基于FPGA 的UDP＿IP 協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

商艷娟， 徐卓汀， 王成群

（浙江理工大學(xué)信息學(xué)院， 杭州 310018）

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，為大量數(shù)據(jù)的傳輸提供了可能［1］。 總線按照傳輸數(shù)據(jù)的方式可以分為串行總線和并行總線。 并行總線控制復(fù)雜，傳輸距離有限，串行總線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是傳輸速率低［2］。以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展克服了總線傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，接口速度快，傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)，在復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)中受到廣泛應(yīng)用［3］。 傳統(tǒng)的以太網(wǎng)在主控芯片內(nèi)部編寫(xiě)以太網(wǎng)協(xié)議或者使用嵌入式處理器運(yùn)行操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)下完成協(xié)議的通信［4］。 使用主控芯片和嵌入式處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信協(xié)議無(wú)法保證較高的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和確定性。 使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，因?yàn)橥ㄟ^(guò)硬件固化協(xié)議的處理邏輯，可以有效地提高數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能，F(xiàn)PGA 芯片與物理層（PHY，Physical）芯片相連，連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)與大量的外圍控制電路，可移植性強(qiáng)，系統(tǒng)集成度高［5］。 基于綜上的一些研究，本文設(shè)計(jì)了一款UDP＿IP 協(xié)議棧，將其移植到FPGA 芯片中，使用以太網(wǎng)線將包含F(xiàn)PGA 芯片和PHY 芯片的電路板與電腦相連，完成數(shù)據(jù)的傳輸。 本設(shè)計(jì)具有以下功能：

（1）實(shí)現(xiàn)ARP 請(qǐng)求和應(yīng)答報(bào)文的發(fā)送，完成IP地址和MAC 地址的映射；

（2）支持ICMP 報(bào)文的ping 操作；

（3）實(shí)現(xiàn)UDP 回環(huán)通信。

1 UDP＿IP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和功能

UDP＿IP 協(xié)議棧模型是將開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型（Open System Interconnection Reference Model， OSI）7 層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成4 層，從上往下分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)絡(luò)接口層，如圖1 所示。應(yīng)用層支持SMTP、HTTP、TFTP 等協(xié)議傳輸［6］；傳輸層包含TCP 協(xié)議和UDP 協(xié)議，TCP 協(xié)議是一種基于3 次握手機(jī)制的可靠傳輸協(xié)議，UDP 是一種不可靠的傳輸協(xié)議，該協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適用于低時(shí)延、數(shù)據(jù)量大的快速傳輸場(chǎng)景；網(wǎng)絡(luò)層可以實(shí)現(xiàn)IP 協(xié)議、ICMP 協(xié)議通信，IP 協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)報(bào)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送出去，ICMP 協(xié)議主要是采用錯(cuò)誤偵測(cè)和回饋機(jī)制，為通信環(huán)境提供可能發(fā)生的問(wèn)題反饋信息；網(wǎng)絡(luò)接口層支持ARP 協(xié)議傳輸，將已知的IP 地址解析成MAC 地址，使得交換機(jī)可以通過(guò)MAC 地址進(jìn)行相應(yīng)的通信。 本文設(shè)計(jì)的UDP＿IP 協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)ARP 請(qǐng)求、ARP 響應(yīng)、ICMP 響應(yīng)、UDP 回環(huán)多種協(xié)議傳輸。

圖1 UDP＿IP 協(xié)議棧參考模型Fig. 1 UDP＿IP protocol stack model

2 UDP＿IP 協(xié)議棧設(shè)計(jì)

本文采用模塊化的思想設(shè)計(jì)UDP＿IP 協(xié)議棧，整個(gè)UDP＿IP 協(xié)議棧由6 個(gè)模塊組成，分別是MAC數(shù)據(jù)解析模塊、IP 數(shù)據(jù)解析模塊、ARP 處理模塊、ICMP 處理模塊、UDP 處理模塊、MAC 數(shù)據(jù)封裝模塊，UDP＿IP 協(xié)議?？傮w架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 UDP＿IP 協(xié)議棧總體架構(gòu)Fig. 2 Overall architecture of the UDP＿IP protocol stack

