以太网ICMP测试实验

news2024/9/19 8:46:18

目录

一.概述

1.1IP协议

1.1.1IP协议简介

1.1.2IP协议首部报文格式

1.2ICMP协议

1.2.1ICMP协议简介

1.2.2ICMP报文格式

二.实验任务

三.模块设计

3.1总体模块设计

3.2ICMP模块设计

3.2.1icmp_rx 模块

3.2.2icmp_tx模块

四.modelsim仿真

4.1icmp_rx模块仿真

4.2icmp_tx模块仿真

五.板级验证


一.概述

1.1IP协议

1.1.1IP协议简介

     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。如下图所示,之所以先介绍IP协议,因为IP协议中包含ICMP协议。即ICMP协议位于IP层的数据段。所有的 TCPUDP ICMP 数据都以 IP 数据报格式传输。

1.1.2IP协议首部报文格式

                  IP首部一共20Byte,1个Byte=8bit,故一行4Byte(32bit),共有5行。

        版本 4 IP 版本号( Version ),这个值设置为二进制的 0100 时表示 IPv4 ,设置为 0110 时表示 IPv6 , 目前使用比较多的 IP 协议版本号是 4
        首部长度 4 位首部长度( IHL Internet Header Length ),表示 IP 首部一共有多少个 32 位( 4 个字节)。 在没有可选字段时,IP 首部长度为 20 个字节,因此首部长度的值为 5
        服务类型 8 位服务类型( TOS Type of service ),该字段被划分成两个子字段: 3 位优先级字段(现在已经基本忽略掉了)和 4 TOS 字段,最后一位固定为 0 。服务类型为 0 时表示一般服务。
        总长度 16 IP 数据报总长度( Total Length ),包括 IP 首部和 IP 数据部分,以字节为单位。我们利用 IP 首部长度和 IP 数据报总长度,就可以知道 IP 数据报中数据内容的起始位置和长度。由于该字段长16bit,所以 IP 数据报最长可达 65535 字节。尽管理论上可以传输长达 65535 字节的 IP 数据报,但实际上还要考虑网络的最大承载能力等因素。
        标识字段 16 位标识( Identification )字段,用来标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一份报文它的值就会加 1
        标志字段 3 位标志( Flags )字段,第 1 位为保留位;第 2 位表示禁止分片( 1 表示不分片 0 :允许分片);第 3 位标识更多分片(除了数据报的最后一个分片外,其它分片都为 1 )。
        片偏移 13 位片偏移( Fragment Offset ),在接收方进行数据报重组时用来标识分片的顺序。
        生存时间 8 位生存时间字段, TTL Time To Live )域防止丢失的数据包在无休止的传播,一般被设置为 64 或者 128
        协议 8 位协议( Protocol )类型,表示此数据报所携带上层数据使用的协议类型, ICMP 1 TCP 为6, UDP 17
        首部校验和 16 位首部校验和( Header Checksum ),该字段只校验数据报的首部,不包含数据部分;校验 IP 数据报头部是否被破坏、篡改和丢失等。
        IP 地址 32 位源 IP 地址( Source Address ),即发送端的 IP 地址,如 192.168.1.123
        目的 IP 地址 32 位目的 IP 地址( Destination Address ),即接收端的 IP 地址,如 192.168.1.102
        可选字段:是数据报中的一个可变长度的可选信息,选项字段以 32bit 为界,不足时插入值为 0 的填充字节,保证 IP 首部始终是 32bit 的整数倍。

1.2ICMP协议

1.2.1ICMP协议简介

         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。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。 ICMP 报文包含在 IP 数据报中,属于 IP 的一个用户。

1.2.2ICMP报文格式

    由1.1.1中的图可知ICMP首部一共8Byte,一行4Byte,故一共两行。

         类型 (type) :占用了 8 bit 位,前面我们说,是 ICMP 报文类型,用于标识错误类型的差错报文或者查询类型的报告报文。常用类型有: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。
         代码 (code) :占用了 8 bit 位,根据 ICMP 差错报文的类型,进一步分析错误的原因,代码值不同对应的错误也不同,例如:类型为 11 且代码为 0 ,表示数据传输过程中超时了,超时的具体原因是 TTL 值为 0 ,数据报被丢弃。
         校验和 (checksum) :占用了 16 bit 位,校验的方法同上述 IP 首部校验和的方法一致。数据发送到目的地后需要对 ICMP 数据报文做一个校验,用于检查数据报文是否有错误。
         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 16 bit 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
         数据 Data ):要发送的 ICMP 数据。

二.实验任务

          本节实验任务是电脑通过命令行窗口发送 ping 命令给 FPGA FPGA 通过以太网接口接收数据并将接收到的数据发送给电脑,完成以电脑 ping 开发板的实验测试。

