基于UDP协议的以太网数据收发控制器

　　本文是自己学习的思路梳理，参考的是野火的升腾Pro教程，需要的可以去看看。

---

一、理论学习

TCP/IP 五层模型

　　两个设备间要完成正确的通信，相互兼容的硬件和软件是必不可少的，这就是我们要说的网络通信协议。为了实现网络通信的标准化，普及网络应用，国际标准化组织(ISO)将整个以太网通信结构制定了OSI(Open System Interconnection)模型，译为开放式系统互联。OSI定义了网络互连的七层框架（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层），即OSI开放互连系统参考模型。每个层功能不同，网络通信中各司其职，整个模型包括硬件和软件定义。OSI模型只是是理想分层，一般的网络系统只是涉及其中几层。

　　在一定程度上参考了OSI模型后，产生了TCP/IP 协议。TCP/IP（Transmission ControlProtocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇，只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议。TCP/IP五层模型，具体见下图。

　　在TCP/IP五层参考模型中，数据链路层又被分为LLC层(逻辑链路层)和MAC层(媒体介质访问层)。目前，对于普通的接入网络终端的设备，LLC层和MAC层是软、硬件的分界线。如PC的网卡主要负责实现参考模型中的MAC子层和物理层，在PC的软件系统中则有一套庞大程序实现了LLC层及以上的所有网络层次的协议。

以太网

　　本文的主角以太网是指遵守IEEE 802.3标准组成的局域网，由IEEE 802.3标准规定的主要是位于参考模型的物理层(PHY)和数据链路层中的介质访问控制子层(MAC)。

• 物理层：在物理层，由IEEE 802.3标准规定了以太网使用的传输介质、传输速度、数据编码方式和冲突检测机制，物理层一般是通过一个PHY芯片实现其功能的。物理层中，介绍一下MII/RGMII接口。MII（Media Independent Interface（介质无关接口）或称为媒体独立接口，它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准，用以连接以太网MAC层和PHY芯片，后逐步扩展为：MII、RMII、SMII、GMII、RGMII等。
  MII：百兆以太网接口，单边沿采样；
  RMII：百兆以太网接口，MII的线路简化版，双边沿采样；
  GMII：千兆以太网接口，单边沿采样；
  RGMII：千兆以太网接口，GMII的线路简化版，双边沿采样。
• MAC子层：MAC子层是属于数据链路层的下半部分，它主要负责与物理层进行数据交接，如是否可以发送数据，发送的数据是否正确，对数据流进行控制等。它自动对来自上层的数据包加上一些控制信号，交给物理层。接收方得到正常数据时，自动去除MAC控制信号，把该数据包交给上层（注意：这里描述的数据流方向是MAC子层——>物理层）。MAC数据包格式如下。
  
  （1）前导字段(7Byte)，也称报头，内容为连续7个字节的0x55。
  （2）帧起始定界符(SFD，1Byte)：用于区分前导段与数据段的，内容为0xD5。
  （3）MAC地址(6Byte)：MAC地址由48位数字组成，它是网卡的物理地址。
  （4）数据包类型(2Byte)：本区域可以用来描述本MAC数据包是属于TCP/IP协议层的IP包、ARP包还是SNMP包，也可以用来描述本MAC数据包数据段的长度。如果该值被设置大于0x0600，不用于长度描述，而是用于类型描述功能，表示与以太网帧相关的MAC客户端协议的种类。
  （5）数据段(46-1500Byte)：数据段是MAC包的核心内容，其长度可以从0~1500字节间变化。由于协议要求MAC数据包长度至少为64字节，当数据段的字节少于46字节时，会自动填上无效数据。
  （6）校验和域(4Byte)： MAC 数据包的尾部是校验和域，它保存了 CRC 校验序列，用于检错。
• IP协议：MAC数据包位于TCP/IP协议的数据链路层，当MAC数据包经过数据链路层到达网络层时，前导码、帧起始界定符、目的MAC地址、源MAC地址、类型/长度以及校验字节均被去除，只有有效数据传入了网络层（注意：这里描述的数据流方向是物理层——>MAC子层）。网络层互联主要负责主机间或与路由器、交换机间对分组数据的路由选择和传递。要实现这一功能，就需要相关协议。常用的网络层协议就是IP协议。所以传入网络层的数据包并不完全是需要传输的有效数据，他的前面还包含着 20字节的IP协议首部。IP数据包格式如下图。
  
  （1）版本（4bit）：该字段定义IP协议版本。
  （2）首部长度（4bit）：该字段定义数据报协议头长度，表示协议头部具有32位字长的数量。协议头最小值为5，最大值为15。
  （3）服务类型（8bit）：该字段定义上层协议对处理当前数据报所期望的服务质量。
  （4）总长度（16bit）：该字段定义整个IP数据报的字节长度，包括协议头部和数据。其最大值为 65535 字节。以太网协议对能够封装在一个帧中的数据有最小值和最大值的限制（46~1500个字节）。
  （5）标识（16bit）：该字段包含一个整数，用于识别当前数据报。
  （6）标记（3bit）：该字段由3位字段构成，其中最低位（MF）控制分段，存在下一个分段置为1，否则置0代表该分段是最后一个分段。中间位（DF）指出数据报是否可进行分段，如果为1则机器不能将该数据报进行分段。第三位即最高位保留不使
  （7）分段偏移（13bit）；生存时间（8bit）；
  （8）协议（8bit）：该字段指出在IP处理过程完成之后，有哪种上层协议接收导入数据报。UDP为'd17。
  （9）首部校验和（16bit）：该字段帮助确保 IP 协议头的完整性。对IP首部中每个16bit进行二进制反码求和，将计算结果再取反码，若结果为0，通过检验，否则，不通过检验。
  （10）源地址（32bit）：源主机IP地址。
  （11）目的地址（32bit）：目标主机IP地址。
• UDP协议：网络层在接收到数据包后，取下数据包的IP首部，将剩余有效数据包发送到传输层。传输层有两种传输协议：基于字节流的TCP协议、基于报文流的UDP协议。两种协议各有优缺点，应用于不同场景。TCP协议是面向连接的流传输协议，可以保证数据传输的完整、有序，是可靠协议，常用在对数据完整性和正确性要求较高的场合，如文件传输。占用资源较UDP多，速度较UDP慢；UDP协议则是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，因为无需连接，传输速度较TCP快，占用资源量较TCP少，适合实时数据的传输，如视频通话。本文采用较为简单的UDP协议。若传输层使用UDP协议，那么传入传输层的数据包为UDP数据包，前8各字节为UDP首部。UDP数据包格式，具体见下图。
  
  （1）源端口号(16Byte)：源主机的应用程序使用的端口号。
  （2）目的端口号(16Byte)：目的主机的应用程序使用的端口号。
  （3）UDP长度(16Byte)：是指UDP头部和UDP数据的字节长度。因为UDP头部长度是8字节，所以字段的最小值为8。
  （4）UDP 校验和(16Byte)：该字段提供了与TCP校验字段同样的功能；该字段是可选的。

　　综上，我们可以知道，如果是接收PC端传入板卡的以太网数据信息（MAC子层——>物理层），首先需要将接收到的RGMII数据转化为GMII数据，然后对MAC数据包、IP数据包、UDP数据包的数据进行处理，并提取出有效数据。若是板卡将数据传回PC端（物理层——>MAC子层），就要将有效数据按照以太网数据包格式进行打包，然后将GMII数据转化为RGMII数据发送。

---

二、程序设计

　　要想进行程序设计，首先要做的就是对以太网数据包的信息由具体的了解。