2.1 MAC 數(shù)據(jù)解析模塊設(shè)計(jì)

MAC 數(shù)據(jù)解析模塊的作用是分離出ARP 報(bào)文和IP 報(bào)文，在這個(gè)模塊中使用異步先入先出隊(duì)列（First Input First Output， FIFO）進(jìn)行數(shù)據(jù)的跨時(shí)鐘域處理，MAC 數(shù)據(jù)解析模塊處理報(bào)文的流程圖如圖3 所示。 首先，調(diào)用異步FIFO 的IP 核，將接收的數(shù)據(jù)以及接收使能信號(hào)全部緩存進(jìn)FIFO 中；根據(jù)FIFO 中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)產(chǎn)生FIFO 讀使能信號(hào)，將數(shù)據(jù)和接收使能信號(hào)讀出；根據(jù)讀出的使能信號(hào)驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到相應(yīng)的值時(shí)，解析在該值處接收的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)即是以太網(wǎng)協(xié)議類(lèi)型；判斷協(xié)議的類(lèi)型是否為IP 或ARP 協(xié)議類(lèi)型，如果不是，直接丟棄該數(shù)據(jù)幀，如果類(lèi)型值為0x0800，則判斷該報(bào)文屬于IP 報(bào)文，如果類(lèi)型值為0x0806，則該報(bào)文屬于ARP 報(bào)文，根據(jù)不同類(lèi)型報(bào)文的判斷結(jié)果，將數(shù)據(jù)送入不同的后級(jí)模塊。

圖3 MAC 數(shù)據(jù)解析模塊流程圖Fig. 3 Flow chart of the MAC data parsing module

2.2 ARP 處理模塊設(shè)計(jì)

ARP 處理模塊的主要功能是對(duì)接收的ARP 報(bào)文進(jìn)行分析，更新ARP 緩存表，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4 所示。 當(dāng)上級(jí)MAC 數(shù)據(jù)解析模塊將ARP 報(bào)文發(fā)送到ARP 處理模塊后，對(duì)ARP 接收?qǐng)?bào)文進(jìn)行解析，得到ARP 報(bào)文中的操作碼、發(fā)送方IP 地址、發(fā)送方MAC 地址、接收方IP 地址。 當(dāng)接收的操作碼為1，同時(shí)報(bào)文中的目的IP 等于本地設(shè)置的IP，說(shuō)明接收的是ARP 請(qǐng)求報(bào)文，將該報(bào)文中的發(fā)送方IP 地址和MAC 地址寄存，用作ARP 緩存列表的更新值，同時(shí)還用于發(fā)送ARP 應(yīng)答報(bào)文中目的IP 地址和目的MAC 地址。 當(dāng)接收的操作碼為2，同時(shí)報(bào)文中的目的IP 等于本地設(shè)置的IP，判斷接收的是ARP 應(yīng)答報(bào)文，應(yīng)答報(bào)文只需將報(bào)文中發(fā)送方IP 地址和MAC 地址寄存，用來(lái)ARP 緩存列表信息的更新。圖4 虛線部分實(shí)現(xiàn)了ARP 列表的更新，本設(shè)計(jì)定義了一個(gè)數(shù)組存儲(chǔ)ARP 信息，每當(dāng)接收一個(gè)ARP 請(qǐng)求或者是ARP 應(yīng)答報(bào)文時(shí)，定義的數(shù)組單元會(huì)更新IP 地址和MAC 地址，每8 條ARP 緩存滿時(shí)，會(huì)自動(dòng)覆蓋之前的信息，進(jìn)行下一輪的更新。 另外，本設(shè)計(jì)還自定義了一個(gè)固定的目的IP 地址，協(xié)議棧會(huì)自動(dòng)地向這個(gè)自定義的目的IP 地址主機(jī)定時(shí)發(fā)送ARP請(qǐng)求報(bào)文。

