FPGA 以太网概念简单学习

1 MAC和PHY

2 MDIO接口

MDIO（Management Data Input/Output）接口是根据IEEE 802.3标准定义的一种简单双线串行接口，主要用于以太网MAC（Media Access Control）控制器与物理层（PHY, Physical Layer）器件之间的管理通信。这种接口允许MAC控制器或者上层管理系统读取和修改PHY芯片内部的寄存器设置，以便控制和监测PHY的工作状态。

MDIO接口包含了两条信号线：

1. MDIO: 这是一条双向数据线，用于在管理器件和PHY之间交换控制和状态信息。在不同的时间段内，这条线既可以用作数据输入也可以用作数据输出。

2. MDC (Management Data Clock): 这是MDIO接口的时钟信号线，由管理器件提供，用来同步MDIO上的数据传输。

通过MDIO接口，可以实现以下功能：

• 配置PHY芯片的各种参数，比如速度选择、双工模式、自动协商、节能模式等。
• 查询PHY芯片的状态，如链路状态（Link Up/Down）、接收信号强度、错误统计等。
• 控制物理层的特性，例如启动和停止物理层的自动协商过程。

MDIO协议基于特定的时序进行操作，允许MAC控制器按照一定的命令格式读取或写入PHY的多个寄存器，从而实现了对以太网物理层设备的灵活配置和实时监控。

3 以太网帧格式

典型的以太网帧格式主要包括以下几个主要部分：

前导码（Preamble）：

• 一组连续的7个字节（56比特）的10101010…101010序列，用于接收设备同步时钟和确定帧的开始。

帧起始定界符（SFD, Start-of-Frame Delimiter）：

• 第8个字节，值为10101011，标志着帧正文的开始。

以太网帧头（Ethernet Header）：

• 源MAC地址（Source MAC Address）：6个字节，表示发送方的物理地址。
• 目标MAC地址（Destination MAC Address）：6个字节，表示接收方的物理地址。
• 类型/长度字段（Type/Length Field）：2个字节，指明上层协议类型（如IPv4、IPv6、ARP等）或在某些类型的帧中表示帧的数据部分的长度。

数据负载（Payload）：

• 可变长度，最小46字节，最大取决于以太网类型。通常承载的是上层协议数据单元（如IP数据包）。

帧校验序列（FCS, Frame Check Sequence）：

• 4个字节（32位），采用循环冗余校验（CRC）算法计算得出，用于检测帧在传输过程中是否出错。

4 ARP

在以太网中，每个设备都有一个唯一的MAC地址，这是其硬件标识符，用于在物理层上识别设备。而IP地址则是网络层为了寻址和路由数据包所使用的逻辑地址。当一台主机想要与同一网络内的另一台主机通信时，即使它知道目标主机的IP地址，也需要知道目标主机的MAC地址以便封装数据包到以太网帧中进行传输。

以下是ARP的工作流程：

1. ARP请求： 当主机A需要向主机B发送数据，并且只知道主机B的IP地址时，主机A会通过广播的方式发送一个ARP请求到整个局域网中。这个请求中包含了目标主机B的IP地址，并询问：“具有这个IP地址的设备，请告诉我你的MAC地址。”

2. ARP响应： 主机B收到ARP请求后，发现请求的目标IP地址与自己的IP地址匹配，便会回复一个ARP应答给主机A。ARP应答中包含了主机B的MAC地址。

3. ARP缓存： 主机A收到ARP应答后，会将主机B的IP地址与其对应的MAC地址存储在本地的ARP缓存中，这样下次再需要发送数据给主机B时，就可以直接从缓存中查找MAC地址，无需再次发起ARP请求。

帧格式： 

 ARP 数据报文格式:

硬件类型（Hardware Type，2字节）

• 表示物理层地址类型，例如对于以太网，其值通常为0x0001。

协议类型（Protocol Type，2字节）

• 表示要映射的网络层协议地址类型，对于IPv4，其值为0x0800。

硬件地址长度（Hardware Address Length，1字节）

• 指定硬件地址（MAC地址）的字节数，对于以太网，该值为6。

协议地址长度（Protocol Address Length，1字节）

• 指定协议地址（IP地址）的字节数，对于IPv4，该值为4。

操作代码（Operation Code，2字节）

• 定义了ARP请求（0x0001）或ARP应答（0x0002）的操作类型。

发送者硬件地址（Sender Hardware Address，6字节）

• 发送ARP数据报文的设备的MAC地址。

发送者协议地址（Sender Protocol Address，4字节）

• 发送ARP数据报文的设备的IP地址。

目标硬件地址（Target Hardware Address，6字节）

• 在 ARP 请求时由于不知道接收端 MAC 地址，因此该字段为广播地址，即48’hff_ff_ff_ff_ff_ff；
• 在ARP应答中填充请求者期望的目标MAC地址。

