FPGA-UDP实验

1. 以太网简介

水晶头的规格就是RJ45
千兆网一般指的就是UDP千兆网
PHY芯片是用来协商用的协商匹配最低的通信速率

1.1. OSI模型

7层

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1.2. 几种接口

FPGA配置PHY芯片的接口 MDIO
数据交换相关的接口 MII-RMII-GMII（千兆）-RGMII（千兆）
1. MII（Medium Independent Interface，媒体独立接口）： MII 支持 10Mbps 和 100Mbps 的操作，数据位宽为 4 位，在 100Mbps 传输速率下，时钟频率为 25Mhz。
2. RMII（Reduced MII）： RMII 是 MII 的简化版，数据位宽为 2 位，在 100Mbps 传输速率下，时钟频率为 50Mhz。
3. GMII（Gigabit MII）： GMII 接口向下兼容 MII 接口，支持 10Mbps、 100Mbps 和 1000Mbps 的操作，数
4. 据位宽为 8 位，在 1000Mbps 传输速率下，时钟频率为 125Mhz。RGMII（Reduced GMII）： RGMII 是 GMII 的简化版，数据位宽为 4 位，在 1000Mbps 传输速率下，时钟频率为 125Mhz，在时钟的上下沿同时采样数据。在 100Mbps 和 10Mbps 通信速率下，为单个时钟沿采样。
5. 常用的接口为RGMII和GMII接口。**RGMII接口的优势是同时适用于10M/100M/1000Mbps 通信速率，同时占用的引脚数较少。**但 RGMII 接口也有其缺点，就是在 PCB 布线时需要尽可能对时钟、控制和数据线进行等长处理，且时序约束相对也更为严格。
GMII接口介绍

时钟等于125M的时候   125M*8bit=1000Mbps      实现了千兆网 
时钟等于25M的时候    12.5M*8bit=100Mbps      实现了百兆网
通过设置不同的时钟频率来设置不同的传输速率

RGMII接口介绍

有延迟模式和非延迟模式，用的更多的是延迟模式，一般PHY芯片默认配置为延时模式
所谓的非延时模式其实就是在时钟的跳变沿传输上一时刻的数据值，延时模式就是在是时钟的跳变沿的此刻传输数据（类似于I2S）
RGMII与GMII不同的是，RGMII在时钟的上升沿和时钟的下降沿都传输数据，但是GMII只在时钟的上升沿进行数据的传输
RGMII是后来发展而来的，节省了数据线

RGMII 发送端口在 TXC 时钟的上升沿传输 TXD 的低 4 位和 TX_CTL 的使能信号；下降沿传输 TXD 的高 4 位和 TX_CTL 的错误信号（实际上是使能信号和错误信号的异或值）；RGMII 接收端口在 RXC 时钟的上升沿传输 RXD 的低 4 位和 RX_CTL 的使能信号；下降沿传输 RXD 的高4 位和 RX_CTL 的错误信号（实际上是使能信号和错误信号的异或值）

1.3. 数据包介绍

数据包又叫做MAC数据包，存在于PHY芯片和外设（FPGA或者PC等）中
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红色的是前导码，绿色的是MAC层的有效数据，灰色的是校验码
前导码（7Byte，默认为8’h55）+ SFD（1Byte，默认为8’hd5）一般作为帧头，目的MAC地址（6Byte）+源AMC地址（6Byte）+类型/长度（2Byte，小于1536表示长度，大于1536表示类型 ARP：16’h0806 ip:16’0800）
MAC数据中 IP头部/首部（20Byte）
1. 版本 + 首部长度 1byte，版本ipv4 : 4’h4 ,首部长度 : 4’h5
2. 服务类型 1byte，一般为8’h0
3. 总长度 2byte，ip首部长度 + ip数据包长度
4. 标识 2byte，复位给0，发完一包数据自加1
5. 标记 + 分段偏移 2byte，标记：3bit。最高位保留为0；中间位是否开启分段，0不开启，1开启；最低位表示是否存在下一个分段，0表示为最后一个分段，1表示还存在下一个分段。一般默认为3’b010，分段偏移：表示第0段，第1段…
6. 生存时间 1byte，表示以太网数据包可以中转进过多少个路由器，每进过一个路由器，改值就会减少1，直到该值变成0，丢包该包。，win系统默认为8‘h80
7. 协议 1byte，udp : 8’d17 ,tcp : 8’d6, icmp : 8’d1
8. 首部校验和 2byte
9. 源ip地址 4byte
10. 目的ip地址 4byte
11. 说明：MAC数据包的长度不能超过1526

1.4. UDP首部校验和、IP首部校验和计算方法

将校验和字段b5 2e置为00 00
以两个字节为单位，数据反码求和
将进位（3）加到低16位上
将上一步的数据取反

1.5. 软件的使用-网络调试助手&Wireshark

ping是ICMP其中的一个功能
ping的功能就是通过数据的回环，检查网络的连接情况
ARP
基本功能：知道目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行
ARP表静态绑定MAC地址

