协议crc计算_UDP/IP硬件协议栈设计（五）：ARP表

作者：小蓝xlanll | 2024-03-04 09:58:12

踩

udp asic ip

前面完成了（四）ARP的处理，但是似乎少了点东西，既然说了ARP处理，不顺手再实现一个ARP表不就白来了吗。

新建Excel表

为什么要ARP表

如果主机A对FPGA发送IP协议的数据，就需要先发送ARP得到FPGA端的MAC地址，而FPGA对其解析后再做相应处理，比如需要再发送IP协议到主机A端，那么是不是得一直保存主机A的MAC地址或者FPGA发送ARP请求帧去请求主机A的MAC地址？

那可不可以主机A先发送的ARP请求帧时，就将其MAC/IP地址的映射存入到RAM当中，当FPGA要发送IP协议的数据时（比如ICMP或者UDP），就直接在RAM中查询主机A的MAC地址，然后再封帧进行发送，这样就省得再发ARP问询了。好，到这个时候，ARP表的功能就出了。

怎么实现？

作为一个MAC/IP地址的映射表，首先就需要确定存入什么样的数据，然后是怎么样将数据存入，最后是怎样取出数据，本文设计采用以下方式：

待存入MAC/IP地址的选择。只选择缓存ARP的请求帧或者应答帧中发送端（sender）的MAC/IP地址，共10字节；
存入的方式。为便于查询起见，对待存入的IP地址做HASH计算，得到的结果作为存入RAM的地址，那问题来了，HASH冲突怎么办，问就是没有做！做了这个头又要秃了，有兴趣的可以试试。
查询接口。对待查询的IP地址同样做HASH计算，计算值作为ARP表的地址，得到相应的MAC/IP地址，待查询的与RAM缓存的IP地址进行比较，若相同则输出MAC地址，不同则输出0。

具体实现过程

获取待更新MAC/IP地址信息

获取ARP报文的各字段信息前文已经说过，本文不再说明。

当Opcode字段为16'h0001或者16'h0002时，则开始更新ARP表：

assign update_arptable_en   =   ((arp_opcode == 16'h0001) || (arp_opcode == 16'h0002))

HASH计算

对于采用何种算法完成HASH计算确实是个问题，但是前面在检验一文中提到使用CRC算法，还提了一个在线生成源码的工具，所以本文就直接使用该工具，生成32bit数据位宽的CRC计算模块来实现HASH计算，如下所示，其中nextCRC8_D32即在线生成的function。


    wire    [7:0] new_crc;
    assign new_crc = nextCRC8_D32(calc_data_i,8'hff);
    always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
        if(!rst_n)begin
            crc32_o         <=    8'h0;
        end
        else if(calc_en_i) begin
            crc32_o         <=    new_crc;
        end
    end
 
    always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
        if(!rst_n)begin
            crc32_valid_o   <=    1'h0;
        end
        else begin
            crc32_valid_o   <=    calc_en_i;
        end
    end
  // polynomial: x^8 + x^2 + x^1 + 1
  // data width: 32
  // convention: the first serial bit is D[31]
  function [7:0] nextCRC8_D32;
    input [31:0] Data;
    input [7:0] crc;
    reg [31:0] d;
    reg [7:0] c;
    reg [7:0] newcrc;
  begin
    d = Data;
    c = crc;
    newcrc[0] = d[31] ^ d[30] ^ d[28] ^ d[23] ^ d[21] ^ d[19] ^ d[18] ^ d[16] ^ d[14] ^ d[12] ^ d[8] ^ d[7] ^ d[6] ^ d[0] ^ c[4] ^ c[6] ^ c[7];
    newcrc[1] = d[30] ^ d[29] ^ d[28] ^ d[24] ^ d[23] ^ d[22] ^ d[21] ^ d[20] ^ d[18] ^ d[17] ^ d[16] ^ d[15] ^ d[14] ^ d[13] ^ d[12] ^ d[9] ^ d[6] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[0] ^ c[4] ^ c[5] ^ c[6];
    newcrc[2] = d[29] ^ d[28] ^ d[25] ^ d[24] ^ d[22] ^ d[17] ^ d[15] ^ d[13] ^ d[12] ^ d[10] ^ d[8] ^ d[6] ^ d[2] ^ d[1] ^ d[0] ^ c[0] ^ c[1] ^ c[4] ^ c[5];
    newcrc[3] = d[30] ^ d[29] ^ d[26] ^ d[25] ^ d[23] ^ d[18] ^ d[16] ^ d[14] ^ d[13] ^ d[11] ^ d[9] ^ d[7] ^ d[3] ^ d[2] ^ d[1] ^ c[1] ^ c[2] ^ c[5] ^ c[6];
    newcrc[4] = d[31] ^ d[30] ^ d[27] ^ d[26] ^ d[24] ^ d[19] ^ d[17] ^ d[15] ^ d[14] ^ d[12] ^ d[10] ^ d[8] ^ d[4] ^ d[3] ^ d[2] ^ c[0] ^ c[2] ^ c[3] ^ c[6] ^ c[7];
    newcrc[5] = d[31] ^ d[28] ^ d[27] ^ d[25] ^ d[20] ^ d[18] ^ d[16] ^ d[15] ^ d[13] ^ d[11] ^ d[9] ^ d[5] ^ d[4] ^ d[3] ^ c[1] ^ c[3] ^ c[4] ^ c[7];
    newcrc[6] = d[29] ^ d[28] ^ d[26] ^ d[21] ^ d[19] ^ d[17] ^ d[16] ^ d[14] ^ d[12] ^ d[10] ^ d[6] ^ d[5] ^ d[4] ^ c[2] ^ c[4] ^ c[5];
    newcrc[7] = d[30] ^ d[29] ^ d[27] ^ d[22] ^ d[20] ^ d[18] ^ d[17] ^ d[15] ^ d[13] ^ d[11] ^ d[7] ^ d[6] ^ d[5] ^ c[3] ^ c[5] ^ c[6];
    nextCRC8_D32 = newcrc;
  end
  endfunction