目标协议地址（Target Protocol Address，4字节）

• 在ARP请求中填充需要解析的远程IP地址；
• 在ARP应答中填充请求者的IP地址。

28字节的 ARP 数据位于以太网帧格式的数据段。由于以太网数据段最少为 46个字节， 而 ARP 数据包总长度为 28 个字节，因此在 ARP 数据段后面需要填充 18 个字节的数据，以满足以太网传 输格式的要求。这个填充的过程称为 Padding（填充），填充的数据可以为任意值，但一般为 0。

5 RGMII接口

以太网通信依赖物理层PHY芯片，其与MAC间常用接口包括MII、RMII、GMII、RGMII。其中：

1. MII：支持10Mbps和100Mbps，数据位宽4位，100Mbps时钟频率25MHz。
2. RMII：MII简化版，数据位宽2位，100Mbps时钟频率50MHz。
3. GMII：兼容MII，支持10Mbps、100Mbps和1000Mbps，数据位宽8位，1000Mbps时钟125MHz。
4. RGMII：GMII简化版，数据位宽4位，1000Mbps时钟125MHz，双沿采样；10M/100M采用单沿采样。适用于多速率通信，引脚数少，但布线需等长处理，时序要求严苛。

下图是 MAC 侧与 PHY 侧接口的连接

接口信号：

ETH_RXC（接收数据参考时钟）：

• 在不同速率下，其时钟频率分别为：
  • 1000Mbps：125MHz，采用上下沿同时采样。
  • 100Mbps：25MHz。
  • 10Mbps：2.5MHz。
• ETH_RXC信号由PHY侧提供。

ETH_RXCTL（ETH_RX_DV）：

• 接收数据控制信号。

ETH_RXD：

• 四位并行的接收数据线。

ETH_TXC（发送参考时钟）：

• 同样在不同速率下，其时钟频率分别为：
  • 1000Mbps：125MHz，采用上下沿同时采样。
  • 100Mbps：25MHz。
  • 10Mbps：2.5MHz。
• ETH_TXC信号由MAC侧提供。

ETH_TXCTL（ETH_TXEN）：

• 发送数据控制信号。

ETH_TXD：

• 四位并行的发送数据线。

ETH_RESET_N：

• 芯片复位信号，低电平有效。

ETH_MDC：

• 数据管理时钟，为ETH_MDIO信号提供同步时钟。

ETH_MDIO：

• 数据输入/输出管理双向信号，用于传递管理信息。

1000Mbps速率工作模式：

ETH_TXC和ETH_RXC时钟频率均为125MHz，采用DDR（Double Data Rate）方式传输数据。

• 每个时钟周期内发送/接收8位数据信号：上升沿发送/接收低4位数据，下降沿发送/接收高4位数据。

ETH_TXCTL和ETH_RXCTL控制信号同样采用DDR方式传输。

• 上升沿发送/接收数据使能（TX_EN/RX_DV）信号，下降沿发送/接收使能信号与错误信号的异或值（TX_ERR xor TX_EN、RX_ERR xor RX_DV）。
• 数据有效且正确的条件：RX_DV为高电平（数据有效），RX_ERR为低电平（无错误），此时ETH_RXCTL和ETH_TXCTL上下沿同时为高电平。

6 IP协议

首部（Header）：

首部是IP数据报的控制区域，包含了一系列固定和可选字段，用于指导数据报在网络中的传输。

固定部分（Fixed Part）

• 版本（Version）：占4位，指示正在使用的IP协议版本。最常见的版本是IPv4（值为4），目前广泛使用的也是IPv4；IPv6版本的值为6。

• 首部长度（Header Length, IHL）：占4位，表示IP数据报首部的长度，以32位（4字节）为单位。最小值为5，即20字节（不包含任何可选项）。如果存在可选项字段，则首部长度相应增加。