三.模块设计

3.1总体模块设计

           PLL模块:因为gmii_to_rgmii模块中的输入延时控制IDELAYCTRL中需要用到PLL倍频输出的200MHZ时钟。 

           FIFO模块以太网单次会接收到大量数据,因此本次实验需要一个 FIFO 模块用来缓存数据,由于本次实验所使用的 GMII 接收时钟和 GMII 发送时钟实际上为同一个时钟,因此这里使用的是同步 FIFO

          arp模块:由于上位机应用程序只知道接收端的目的 IP 地址和端口号,却不知道接收端的 MAC 地址,因此这里需要通过 ARP 协议来获取接收端的 MAC 地址。

          icmp模块:发送和解析icmp协议包,和arp模块功能类似,只不过协议时序数据不一样而已。

3.2ICMP模块设计

           ICMP 接收模块按照 ICMP 的数据格式解析和发送数据。 

3.2.1icmp_rx 模块

3.2.1.1整体模块图

         clk:接收的icmp时钟信号

         rst n:复位信号,低电平有效

         gmii_rx_dv:GMII输入数据有效信号

         gmii_rxd:GMII输入数据

         icmp_id:ICMP标识符

         icmp_seq:ICMP序列号

         rec data:以太网接收的数据

         rec en:以太网接收的数据使能信号

         rec_pkt_done:以太网单包数据接收完成信号

         rec_byte_num:以太网接收的有效字数

         reply_checksum:接收数据校验

3.2.1.2波形图

        gmii_rx_dv:gmii_rx_dv GMII 输入数据有效信号,当 gmii_rx_dv 拉高则开始输入数据.

        gmii_rxd[7:0]:为 GMII 输入数据信号,当 gmii_rx_dv 信号拉高,开始 ICMP 接收模块输入 GMII 数据信号。这里中间数据段标gmii_rxd是因为不确定接收来的以太网帧数据里是arp协议还是icmp协议。

        icmp_id:当接收数据到gmii_rxd时,开始按照icmp协议逐步解析数据,icmp_id ICMP 的标识符,共占用了 16bit 位,对于每一个发送的数据报进行标识。上图中的黄色部分。

        icmp_seq:icmp_seq 信号(ICMP 序列号),同样占用了 16 bit 位,对于发送的每一个数据 报文进行编号。上图中的紫色部分

        rec_data:为以太网接收的数据.上图中的肤色部分。

        rec_pkt_done: 为以太网单包数据接收完成信号,当数据接收完成后 rec_pkt_done 信号拉高

        rec_en:为以太网接收的数据使能信号,将GMII接收数据传递到rec_data,当开始接收数据时,GMII 输入数据有效信号为高,rec_en 信号拉高。

       rec_byte_num 为以太网接收的有效字数,主要用于统计以太网接收的有效字数,在当数据接收完成后,将该信号的数据传递到发送模块。

       reply_checksum 为接收数据校验信号,单包数据接收完成后,将该信号的数据通过输出信号进行数据反馈。

3.2.1.3解析以太网数据状态转换图

       这与arp实验中的转换图意思大致一致,不解释。

3.12.1.4代码解析

       状态机空闲时,GMII输入数据有效信号gmii_rx_dv为1时,并且第一个前导码来临。代表以太网帧数据来临,可以解析数据了 ,故skip_en=1,跳转至解析前导码+SFD状态。

       前导码是7个8'h55+1个8'h05.因为空闲状态时已经解析出一个 8'h55,因此这里只用检测6个 8'h55。若两项均正确,则跳转至接收以太网帧头(目的MAC地址+源MAC地址+长度/类型)。只要其中一个接收有误则结束接收。

         因为目的MAC地址6Byte(cnt=0~5),源MAC地址6Byte(cnt=6~11),长度/类型2Byte(cnt=12~13)。这里只用检查目的MAC是开发板MAC还是广播MAC,类型是否为IP协议,是则继续接收,否则立即终止接收。 0x0800 代表 IP 协议(网际协议)、0x0806 代表 ARP 协议(地址解析协议)。

            由上图可以看出IP首部总共20Byte,因此cnt计数范围是(0~19),gmii_data在时序下按照以上表格顺序(首部长度—版本—服务类型—总长度—标识—。。)传递数据,整体的代码就是按照此顺序借助cnt索引依次解析。

        注意,cnt=5时,ip_head_byte_num <= {gmii_rxd[3:0],2'd0}=5x4=20。因为将0101左移两位相当于010100=20,故左移两位相当于x4。

           由上图可以看出ICMP首部总共8Byte,因此cnt计数范围是(0~7),gmii_data在时序下按照以上表格顺序(类型—代码—校验和—标识符—序列号)传递数据,整体的代码就是按照此顺序借助cnt索引依次解析。

            将上图中的ICMP数据(上图肤色部分)进行16位拼接,累加。

             1:当数据段没有接收完时,首先对接收的8位数据gmii_rxd进行打拍得到icmp_rx_data_d0,然后将上一时钟的8位gmii_rxd(icmp_rx_data_d0)与本时钟下的8位gmii_rxd进行拼接,拼接为16位数据,然后进行累加。如下图所示。

