FPGA千兆网UDP协议实现

Posted 2020-12-28 tanqiqi

上一篇百兆网接口的设计与使用，我们接着来进行FPGA百兆网UDP(User Datagram Protocol)协议的设计。

1)UDP简介

   在此，参考博主夜雨翛然的博文“https://www.cnblogs.com/HPAHPA/p/7737531.html”关于UDP协议的简介：“UDP传输与IP传输非常类似。你可以将UDP协议看作IP协议暴露在传输层的一个接口。UDP协议同样以数据包(datagram)的方式传输，它的传输方式也是"Best Effort"的，所以UDP协议也是不可靠的(unreliable)。那么，我们为什么不直接使用IP协议而要额外增加一个UDP协议呢？ 一个重要的原因是IP协议中并没有端口(port)的概念。IP协议进行的是IP地址到IP地址的传输，这意味者两台计算机之间的对话。但每台计算机中需要有多个通信通道，并将多个通信通道分配给不同的进程使用(关于进程，可以参考Linux进程基础)。一个端口就代表了这样的一个通信通道。正如我们在邮局和邮差中提到的收信人的概念一样。UDP协议实现了端口，从而让数据包可以在送到IP地址的基础上，进一步可以送到某个端口”。总结一句就是UDP只是开发出来辅助IP协议具体到端口传输的一个桥梁，对于一些简单的网络通信，UDP还能避免采用TCP这种复杂的传输方式。

2)UDP协议

UDP的数据包同样分为头部(header)和数据(payload)两部分。UDP是传输层(transport layer)协议，这意味着UDP的数据包需要经过IP协议的封装(encapsulation)，然后通过IP协议传输到目的电脑。随后UDP包在目的电脑拆封，并将信息送到相应端口的缓存中。

                                                                         图 1： UDP数据格式

伪首部：只用于计算校验和，传输数据时，只需要首部和数据

源IP：本设计固定为192.168.0.2

目的IP：本设计固定为192.168.0.3

UDP长度：首部+数据的长度，单位为字节

源端口: 固定为1000

目的端口 ：固定位10001

长度：首部加数据的长度，单位为字节，8+data_len;

检验和: 计算的是伪首部+首部+数据部分的校验和，其计算方式是：

a、每两个字节为一组，然后相加，相加结果为17比特，则将最高比特位与低16位进行相加，得到一个16比特的数据；

b、所有字节都相加完后，最终得到的结果再取反，就是首部的校验和。

3）整体报文格式

参考博主洋葱洋葱的“https://www.cnblogs.com/cofin/p/9306770.html”博文

 

                                                                                                                                                   图 2：  UDP协议整体报文发送格式

 涉及到的IP层以及MAC层报文格式，这里就不再详细阐述了。

4）FPGA设计与实现（讨论FPGA发送部份）

  UDP协议的实现本质就是将数据按照上述图2的格式封装打包好，但是我这里的MAC层打包采用的是alter千兆网的MAC IP核，数据传输带宽是8bit，我会将数据封装打包好后，每个时钟周期以8bit的速率传输给MAC IP核进行MAC层的封装打包，当然，也可以不采用IP核，直接将数据封装打包好传送到上位机，打包部分我用了两个fifo，一个用于包文的存储，一个用于计算包文的个数，校验码会在包文进行打包前就先计算好。

a、校验码的设计：

列举IP层的检验码计算方式，参考代码如下：

always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n==1‘b0)begin
        assume_temp<= 0;
    end
    else if(add_cnt2)begin
        assume_temp <= assume_sum+ip_assume_add[143-cnt2*16 -:16];
    end
     
end


always  @(*)begin
    assume_sum <= assume_temp[16]+assume_temp[15:0];
end

always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n==1‘b0)begin
         end_cnt2_ff0 <= 0;
    end
    else begin
        end_cnt2_ff0 <= end_cnt2;
    end
end


always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n==1‘b0)begin
        assume <= 0;
    end
    else if(end_cnt2_ff0)begin
        assume <= ~assume_sum;
    end
end

 

 b、sop、eop的设计

这点我一开始理解是有错误的，我理解成了仅是发送数据data的第一个字节与最后一个字节，其实sop、eop指整个包文发送的第一个与最后一个字节，正确设计如下：

always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n==1‘b0)begin
        ff_tx_sop <= 0;
    end
    else if(fifo_data_rd==1&&add_cnt1==1&&cnt1==1-1)begin
        ff_tx_sop <= 1;
    end
    else begin
        ff_tx_sop <= 0;
    end
end

always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n==1‘b0)begin
        ff_tx_eop <= 0;
    end
    else if(fifo_data_rd==1&&end_cnt1)begin
        ff_tx_eop <= 1;
    end
    else begin
        ff_tx_eop <= 0;
    end
end

5）效果展示：

 

当然，这里数据全部发ff也是不太合理的，至此，UDP数据打包发送完毕。