2. 实验1-ARP

ARP协议介绍
1. ARP（Address Resolution Protocol），即地址解析协议，是根据IP地址（逻辑地址）获取MAC地址的一种 TCP/IP 协议。32位的IP地址对应48位的MAC地址
2. ARP 协议分为 ARP 请求和 ARP 应答
3. ARP 协议位于以太网MAC帧格式的数据段， ARP数据包格式如下图所示：
28 字节的 ARP 数据位于以太网帧格式的数据段。由于以太网数据段最少为46个字节，而 ARP数据包总长度为28个字节，因此在ARP数据段后面需要填充 18 个字节的数据，以满足以太网传输格式的要求。这个填充的过程称为 Padding（填充），填充的数据可以为任意值，但一般为0
ARP广播过程
1. ARP请求时，携带发送方的IP地址和MAC地以及目标的IP地址，目标的MAC地址是48位的1，因为要进行广播发送，下面是ARP广播的示意图
2. 只有验证成功的主机才能返回一个ARP应答报文（包含了接收方的IP地址和MAC地址）
3. 发送方接收到报文，更新自己的ARP缓存表
以太网的帧格式
ARP协议（在MAC层）通过以太网传输，下面介绍以太网的帧格式，以太网的通信是以数据包的形式传输的

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上图中长度/类型比较重要，当这两个字节的数据小于1536的时候代表数据段的长度，大于1536代表数据属于哪个上层协议例如0x0800代表IP协议（网际协议） 0x0806代表ARP协议（地址解析协议）
数据的长度最小46个字节，最大1500个字节，最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU）
FCS（Frame Check Sequence），为了确保数据的正确传输应用最广泛的是CRC-32标准

IFG（Interpacket Gap）帧间隙，IFG 的最小值是96 bit的时间，在不同的媒介中IFG的最小值是不一样的

ARP和以太网MAC层的关系
TCP（传输控制协议）/IP（网际协议）协议簇。它包括上百个各种功能的协议，如TCP、 IP、ARP、 UDP 等。而其中的TCP和IP协议是保证数据完整传输的两个重要协议，因此TCP/IP协议用来表示Internet协议簇。

TCP/IP协议不仅可以运行在以太网上，还可以运行在FDDI（光纤分布式数据接口）和WLAN（无线局域网）上，反过来，以太网的高层协议不仅可以是TCP/IP协议，还可以是IPX（互联网分组交换）协议。只不过以太网+TCP/IP成为IT行业中应用最普遍的技术。

ARP实验

上面是FPGA发送给PC的ARP请求，下面是PC向FPGA开发板发送的数据，通过这样的过程，使通信的双方构建起了ARP的通信

3. 实验2-ICMP

3.1. ICMP协议介绍

ICMP（Internet Control Message Protocol） Internet 控制报文协议。它是 TCP/IP 协议簇的一个子协议，用于在 IP 主机、路由器之间传递控制消息。
ping和tracert（显示到达目的主机的路径）都利用ICMP协议来实现网络功能。ICMP就是一个“错误侦测与回报机制”，目的是让我们能够检测网络的连接状况，确保网络连接的准确性。当路由器在处理一个数据包的过程中发生了意外，可以通过ICMP向数据包的源端报告有关事件
主要功能有：
- 侦测远端主机是否存在
- 建立与维护路由资料
- 重导资料传送路径（ICMP重定向）
- 资料流量控制

3.2. IP协议介绍

IP协议是TCP/IP协议簇中的核心协议，也是TCP/IP协议的载体，IP协议规定了数据传输时的基本单元和格式
所有的TCP UDP ICMP数据都以IP数据报格式传输，IP数据报的格式如图所示
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第二行的标识|标志|片偏移都是和数据包分组发送相关的
第三行的协议：表示数据报所携带上层数据使用的协议类型 ICMP为1 TCP为6 UDP为17；首部校验和：校验IP数据报头部是都被破坏，篡改和修改等

3.3. ICMP协议

3.4. 协议介绍

IP头部就在ICMP报文的前面（ICMP的首部在IP层的数据段），一个ICMP报文包括IP头部，ICMP头部和ICMP报文，IP头部的Protocol为1说明这是一个ICMP报文，ICMP头部的类型（Type）用于说明ICMP报文的作用与格式，此外还有一个代码（Code）域用于详细说明某种ICMP报文的类型，所有的数据都在ICMP头部的后面

3.5. 一帧ICMP报文

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ICMP首部一共8个字节，同IP首部一样，也是一行以32位（4个字节）为单位

类型和代码表示的含义

类型/代码	含义
类型 0，代码 0	表示回显应答(ping 应答)
类型 8，代码 0	表示回显请求(ping 请求)
类型 11，代码 0	超时
类型 3，代码 0	网络不可达
类型 3，代码 1	主机不可达
类型 5，代码 0	重定向

标识符(Identifier)：占用了 16 bit 位，对于每一个发送的数据报进行标识。
序列号(Sequence number)：占用了16bit位，对于发送的每一个数据报文进行编号，比如：发送的第一个数据报序列号为 1，第二个序列号为2。

4. 实验3-UDP

4.1. UDP回环系统框图

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4.2. UDP回环程序编写

先把从PHY芯片接收到的双边沿的RGMII信号转为单边沿的GMII信号

4.3. demo的调用

步骤
1. 前提:程序正常烧录到FPGA，网口线接好
2. 在win进行ARP地址的映射（这个比较关键）
  1. 查看ARP缓存：在命令提示符中输入arp -a，就可以列出所有ARP缓存的条目。
  2. 添加ARP条目：在命令提示符中输入arp -s <IP地址> <MAC地址>，就可以将一个2新的IP和MAC的映射关系添加到ARP缓存中。
  3. 删除ARP条目：在命令提示符中输入arp -d <IP地址>，就可以将指定的映射关系从ARP缓存中删除。
3. 在网络调试助手输入正确的远程主机的IP和端口号