MAC/IP地址信息存入RAM

对待更新的MAC/IP地址中的IP地址进行HASH计算，得到的8bit的计算结果取低位作为ARP表（RAM）的地址，并将MAC/IP地址信息存入到RAM中，如下所示，使用了一个数据位宽为80bit，深度为2^4=16的双端口RAM作为了ARP表，其中RAM的a端作为更新端，b端作为查询端。


    assign arp_table_mem_wea    =   crc_calc_result_valid;
    assign arp_table_mem_addra  =   crc_calc_result[ARP_TB_W-1:0];
    assign arp_table_mem_dina   =   {arp_sender_ip,arp_sender_mac};
 
    dual_ram#(
        .RAM_DW             (80),  //ram data width
        .RAM_DP             (ARP_TB_W)   //ARP_TB_W取4, ram depth 2^4 = 16
    ) U_arp_table_mem(
        .rst_n              (rst_n),
 
        .clka               (clk),
        .wea                (arp_table_mem_wea),
        .addra              (arp_table_mem_addra),
        .dina               (arp_table_mem_dina),
        .douta              (arp_table_mem_douta),
     
        .clkb               (clk),
        .web                (arp_table_mem_web),
        .addrb              (arp_table_mem_addrb),
        .dinb               (arp_table_mem_dinb),
        .doutb              (arp_table_mem_doutb)
    );

MAC地址查询

当外部逻辑需要通过IP地址查询MAC地址时，即同样对待查询的IP地址进行HASH计算，将其计算结果的低位作为ARP表（RAM）的b端读取地址，得到的MAC/IP信息后，再与待查询的IP地址进行比较输出，如下所示。


    //request IP&MAC mapping
    CRC8_D32 U1_CRC8_D32(
        .clk                (clk),
        .rst_n              (rst_n),
 
        .calc_data_i        (req_ip_i),
        .calc_en_i          (mac_ip_req_i),
 
        .crc32_o            (req_crc_result),
        .crc32_valid_o      (req_crc_result_valid)
    );  
 
    assign arp_table_mem_web    =   1'b0;
    assign arp_table_mem_addrb  =   req_crc_result[ARP_TB_W-1:0];
    assign arp_table_mem_dinb   =   80'h0;
 
    dual_ram#(
        .RAM_DW             (80),  //ram data width
        .RAM_DP             (ARP_TB_W)   //ARP_TB_W取4, ram depth 2^4 = 16
    ) U_arp_table_mem(
        .rst_n              (rst_n),
 
        .clka               (clk),
        .wea                (arp_table_mem_wea),
        .addra              (arp_table_mem_addra),
        .dina               (arp_table_mem_dina),
        .douta              (arp_table_mem_douta),
     
        .clkb               (clk),
        .web                (arp_table_mem_web),
        .addrb              (arp_table_mem_addrb),
        .dinb               (arp_table_mem_dinb),
        .doutb              (arp_table_mem_doutb)
    );
    
    //output result
    always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
        if(!rst_n) begin
            req_crc_result_valid_r      <=  1'b0;
            mac_ip_ack_o                <=  1'b0;
            ack_mac_o                   <=  48'h0;
        end
        else begin
            req_crc_result_valid_r      <=  req_crc_result_valid;
            mac_ip_ack_o                <=  req_crc_result_valid_r;
            ack_mac_o                   <=  (arp_table_mem_doutb[79:48] == req_ip_i)?arp_table_mem_doutb[47:0]:48'h0;
        end
    end

以及即完成了ARP表的设计，不过设计中存在的HASH冲突问题并未解决，同时采用CRC8进行HASH计算资源消耗较大，换成简单一点的HASH算法可能更优，有兴趣的可以加以改进。

如有错误之处还望批评指正！

十二点过九分：UDP/IP硬件协议栈设计（六）：ICMPzhuanlan.zhihu.com

声明：本文内容由网友自发贡献，不代表【wpsshop博客】立场，版权归原作者所有，本站不承担相应法律责任。如您发现有侵权的内容，请联系我们。转载请注明出处：https://www.wpsshop.cn/w/小蓝xlanll/article/detail/187168