_tx_data <=  SRC_PORT[15: 8];
      43: gmii_tx_data <=  SRC_PORT[7 : 0];    
      44: gmii_tx_data <=  DST_PORT[15: 8];    
      45: gmii_tx_data <=  DST_PORT[7 : 0];     
      46: gmii_tx_data <=  UDP_LEN[15: 8];
      47: gmii_tx_data <=  UDP_LEN[7 : 0];
      48: gmii_tx_data <=  UDP_CHECKSUM[15: 8]; 
      49: gmii_tx_data <=  UDP_CHECKSUM[7 : 0];           
      //crc
      DATA_LEN+50: gmii_tx_data <=  ~{crc[24], crc[25], crc[26], crc[27], crc[28], crc[29], crc[30], crc[31]};
      DATA_LEN+51: gmii_tx_data <=  ~{crc[16], crc[17], crc[18], crc[19], crc[20], crc[21], crc[22], crc[23]};
      DATA_LEN+52: gmii_tx_data <=  ~{crc[8], crc[9], crc[10], crc[11], crc[12], crc[13], crc[14], crc[15]};
      DATA_LEN+53: gmii_tx_data <=  ~{crc[0], crc[1], crc[2], crc[3], crc[4], crc[5], crc[6], crc[7]};
      default: gmii_tx_data <=  fifo_rd_data; 
      endcase
      end
      else begin
      gmii_tx_data <=  8'h00;
      end
      end

      //---------------------------CRC-----------------------------------
      //crc_init
      always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
      if(!rst_n)begin
      crc_init <=  1'b0;
      end
      else if(udp_byte_cnt == (8-1))begin
      crc_init <=  1'b1;
      end
      else begin
      crc_init <=  1'b0;
      end
      end

      //crc_en
      always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
      if(!rst_n)begin
      crc_en <=  1'b0;
      end
      else if(udp_byte_cnt == (9-1))begin//9-1
      crc_en <=  1'b1;
      end
      else if(udp_byte_cnt == (DATA_LEN+51-1))begin//1251-1
      crc_en <=  1'b0;
      end
      end
      endmodule


      下面是用SignalTap抓取信号示意图
      帧头部分，rdreq就是从fifp读取的数据然后通过封装成UDP发送





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      原文标题：基于FPGA的千兆以太网ARP和UDP的实现

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      原文标题：基于FPGA的千兆以太网ARP和UDP的实现

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