         2:当数据接收到最后一个时,首先判断数据长度是不是奇数,如果是奇数,则最后一个8位数据落单,高八位需要拼接8个0.若长度是偶数,则两两8位数据拼接,不需要进行额外操作。

3.2.2icmp_tx模块

3.2.2.1整体模块图 

         clk:rxc时钟信号

         rst n:复位信号,低电平有效

         tx_start_en:以太网开始发送信号

         icmp_id:ICMP标识符

         icmp_seq:ICMP序列号

         reply_checksum:ICMP数据部分校验和

         des mac:发送的目标MAC地址

         des_ip:发送的目标IP地址

         tx data:以太网待发送数据

         tx_byte_num:以太网发送的有效字节数

         crc data:CRC校验数据

         crc next:CRC下次校验完成数据

         tx done:以太网发送完成信号

         tx_req:读数据请求信号

         gmii_tx en:GMII输出数据有效信号

         gmii_txd:GMII输出数据

         crc_en:CRC开始校验使能

         crc_clr:CRC数据复位信号

3.2.2.2波形图

          reply_checksum:由icmp_rx模块传来的ICMP数据部分校验和。

          icmp_id:ICMP标识符

          icmp_seq:ICMP序列号

          tx_start_en:为以太网开始发送信号,当 tx_start_en 信号拉高之后,开始发送以太网数据。

          tx_data:tx_data 为以太网待发送数据.

          tx_byte_num:tx_byte_num为以太网发送的有效字节数.

          crc_en:当发送数据段位于MAC帧头+IP首部+ICMP首部+ICMP数据段(填充数据除外)此时crc_en拉高,对数据进行校验。

          gmii_tx_en:为 GMII 输出数据有效信号,gmii_txd GMII 输出数据,当 gmii_tx_en 信号拉高,GMII 开始发送数据,当 gmii_tx_en 信号拉低表示数据发送完成.

3.2.2.3发送以太网数据状态转换图

3.2.2.4代码解析

 

          tx_start_en为异步信号,捕捉上升沿因此这里打三拍处理。 得到发送使能信号pos_start_en信号,并将该信号暂存起来trig_tx_en。

 

             tx_byte_num是以太网发送的有效字节数 ,相当于上图中的紫色部分。

             由上图可知:total_num=28+8+(18~1472Byte)

           该段代码是将紫色部分长度(以字节为单位)和绿色部分长度暂存起来。

 

              空闲状态:当发送使能来临时, 按照上面表格,依次将每行数据赋值给ip_head。注意,ip_head是二维数据,位宽是32[0:31]因为一个ip_head代表上面表格的一行,数据深度是7[0:6],因为5行ip首部+2行icmp首部=7行数据。

             赋值目的IP时注意,当目的ip更新时,ip_head[4]就赋值为刚更新的值,若没更新,则使用默认值。

            同理,当目的MAC值更新时,则赋值更新值,若没更新则使用默认值。

              该段作用是对IP首部的值进行校验。

             该段作用是对icmp首部+数据段进行校验。

          当前面校验无误时,开始发送以太网数据,同arp实验类似,先发送前导码+SFD,再发送MAC帧首部。

 

              该段作用是发送IP首部还有ICMP首部,一共7行数据,但是一行数据32Bit,一个时钟周期只能发送8bit,因此一行数据要四个时钟周期才能发完。这里7行数据用cnt计数,四个时钟周期用tx_bit_sel计数。

              注意,这里tx_req提前两个周期拉高,因为读FIFO里数据有两个clk延迟,故这里提前拉高。

   

                  data_cnt:发送数据个数计数器,技术范围(0~ 发送的有效数据字节总数-1)。

                  以上代码就是算出以太网数据实际多发的字节数,例如发送的有效数据字节总数是26,而以太网数据中的数据段最小18个字节,26-18=8,8就是以太网数据实际多发的字节数。

四.modelsim仿真

4.1icmp_rx模块仿真

4.1.1接收前导码

 4.1.2接收以太网帧头

      包含目的MAC、源MAC、长度/类型

4.1.3接收 IP首部

4.1.4接收ICMP首部

 

4.1.5接收数据段

 

4.2icmp_tx模块仿真

4.2.1校验IP首部

       因为这里有进位,因此0002+889f=000088a1。后面没有进位,因此不用再累加。直接按位取反即可。

 

4.2.2校验icmp首部+数据

 

4.2.3发送数据段

五.板级验证

     首先设置PC端的IP,如下所示。

      然后以管理员身份打开命令符窗口,以arp-a命令查看MAC与IP映射表。

       使用PING命令,PC端向开发板发送请求包。可以看出开发板很快回复报文。

 

再次使用arp -a命令查看MAC与IP的映射表,可以看出已经建立连接。

 

 

 

 

 

 

 

 

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