【黑金云课堂】FPGA技术教程Vitis开发：TCP以太网通信

一、以太网与 TCP 基础概述

1. TCP 定位 ：TCP 是 TCP/IP 传输层核心协议，介于应用层与 IP 网络层之间，具备面向连接、可靠传输、字节流服务三大特性，依托三次握手建连、四次挥手断连、序号 + ACK + 超时重传实现无损有序传输，支撑 HTTP、FTP 等上层协议。

2. 层级架构 ：TCP/UDP 位于传输层，下层为 IP、ARP 等网络层协议，再往下是以太网数据链路与物理层。

3. 以太网帧格式 ：由 8B 前导码、6B 目的 MAC、6B 源 MAC、2B 类型、46~1500B 数据、4B FCS 校验组成，类型字段区分 IP/ARP 协议，FCS 采用 32 位 CRC 校验。

4. IPv4 报文头 ：含版本、首部长度、总长度、协议号（TCP 协议号为 6）、分片标志、IP 地址等关键字段，IP 报文不能超出链路 MTU。

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二、TCP 首部

TCP 首部最小 20 字节（固定区）+ 可变选项区，是可靠传输控制核心：

1. 基础字段 ：源 / 目的端口、32 位序列号、32 位确认号；序列号标识字节位置，解决报文乱序、重复接收问题，连接初始化采用随机 ISN 序号。

2. 6 位标志位 ：URG 紧急、ACK 确认、PSH 推送、RST 重置、SYN 同步、FIN 断开，分别管控紧急数据、连接建立与关闭等行为。

3. 窗口字段 ：实现滑动窗口流量控制，接收方通过 ACK 通告剩余缓存容量，限制发送速率；原生 16 位窗口上限 65535 字节，依靠窗口扩大因子扩容。
4. 校验和 & 紧急指针 ：校验和含 TCP 正文 + IP 伪首部，校验报文完整性；URG 置 1 时紧急指针标记紧急数据末尾，实现高优先级数据插队传输。
5. 关键可选参数
   • MSS ：以太网常用 1460B （MTU1500 - IP 头 20 - TCP 头 20），握手协商单段最大载荷，规避 IP 分片；
   • 窗口扩大因子 ：握手协商，突破原生窗口大小限制，适配高速网络。

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三、连接机制

TCP 依靠 三次握手（SYN / SYN+ACK / ACK） 建立连接，四次挥手（FIN / ACK / FIN / ACK） 断开连接，由 SYN、FIN 等标志位控制流程。

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审核编辑 黄宇