Amiya · 2021年12月14日

简谈基于FPGA的千兆以太网

当今,随着互联网技术的迅速发展,采用以太网实现数据采集和控制方面的应用,成为了电子系统设计的热点。以太网具有价格低廉、稳定可靠、传输速度快、传输距离远等特点,以太网技术发展成熟,具有很高的性价比。采用以太网技术的设备,可以通过TCP/IP协议进行数据的传输,不需要进行传输协议转换,使用和维护设备简单。随着技术的发展和各类应用的需求,出现了各种以太网的标准,包括标准以太网(10Mbit/s)、百兆以太网(100Mbit/s)、千兆以太网(1000Mbit/s)和10G(10Gbit/s)以太网[1]。不同类型的以太网有其各自需要遵循的标准,同时其所用的传输介质以及数据吞吐量也各不相同。千兆以太网技术作为新一代的高速以太网技术,它可以提供1Gbps的通信带宽,采用和传统10M、100M以太网同样的CSMA/CD协议、帧格式和帧长、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统,给用户带来了提高核心网络的有效解决方案,这种解决方案的最大优点是继承了传统以太网技术价格便宜的特点。

对于学习者而言,你就是要搞清楚弄明白以太网如何去实现,在实际操作中怎么去做,从这个角度出发的话,你就会发现其实没那么复杂,这就是说起来没那么难。那真正实现起来,到具体的各个接口以及细节的调试以及调通,你会发现还是比较烧脑的。所以呢,咱们先来聊一聊以太网的各个接口,从大体框架来分析如何去学习。

咱们就以千兆以太网举例,千兆以太网,只是说以太网的速率为千兆,也就是1G。除了千兆网,还有百兆网,万兆网,当然这些都是指的以太网的速率。不同速率的以太网,在FPGA端的接口表现形式也是不一样的。下边就来介绍百兆网和千兆网的接口形式。

这是网口与FPGA连接的常用方案,RJ45就是咱们平常说的水晶头,Ethernet PHY是以太网的PHY芯片,之后就是Ethernet PHY与FPGA相连。

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下边是以太网PHY芯片与FPGA连接的简单的架构图(不代表全部的信号输入输出端口)
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先说百兆网,百兆网的接口一般为MII(Media Independent Interface),当然10M网用的也是MII接口。下图是一块以太网PHY芯片的一些手册资料截图。
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在百兆网模式下,其RXCLK的周期为40ns,也就是25M,数据端口RXD只用了4根线RXD[3:0],然后25M 4 = 100M,这样算出来,就是100M的速率了。接着再来说一下千兆网,千兆网的接口,就目前接触比较多的接口有3种,GMII,RGMII和SGMII。先说GMII,RxClk的周期为8ns,也就是125M,数据端口使用了8bit,125M 8 = 1000M,速率就是千兆网了。
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还有RGMII,其时钟频率也为125M,但是它只使用了4个线,不过,RGMII使用的是双沿模式,也就是DDR模式,在时钟的上下沿都可以传送数据。这样算的话,125M*4*2 = 1000M,还是千兆网。RGMII与GMII主要的区别就是双沿采样与单沿采样。
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之后还有SGMII,全称为Serial Gigabit Media Independent Interface,也就是串行的以太网接口。RGMII,GMII还是MII,都是使用并行接口,而且还需要随路时钟,而SGMII只需要2组线,一组是发送,一组是接收,当然一组线由两根差分线组成。SGMII也是需要8/10B编码。这样在PCB布线时,就可以节省一些布线的空间。当然,对于FPGA来讲,也节省了FPGA的引脚资源。SGMII一般在公司的项目会用的多一些,像GMII,RGMI在某宝上卖的开发板上一般都有。

下面就简单的说说以太网数据格式,IEEE.802.3数据格式汇总,帧间隙IFG>=96bittime,10zM/100M/1000M格式一样。如下图简单的端口信号显示截图。
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上面介绍了那么多接口以及以太网的相关知识,那么问题来了,如何去快速学习千兆以太网呢?个人认为掌握好总体框架以及接口细节,理解UDP协议,掌握抓包等等,慢慢琢磨学习,大家都可以慢慢掌握好的。那么下面咱们就来聊聊千兆以太网的UDP协议,并且会结合wireshark抓包软件抓取到的以太网包,带着大家看一下以太网的协议到底是怎么样的呢?当然,像我们常用的以太网协议有TCP/IP,UDPTCP/IP和UDP相比,TCP/IP是一种数据可靠的协议,而UDP是一种数据不可靠的协议。至于为什么TCP/IP是可靠的,而UDP是不可靠,留给大家自行百度。在wireshark中可以抓取到经过网口传输的很多数据包,可以说只要是经过网口的数据,在wireshark中都能抓到。大家可以去下载一个WireShark来学习一下吧,免费下载使用哦!(备注:网络协议分析器  WireShark是一款开源的网络数据帧分析软件,可以抓取网络数据封包,提供每个数据帧的详细信息,如MAC地址、数据帧类型、IP地址、UDP端口、等重要信息,方便开发者对网络数据协议的分析与相关测试。WireShark官网:https://www.wireshark.org/
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下面我们根据抓取到的一个UDP包,来给大家介绍UDP的协议
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  • 第一部分,可以粗略的知道该UDP包,其源IP和目的IP到底是什么。
  • 第二部分,是对该UDP包的简短描述,从中可以大约的知道该数据包的数据长度,源MAC地址,目的MAC地址,等等相关信息。
  • 第三部分,可以说是这个包的所有数据。一个完整的数据包,还会有数据包的帧头,帧尾还有CRC校验的数据。

看到第三部分,这全是十六进制的字符,这TMD的到底是什么意思呢?

关于这些内容,点开第二部分的展开图标,就可以一探究竟了。       
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这样看,是不是就可以知道这个UDP包的前6个字节,就是目的MAC地址了呢?再来看接着的6个字节数据:6c fd b9 87 48 de
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这6个字节,代表着源MAC地址。我们也可以通过查看自己电脑上的MAC地址来确认。
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接着的这些数据,大家也可以自己跟着文章中的讲解,自己下载一个WireShark来学习一下。

当然,这里特别需要说明的一下是,UDP协议涉及到校验和的计算。总共有两个校验和,一个是在IP首部的校验和,另一个是在UDP首部的校验和
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校验和的计算,有其自己特定的算法,除此之外,还有在数据包尾部的CRC校验数据。

END

作者:比特波特
原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/1hWJ2bmqFqv3ZKtA6wzIqQ
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