圖4 ARP 處理模塊流程圖Fig. 4 Flow chart of ARP processing module

2.3 IP 數(shù)據(jù)解析模塊設(shè)計(jì)

IP 數(shù)據(jù)解析模塊有兩個(gè)作用：將UDP 報(bào)文和ICMP 報(bào)文分離；進(jìn)行IP 層校驗(yàn)和計(jì)算，檢測(cè)接收?qǐng)?bào)文的IP 層是否正確，IP 數(shù)據(jù)解析模塊流程圖如圖5所示。 由MAC 分離出的IP 報(bào)文被送入IP 數(shù)據(jù)解析模塊，對(duì)IP 報(bào)文的頭部進(jìn)行解析，得到上層協(xié)議類(lèi)型，目的IP 地址。 在報(bào)文解析的同時(shí)，對(duì)IP 的報(bào)頭信息進(jìn)行校驗(yàn)和計(jì)算，得到的正確值為16’hffff，如果校驗(yàn)和的計(jì)算不是該值，說(shuō)明接收到的IP 報(bào)文是錯(cuò)誤的，丟棄該報(bào)文。 根據(jù)報(bào)文解析的上層協(xié)議類(lèi)型、目的IP 地址、IP 校驗(yàn)和來(lái)判斷該報(bào)文是UDP報(bào)文還是ICMP 報(bào)文，將不同類(lèi)型的報(bào)文數(shù)據(jù)使用存儲(chǔ)器寄存，傳輸?shù)浇酉聛?lái)的ICMP 處理模塊或者是UDP 處理模塊。

圖5 IP 數(shù)據(jù)解析模塊流程圖Fig. 5 Flow chart of IP data analysis module

2.4 ICMP 處理模塊設(shè)計(jì)

ICMP 處理模塊能夠?qū)CMP 請(qǐng)求報(bào)文作出響應(yīng)，同時(shí)將接收的ICMP 報(bào)文數(shù)據(jù)部分緩存，然后轉(zhuǎn)發(fā)。 在該模塊中整個(gè)報(bào)文的處理過(guò)程經(jīng)歷3 個(gè)不同的狀態(tài)，如圖6 所示。 當(dāng)IP 數(shù)據(jù)解析模塊沒(méi)有發(fā)送任何數(shù)據(jù)給ICMP 處理模塊時(shí)，該模塊一直處于空閑狀態(tài)，一旦接收到上級(jí)模塊發(fā)送ICMP 報(bào)文，ICMP 報(bào)文接收開(kāi)始使能信號(hào)跳變?yōu)楦唠娖?，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到接收狀態(tài)；接收狀態(tài)下，對(duì)接收的ICMP 報(bào)文進(jìn)行解析，得到ICMP 報(bào)文的類(lèi)型和代碼值分別為0x08 和0x00，則接收的是ICMP 請(qǐng)求報(bào)文，直到ICMP 報(bào)文接收結(jié)束使能信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到發(fā)送狀態(tài)，如果接收的是ICMP 應(yīng)答報(bào)文時(shí)，狀態(tài)一直保持接收狀態(tài)；接收狀態(tài)下，另一個(gè)操作是使用同步隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）存儲(chǔ)報(bào)文，等到發(fā)送狀態(tài)下取出報(bào)文數(shù)據(jù)部分內(nèi)容，發(fā)送回電腦。 等到發(fā)送的數(shù)據(jù)正好等于接收的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí)，ICMP 報(bào)文發(fā)送結(jié)束信號(hào)跳變?yōu)楦唠娖?，由發(fā)送狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)，等待IP 數(shù)據(jù)解析模塊發(fā)送下一個(gè)ICMP 報(bào)文。

