基于FPGA的千兆以太网ARP和UDP的实现

FPGA设计论坛 2023-02-16 2538

描述

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。

FPGA

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

FPGA

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。

FPGA

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

FPGA

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。

FPGA

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。

FPGA

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）

FPGA

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。

FPGA

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

endmodule

下面是用SignalTap抓取到的信号，如下图所示。

FPGA

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：

FPGA

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

//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

//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

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

//--------------------------------------------------------------------

//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

//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

//---------------------------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

//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

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

FPGA

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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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