FPGA學習-以太網的原理介紹

1 以太網原理介紹

1.1 以太網幀

在以太網鏈路上的數據包稱作以太網幀。以太網幀起始部分由前導碼和幀開始符組成。后面緊跟著一個以太網報頭，以MAC地址說明目的地址和源地址。幀的中部是該幀負載的包含其他協議報頭的數據包(例如IP協議、ARP協議)。以太幀由一個32位冗余校驗碼結尾。它用于檢驗數據傳輸是否出現損壞。以太網幀格式如下圖所示。

1.前導碼和幀開始符是固定的，為7個0x55緊跟著1個0xd5

2.目的MAC地址指明幀的接受者

3.源MAC地址指明幀的發送者

4.以太網類型，指示幀的類型，比如0x0800表示該幀是IP數據包，0x0806表示該幀是ARP協議數據包

5.數據和填充就是所承載的數據包，跟前面以太網類型對應。

6.幀校驗序列是一個32位的循環校驗碼（FCS）。

每一個設備都有一個不同的MAC地址，當一個設備A發送一個以太網幀，源MAC地址是自己的MAC地址，目的MAC地址如果是0xffffff，此時就是廣播，所有與之連接的設備都會收到該幀，如果目的MAC地址是一個獨特的MAC地址，那么本地MAC地址與之相同的設備將會接收到該以太網幀，然后通過判斷以太網幀類型，進行下一步數據包解析。

1.2 ARP協議

ARP協議，全稱為Address Resolution Protocol，即地址解析協議，ARP協議屬于以太網幀的一種，前面以太網幀介紹中有說到，我們如果從設備A發送以太網幀到設備B，我們不可能每次都進行廣播，那么設備A如何知道設備B的物理地址呢？ARP協議就是為了解決這個問題。

首先設備Ａ廣播，發送ARP請求，等收到設備B的ARP應答以后就能知道設備B的MAC地址。ARP幀格式如下圖所示

ARP字段就是前面以太網幀待填充的數據。

硬件類型、上層協議類型、MAC地址長度、IP地址長度均固定不變。

假設設備A的IP地址為192.168.0.2，MAC地址為0x00_0a_35_01_fe_c0，我們知道目的IP地址為192.168.0.3，不知道該IP地址對應的MAC地址，如果設備A想要和IP地址為192.168.0.3的設備B進行通信（如UDP或者IP通信），就必須知道它的MAC地址。此時設備A就需要廣播發送ARP請求，接收方MAC地址填0xff_ff_ff_ff_ff_ff。這樣IP地址為192.168.0.3的設備就會解析出這是一個ARP請求，它詢問自身的MAC地址，此時它就會做出ARP應答，將自身的MAC地址發送給對應IP地址的設備A。

注意發送ARP請求時，操作碼為0x0001，應答時操作碼為0x0002。

1.3 IP協議

TCP/IP協議定義了一個在因特網上傳輸的包，稱為IP數據包，而IP數據報(IP Datagram)是個比較抽象的內容，是對數據包的結構進行分析。由首部和數據兩部分組成，其格式如下圖圖所示。首部的前一部分是固定長度，共20字節，是所有IP數據報必須具有的。在首部的固定部分的后面是一些可選字段，其長度是可變的。首部中的源地址和目的地址都是IP協議地址。

1.4 UDP協議

UDP 協議是一種不可靠傳輸，發送方只負責將數據發送出去，而不管接收方是否正確的接收。非常類似于 UART 串口傳輸。但是，在很多場合，是可以接受這種潛在的不可靠性的，例如視頻實時傳輸顯示。在這類系統中，由于數據并不需要進行運算并得到非常精確的結果用于其他功能，而僅僅是顯示在屏幕上，因此可以接受一定程度的丟包或者誤碼。此類應用在 LED 大屏顯示系統中應用非常廣泛。UDP幀組成如下圖所示

審核編輯：劉清