以太网Ethernet通信协议

一、以太网简介

        计算机网络可分为局域网(LAN)、 城域网(MAN)、广域网(WAN)、互联网(Initernet)。局域网按传输介质所使用的访问控制方法可分为：以太网(Ethernet)、光纤分布式数据接口(FDDI)、异步传输模式(ATM)、令牌环网(Token Ring)、交换网(Switching) 等，它们在拓朴结构、传输介质、传输速率、数据格式等多方面都有许多不同，其中应用最广泛的当属以太网。

        以太网协议（Ethernet Protocol）是一种广泛应用于局域网（LAN）和广域网（WAN）的计算机网络通信协议。它是一种基于共享介质的局域网技术，最早由Xerox、Intel和Digital Equipment Corporation（DEC）于1970年代开发，并在1980年代初由IEEE标准化为IEEE 802.3。以太网根据最大传输速率的不同可以分为标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)、千兆以太网 (1000Mbit/s)和万兆以太网(10Gbit/s)。

二、计算机网络模型

        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。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。

        在一定程度上参考了OSI模型后，产生了TCP/IP协议。TCP/IP (Transmission ControProtocol/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传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的TCP和IP两个协议，而是指一个由FTPSMTP、TCP、UDP、IP 等协议构成的协议簇， 只是因为在 TCP/P 协议中 TCP 协议和I协议最具代表性，所以被称为 TCP/IP 协议。
        在TCP/IP协议中，OSI 七层参考模型被简化为五层。

        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)。 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。 

之前写计算机网络的时候也写过相关博文：

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三、以太网传输格式

        IEEE 802.3规定了以太网传输数据包的帧格式：前导码、帧起始界定符、帧头(目的MAC地址+源MAC地址+类型/长度)、数据、校验位。

• 前导码(Preamble)：也称报头，用于使收发节点的时钟同步。物理层使用连续7个字节的0x55实现数据的同步。
• 帧起始定界符(SFD，Start Frame Delimiter)：用于区分前导码与数据段，固定为1字节的0xD5。字段和帧起始定界符在MAC收到数据包后会自动过滤掉。
• 目的MAC地址：即接收端物理MAC地址，由48位数字组成，占用6个字节，每个设备都有且仅有唯一的MAC地址。MAC地址从应用上可分为单播地址、组播地址和广播地址。单播地址：第一个字节的最低位为0，比如0-00-00-11-11-11，一般用于标志唯一的设备；组播地址：第一个字节的最低位为1，比如01-00-00-11-11-11，一般用于标志同属一组的多个设备；广播地址：所有48bit全为1，即FF-FF-FF-FF-FF-FF，用于标志同一网段中的所有设备。
• 源MAC地址：即发送端物理MAC地址，占用6个字节。
• 数据包类型/长度：2字节，当这两个字节的值小于1536 (十六进制为0x0600)时代表该以太网中数据段的长度；如果这两个字节的值大于1536，则表示与以太网帧相关的MAC客户端协议的类型，例如0x0800代表IP协议(网际协议)、0x0806 代表ARP协议(地址解析协议) 等。
• 数据：数据段是MAC包的核心内容，它包含的数据来自MAC的上层，长度为46-1500字节。最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU，Maximum Transmission Unit)。接收到的数据包如果少于64字节会被认为发生冲突，数据包被自动丢弃。
• 校验(FCS，Frame Check Sequence)：确保数据的正确传输，在数据的尾部加入了4字节的循环冗余校验码(CRC)来检验数据是否传输错误。CRC数据校验从目的MAC地址开始。
• 帧间隙(IFG，Interpacket Gap)：以太网相邻两帧之间的时间间隔，即网络设备和组件在接收一帧之后，需要短暂的时间来恢复并为接收下一帧做准备的时间，最小值是96 bit time(媒介中发送96位原始数据所需要的时间)。

四、ARP协议

        在以太网中要想进行通信，首先要知道接收端的物理MAC地址，而ARP(Address Resolution Protocol),地址解析协议就是根据目的设备的IP地址 (逻辑地址)获取MAC地址的一种TCP/IP协议。

