基于GigE協(xié)議的FPGA網(wǎng)絡(luò)報(bào)文解析電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/劉?！∫τ?/p>

1　引言

當(dāng)前GigE協(xié)議主要是作為一種基于UDP協(xié)議的傳輸標(biāo)準(zhǔn)向PC機(jī)傳輸圖像，它由GVSP協(xié)議和GVCP協(xié)議兩大協(xié)議構(gòu)成，它們的作用分別是傳輸數(shù)據(jù)流和獲取控制指令等信息。為了使該協(xié)議的圖像傳輸系統(tǒng)在局域網(wǎng)內(nèi)定點(diǎn)傳輸，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)報(bào)文解析電路，使設(shè)備可以獲取主機(jī)的物理地址，申請(qǐng)本地IP地址，解析出GVCP報(bào)文以及為上位機(jī)提供PING服務(wù)。本文的設(shè)計(jì)在硬件FPGA（EP4CE15F22C8N）、千兆網(wǎng)口（RTL8211EG）和軟件小兵以太網(wǎng)測(cè)試儀、WIRESHARK抓包軟件、以及SIGNALTAP環(huán)境中通過(guò)了測(cè)試。

2　原理和方法

2.1　GigE協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)解析電路需求分析

根據(jù)UDP協(xié)議，已知目的主機(jī)IP地址，數(shù)據(jù)流要能在局域網(wǎng)內(nèi)傳輸，還必須獲取目的主機(jī)的物理地址，并且向服務(wù)器申請(qǐng)本地IP地址；而本地的物理地址可以在調(diào)用三速以太網(wǎng)MAC ip核時(shí)，通過(guò)接口配置本地物理地址。要實(shí)現(xiàn)以上功能必須用到ARP、DHCP以及ICMP協(xié)議。數(shù)據(jù)流中的其它協(xié)議頭信息則通過(guò)GVCP報(bào)文解析模塊從GVCP報(bào)文中提取后配置，gvsp數(shù)據(jù)流報(bào)文的信息要素來(lái)源示意圖，如圖1所示。

圖1：gvsp 數(shù)據(jù)流報(bào)文的信息要素來(lái)源示意圖

ARP與IP是搭載以太網(wǎng)幀的鏈路層協(xié)議；ICMP與UDP是基于IP的協(xié)議。而GVCP和DHCP是基于UDP的協(xié)議。以上三組協(xié)議在層次上是平行關(guān)系，可用代號(hào)區(qū)分。根據(jù)以上分析得出協(xié)議層次的框架，如圖2所示。

圖2：GigE協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模塊層次

圖3：ARP請(qǐng)求、應(yīng)答、確認(rèn)報(bào)文通信過(guò)程

圖4：DHCP協(xié)議報(bào)文通信過(guò)程

圖5：FPGA獲取物理地址和本地IP地址

2.2　ARP_IP識(shí)別模塊

本模塊接收MAC ip核的數(shù)據(jù)，報(bào)文必須與本地物理地址匹配或者是廣播報(bào)文才有效，ARP或IP報(bào)文根據(jù)協(xié)議代號(hào)區(qū)分，打上包頭包尾標(biāo)識(shí)傳至下游模塊。

2.3　ARP協(xié)議解析

ARP是根據(jù)IP地址獲取物理地址的協(xié)議。首先本模塊發(fā)送包含IP地址的ARP請(qǐng)求廣播報(bào)文到網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)，等待接收應(yīng)答報(bào)文。含有該IP地址的主機(jī)在接收到請(qǐng)求報(bào)文后，發(fā)出攜帶著該主機(jī)的物理地址的ARP應(yīng)答報(bào)文，本模塊接收此報(bào)文后提取物理地址，用于配置GVSP數(shù)據(jù)流，并再次發(fā)送一個(gè)單播確認(rèn)報(bào)文。

2.4　IP識(shí)別模塊

本模塊區(qū)分ICMP和UDP報(bào)文，同時(shí)檢查以下四項(xiàng)是否符合，如果不符則報(bào)文無(wú)效：IP首部格式；目的IP與本機(jī)是否相同；檢查首部檢驗(yàn)和；提取出總長(zhǎng)度并核對(duì)包文長(zhǎng)度是否正確。

2.5　ICMP協(xié)議模塊

選擇實(shí)現(xiàn)ICMP協(xié)議中的Ping命令，用于探測(cè)本地設(shè)備是否暢通。

2.6　UDP識(shí)別模塊

本模塊識(shí)別GVCP報(bào)文和DHCP報(bào)文，檢查UDP的校驗(yàn)和；若源端口號(hào)為68，目的端口號(hào)為67，將報(bào)文送到DHCP解析模塊。

如果端口號(hào)不是上述值，去掉UDP首部將其送到下游模塊；提取包文的源端口和目的端口號(hào)；檢查檢驗(yàn)和，如果檢驗(yàn)和錯(cuò)誤。在報(bào)文尾處打上錯(cuò)誤標(biāo)志。

2.7　DHCP協(xié)議解析

簡(jiǎn)化申請(qǐng)IP地址的流程，分解為以下步驟：首先發(fā)送discovery報(bào)文，等待接收offer報(bào)文，提取IP地址后，向DHCP服務(wù)器發(fā)出request報(bào)文請(qǐng)求使用該IP，DHCP服務(wù)器認(rèn)為可以使用則發(fā)出ack報(bào)文，否則發(fā)出nack報(bào)文。除此之外，根據(jù)工程需要提取出DHCP報(bào)文的子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)以及租約等信息。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用小兵以太網(wǎng)測(cè)試儀編輯服務(wù)器或上位機(jī)向設(shè)備發(fā)送的報(bào)文，在軟件WIRESHARK上抓取報(bào)文，觀察報(bào)文通信往返情況；用SIGNALTAP查看FPGA對(duì)報(bào)文信息的提取。預(yù)先設(shè)定本地物理地址48‘h987654321012，目的IP地址32‘h12345678。

3.1　ARP協(xié)議測(cè)試

如圖3所示。

3.2　DHCP協(xié)議測(cè)試

如圖4、圖5所示。

4　結(jié)論

針對(duì)GigE協(xié)議中圖像在局域網(wǎng)內(nèi)靈活傳輸?shù)膽?yīng)用需求設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)報(bào)文解析模塊電路，能夠準(zhǔn)確獲取對(duì)方主機(jī)的物理地址，并申請(qǐng)本地IP地址。應(yīng)用本文的設(shè)計(jì)可以將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，利用其強(qiáng)大的運(yùn)算能力，得出運(yùn)算結(jié)果返回設(shè)備；并且可以同時(shí)擴(kuò)展多部相機(jī)設(shè)備?；诒静糠蛛娐愤€可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單易用的功能模塊電路IP核，只需輸入圖像數(shù)據(jù)，其它協(xié)議信息頭，如UDP協(xié)議或GigE協(xié)議的信息頭由IP核添加，使得圖像在局域網(wǎng)內(nèi)傳輸。