圖6 ICMP 處理模塊狀態(tài)機(jī)圖Fig. 6 State of ICMP processing module

2.5 UDP 處理模塊設(shè)計(jì)

UDP 處理模塊完成UDP 報(bào)文的解析并且為發(fā)送UDP 回包封裝UDP 首部信息，整個(gè)UDP 處理模塊狀態(tài)跳轉(zhuǎn)如圖7 所示。 首先，如果IP 數(shù)據(jù)解析模塊沒(méi)有發(fā)送任何UDP 報(bào)文，狀態(tài)機(jī)一直會(huì)處于空閑狀態(tài)，直到接收到有效的UDP 報(bào)文，UDP 報(bào)文接收開(kāi)始使能信號(hào)跳為高電平，狀態(tài)機(jī)隨后跳轉(zhuǎn)到接收狀態(tài)；等到所有數(shù)據(jù)報(bào)文接收完成后，UDP 報(bào)文接收結(jié)束使能信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑瑺顟B(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到計(jì)算UDP 校驗(yàn)和狀態(tài)，等到校驗(yàn)和的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到9時(shí)，狀態(tài)會(huì)跳轉(zhuǎn)到發(fā)送狀態(tài)；當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度正好等于接收的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí)，UDP 報(bào)文發(fā)送結(jié)束使能信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，表示發(fā)送完成，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)，等待IP 數(shù)據(jù)解析模塊傳輸下一個(gè)UDP 報(bào)文數(shù)據(jù)。 在整個(gè)狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)處于接收狀態(tài)時(shí)，解析UDP 報(bào)文，得到目的端口號(hào)、源端口號(hào)、UDP 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、發(fā)送方IP 地址，為UDP 回環(huán)的實(shí)現(xiàn)提供目的端口號(hào)和源端口號(hào)。 數(shù)據(jù)需要返回給發(fā)送端，必須將接收的UDP 數(shù)據(jù)緩存下來(lái)，調(diào)用一個(gè)同步RAM 的IP 核進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩存。 在UDP 報(bào)頭校驗(yàn)和計(jì)算狀態(tài)下，計(jì)算校驗(yàn)和為發(fā)送UDP 回包提供正確的UDP 校驗(yàn)和。

圖7 UDP 處理模塊狀態(tài)機(jī)Fig. 7 State of UDP processing module

2.6 MAC 數(shù)據(jù)封裝模塊設(shè)計(jì)

ARP 處理模塊提取的目的IP 和目的MAC 地址，ICMP 處理模塊重新打包的ICMP 應(yīng)答報(bào)文以及UDP 處理模塊重新封裝的UDP 報(bào)文都傳入MAC數(shù)據(jù)封裝模塊合流。 具體選擇返回哪一種協(xié)議報(bào)文在MAC 數(shù)據(jù)封裝模塊需要進(jìn)行仲裁，具體的MAC數(shù)據(jù)封裝模塊流程圖如圖8 所示。 首先，判斷發(fā)送使能信號(hào)，如果是ARP 報(bào)文發(fā)送使能信號(hào)，還需要判斷發(fā)送的是ARP 應(yīng)答報(bào)文還是ARP 請(qǐng)求報(bào)文。如果ARP 應(yīng)答報(bào)文發(fā)送使能信號(hào)為高電平，按照ARP 數(shù)據(jù)格式組幀整個(gè)ARP 報(bào)文內(nèi)容；如果是ARP 請(qǐng)求發(fā)送使能信號(hào)為高電平，依照同樣的組幀方式設(shè)置ARP 請(qǐng)求報(bào)文內(nèi)容，傳輸?shù)組AC 數(shù)據(jù)封裝模塊。 ARP 報(bào)文前面再封裝以太網(wǎng)首部信息，最終發(fā)送給目標(biāo)主機(jī)。 如果判斷是IP 報(bào)文發(fā)送使能信號(hào)為高電平，根據(jù)發(fā)送的上層協(xié)議類(lèi)型，得到發(fā)送的報(bào)文是ICMP 報(bào)文還是UDP 報(bào)文，如果協(xié)議類(lèi)型是0x11，則表示發(fā)送UDP 報(bào)文，將UDP 處理模塊傳輸過(guò)來(lái)的內(nèi)容作為整個(gè)以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)部分，如果協(xié)議類(lèi)型是0x01，則表示發(fā)送ICMP 報(bào)文，將ICMP處理模塊傳輸過(guò)來(lái)的內(nèi)容作為整個(gè)以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)部分。 以太網(wǎng)幀其他部分使用以太網(wǎng)首部以及IP首部信息填充。 數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議幀封裝完成后，可以將這些數(shù)據(jù)直接傳輸給MAC 接口，MAC將這些數(shù)據(jù)傳回給發(fā)送端。