        ARP协议分为ARP请求和ARP应答，源主机发起查询目的MAC地址的报文称为ARP请求，目的主机响应源主机并发送包含本地MAC地址的报文称为ARP应答。

        当主机需要找出网络中的另一个主机的物理地址时，它就可以发送一个ARP请求报文，这个报文包含了发送方的MAC地址和IP 地址以及接收方的IP地址。因为发送方不知道接收方的物理地址，所以这个查询分组会在网络层中进行广播，即ARP请求时发送的接收方物理地址为广播地址，用48'hff_ff_ff_ff_ff_ff表示。此时局域网中的所有主机都会进行接收并处理这个ARP请求报文，然后进行验证，查看接收方的IP地址是不是自己的地址。是则返回ARP应答报文(含接收方的IP地址和物理地址)，不是则不响应。

        主机B利用收到的ARP请求报文中的请求方物理地址，以单播的方式直接发送给主机A，主机A将收到的ARP应答报文中的目的MAC地址解析出来，将目的MAC地址和目的 P 地址更新至ARP缓存表中。当再次和主机A通信时，可以直接从ARP缓存表中获取，而不用重新发起ARP请求报文。ARP缓存表中的表项有过期时间(一般为20分钟)，过期之后，需要重新发起ARP请求以获取目的MAC地址。

        ARP数据位于以太网帧格式的数据段中。28字节的ARP数据位于以太网格式的数据段。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字节的数据，以满足以太网传输格式的要求，填充的数据可以为任意值，但一般为0。

• 硬件类型(Hardware type)：硬件地址的类型，1 表示以太网地址。
• 协议类型(Protocol type)：要映射的协议地址类型，ARP协议的上层协议为IP协议，因此该协议类型为IP协议，其值为0x0800。
• 硬件地址长度 (Hardware size)：硬件地址(MAC 地址)的长度，以字节为单位。对于以太网上 IP 地址的ARP请求或者应答来说，该值为6。
• 协议地址长度 (Protocol size)：IP地址的长度，以字节为单位。对于以太网上 P 地址的 ARP 请求或者应答来说，该值为4。
• OP(Opcode)：操作码，用于表示该数据包为ARP请求或者ARP应答。1表示ARP请求，2表示ARP应答。
• 源MAC地址：发送端的硬件地址。
• 源IP地址：发送端的协议(IP) 地址，如192.168.1.102。
• 目的MAC地址：接收端的硬件地址，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。

五、RGMII接口

        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。

        FPGA可以看成是MAC侧，接收或发送数据到PHY侧，PHY侧再通过网线接口和其他设备进行连接。PHY在发送数据的时候，接收MAC发过来的数据，把并行数据转化为串行流数据，按照物理层的编码规则把数据编码转换为模拟信号发送出去，收数据时的流程反之。

        MII (Media Independent Interface)为媒体独立接口，用以连接以太网MAC层和PHY芯片，常用接口有：MIIRMI、SMI、GMI、RGMII。

• MII (Medium Independent Interface，媒体独立接口)：MII支持10Mbps和100Mbps的操作，数据位宽为4位，在 100Mbps 传输速率下，时钟频率为25Mhz。
• RMII(Reduced MII)：RMII是MI的简化版，数据位宽为2位，在100Mbps传输速率下，时钟频率为50Mhz。
• GMII (Gigabit MII)：GMII接口向下兼容MII接口，支持10Mbps、100Mbps和1000Mbps的操作，数据位宽为8位，在1000Mbps传输速率下，时钟频率为125Mhz。
• RGMII (Reduced GMII)：RGMII是GMII的简化版，数据位宽为4位，在1000Mbps传输速率下，时钟频率为125Mhz，在时钟的上下沿同时采样数据。在100Mbps和10Mbps通信速率下，为单个时钟沿采样。

        在千兆以太网中，常用的接口为RGMI和GMII接口。RGMII接口的优势是同时适用于10M/100M/1000Mbps通信速率，同时占用的引脚数较少。但RGMII接口在PCB布线时需要尽可能对时钟、控制和数据线进行等长处理，且时序约束相对也更为严格。

参考文献：

《开拓者之FPGA开发指南》

《FPGA Verilog开发实战至指南》