• 区分服务（Differentiated Services Code Point, DSCP）：占6位，用于指定数据报的优先级和QoS（Quality of Service）处理需求。它允许网络设备对不同类型的流量进行差异化服务。

• 总长度（Total Length）：占16位，表示整个IP数据报（包括首部和数据部分）的字节数。最大值通常为65,535字节（对于IPv4），但实际有效载荷受到路径上最低MTU（Maximum Transmission Unit）的限制，通常以以太网的MTU（1500字节）为参考。

• 标识（Identification）：占16位，是一个唯一标识符，用于标识属于同一个原始数据报的所有分片。当数据报因过大需要分片时，所有分片的标识字段设置为相同的值。

• 标志（Flags）：占3位，其中：

  • 第一位（Reserved，保留位）通常置为0；
  • 第二位（Don't Fragment, DF）：如果置为1，表示数据报不能被分片；
  • 第三位（More Fragments, MF）：如果置为1，表示当前分片不是最后一个分片。

• 片偏移（Fragment Offset）：占13位，仅在数据报分片时有意义，指出该分片相对于原始数据报起始处的偏移量，以8字节为单位。

• 生存时间（Time to Live, TTL）：占8位，初始值由发送方设定，每经过一个路由器减1。当TTL值为0时，数据报将被丢弃，防止数据报在网络中无限循环。

• 协议（Protocol）：占8位，标识IP数据报携带的数据部分应交给哪个上层协议进行进一步处理，例如TCP（值为6）、UDP（值为17）等。

• 首部检验和（Header Checksum）：占16位，用于检测IP数据报首部在传输过程中是否发生错误。接收方通过计算校验和来验证首部的完整性。

• 源地址（Source Address）：占32位（IPv4）或128位（IPv6），标识发送方的IP地址。

• 目的地址（Destination Address）：占32位（IPv4）或128位（IPv6），标识接收方的IP地址。

可选部分（Optional Fields）

紧跟在固定部分之后，可包含一系列可变长度的选项，如记录路由选项（Record Route）、时间戳选项（Timestamp）等。这些选项根据需要添加，使得IP数据报具有一定的灵活性。可选部分的存在会增加首部长度。

数据区（Payload）：

紧随首部之后的是数据区，包含了由上层协议（如TCP、UDP等）提供的实际用户数据或上层协议控制信息。数据区的长度取决于IP数据报的总长度减去首部长度。

填充（Padding）：

如果需要，会在数据区后附加一些全0的字节（填充），以确保整个IP数据报的长度是32位（4字节）的整数倍，满足某些底层网络设备对传输单位对齐的要求。

7 UDP

UDP主要特性和工作方式的简单介绍：

无连接：

• 在使用UDP发送数据前，不需要建立正式的连接。发送方可以直接向接收方发送数据报文，无需经过握手、确认等过程，这使得UDP具有较低的开销和较高的响应速度。

不可靠性：

• UDP不保证数据报文的可靠传输。它不会对数据进行校验、重传、拥塞控制等操作，一旦将数据报文发送出去，就无法确保其一定能到达目的地，也无法确保到达的顺序与发送顺序一致。如果数据在传输过程中丢失、被错误地修改或重复，UDP不会试图纠正这些问题。

面向数据报：

• UDP以独立的数据报（Datagram）为单位进行数据传输。每个数据报包含完整的源和目的端口号以及用户数据，可以独立地在网络中路由。这意味着每个UDP报文都是单独处理、独立送达的，应用程序需要自行处理数据的完整性、顺序性和重传问题。

最小化服务：

• UDP提供了最基础的服务，仅包括数据报的封装、传输和解封装。它不提供流量控制、拥塞控制、数据排序、超时重传等复杂功能，这些任务通常由使用UDP的应用层协议自行实现，或者在某些情况下，由应用程序直接处理。

头部结构简单：

• UDP头部相对较小，只有8字节，包含源端口、目的端口、长度和校验和四个字段。这种简洁设计有助于减少处理开销，提高传输效率。

适用场景：

• 由于其简单、快速的特点，UDP常用于对实时性要求高、容错能力强或数据传输效率优先于数据完整性的应用，如在线视频会议、实时音视频流、在线游戏、DNS查询、物联网（IoT）消息传递等。在这些应用中，偶尔丢失个别数据包通常不会严重影响用户体验，而保持低延迟和高吞吐量更为关键。