圖8 MAC 數(shù)據(jù)封裝模塊流程圖Fig. 8 Flow chart of MAC data encapsulation module

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)在Quartus II 13.0 軟件中使用Verilog 語(yǔ)言編寫(xiě)整個(gè)UDP 協(xié)議棧代碼，設(shè)計(jì)完成后使用modelsim 仿真軟件對(duì)整個(gè)UDP＿IP 協(xié)議棧進(jìn)行功能驗(yàn)證。 ICMP 請(qǐng)求報(bào)文和應(yīng)答報(bào)文的仿真時(shí)序圖如圖9 和圖10 所示。 從圖9 可以看到兩個(gè)報(bào)文發(fā)送的以太網(wǎng)協(xié)議類(lèi)型都是0x0800， ICMP 報(bào)文的首部符合協(xié)議數(shù)據(jù)的設(shè)定值，接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)是相同的，報(bào)文的結(jié)尾都是使用FCS 校驗(yàn)碼封裝，驗(yàn)證了本協(xié)議?？梢哉_接收ICMP 請(qǐng)求報(bào)文和發(fā)送ICMP 應(yīng)答報(bào)文；此外，關(guān)于ARP 協(xié)議和UDP 協(xié)議的接收和發(fā)送功能仿真驗(yàn)證也是正確的。

圖9 ICMP 請(qǐng)求報(bào)文接收?qǐng)DFig. 9 ICMP reception diagram

圖10 ICMP 應(yīng)答報(bào)文發(fā)送圖Fig. 10 ICMP message sending diagram

仿真驗(yàn)證后進(jìn)行板級(jí)驗(yàn)證，使用Cyclone IV 系列FPGA 芯片電路板。 通過(guò)電腦發(fā)送不同的協(xié)議報(bào)文，然后使用wireshark 軟件抓取電腦發(fā)送的報(bào)文以及接收的報(bào)文，驗(yàn)證UDP＿IP 協(xié)議棧設(shè)計(jì)的功能。當(dāng)使用小兵以太網(wǎng)發(fā)送ARP 請(qǐng)求報(bào)文和ARP 應(yīng)答報(bào)文時(shí)，ARP 報(bào)文測(cè)試結(jié)果如圖11 所示。 電腦每發(fā)送一個(gè)ARP 廣播報(bào)文，板子會(huì)返回一個(gè)ARP 應(yīng)答報(bào)文給電腦。 當(dāng)電腦發(fā)送ARP 應(yīng)答報(bào)文給板子時(shí)，板子不會(huì)立即返回請(qǐng)求報(bào)文，但是本設(shè)計(jì)設(shè)置了一個(gè)電腦IP 地址存儲(chǔ)在ARP 處理模塊，會(huì)定時(shí)發(fā)送ARP 請(qǐng)求報(bào)文給電腦。 使用ping 命令后，ICMP報(bào)文測(cè)試結(jié)果圖如圖12 所示，可以看到當(dāng)發(fā)送一個(gè)ICMP 請(qǐng)求報(bào)文，會(huì)傳回一個(gè)ICMP 應(yīng)答報(bào)文。 接收?qǐng)?bào)文數(shù)據(jù)和發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)內(nèi)容完全相同，證明了接收的數(shù)據(jù)在協(xié)議棧中能夠正確緩存并轉(zhuǎn)發(fā)。

圖11 ARP 報(bào)文測(cè)試結(jié)果圖Fig. 11 ARP packet test result

圖12 ICMP 報(bào)文測(cè)試結(jié)果圖Fig. 12 ICMP packet test result diagram

為了評(píng)估本設(shè)計(jì)UDP＿IP 協(xié)議棧發(fā)送UDP 回環(huán)報(bào)文的性能，使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手每1 ms 發(fā)送一次UDP 報(bào)文，測(cè)試的結(jié)果如圖13 所示。 發(fā)送UDP 報(bào)文次數(shù)達(dá)到10 萬(wàn)次，每一次的發(fā)送都能正確接收，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的UDP＿IP 協(xié)議棧具有可靠穩(wěn)定的傳輸性能，傳回電腦的數(shù)據(jù)與電腦發(fā)送出去的數(shù)據(jù)是完全一致的，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)能夠在該協(xié)議棧內(nèi)完成正確的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。

圖13 UDP 報(bào)文測(cè)試結(jié)果圖Fig. 13 UDP packet test result diagram

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA 的UDP＿IP 協(xié)議棧，ICMP 報(bào)文和UDP 報(bào)文數(shù)據(jù)部分在該協(xié)議棧內(nèi)完成了正確的緩存和轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)發(fā)送ARP 報(bào)文時(shí)，在該協(xié)議棧內(nèi)能夠及時(shí)進(jìn)行ARP 列表的更新。 本設(shè)計(jì)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，為高速以太網(wǎng)通信提供了一個(gè)很好的解決方案，有著廣泛的應(yīng)用前景。