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  • 基于FPGA的千兆以太网CMOS图像数据传输系统设计
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  • 2、以太网网络内部的数据传输,采用的 广播的方式进行数据传输。打个比方,老师在上课,想对小明进行私下通信,他的操作是怎么样的呢? 老师 先 叫 小明 (广播 -arp广播),因为,整个房间的人都会听到这个声音,...

    1、互联网是网络的网络,是网络之间相互连接起来的一个超级大网络。其中的小网络,大部分采取的就是这种 以太网 方式 组成的网络。

    2、以太网网络内部的数据传输,采用的 广播的方式进行数据传输。打个比方,老师在上课,想对小明进行私下通信,他的操作是怎么样的呢? 老师 先 叫 小明 (广播 -arp广播),因为,整个房间的人都会听到这个声音,只有小明一个人会起立。 老师,说你的手机号多少,小明单独回答(私下,不是广播,arp单播回复),然后老师用手机和小明通话(单独的一对一)。不是很严谨,差不多了。

    3、计算机网络里面。如果两个主机A和B要icmp一下,必须要相互知道mac地址。如果不知道的话,A必须先arp广播,得到B的mac地址(同时,将自己的mac地址告诉对方)。在得到对方mac的地址以后,再icmp。

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  • 本文设计方案的数据传输速率不仅达到系统传输速率要求61.44 Mbps的4倍,并且方案的接口灵活可变,能满足其他多种高速网络通信的需求。
  • 以太网传输数据格式

    2019-12-06 15:47:49
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  • 本文所设计的基于FPGA百兆以太网数据传输,是博主自己绘制pcb制作的百兆以太网模块,是通过一片 Realtek 的 RTL8201 以太网 PHY 提供对以太网连接的支持,RTL8201 是一片 10M/100M 自适应以太网收发器,提供 MII/SNI...

    文章部分内容参考了相关论坛中的内容:
    对文章中内容感兴趣或者有不懂的可以咨询QQ:2859340499

    B站对应讲解本文视频链接
    本文所设计的基于FPGA百兆以太网数据传输,是博主自己绘制pcb制作的百兆以太网模块,是通过一片 Realtek 的 RTL8201 以太网 PHY 提供对以太网连接的支持,RTL8201 是一片 10M/100M 自适应以太网收发器,提供 MII/SNI 接口的 MAC 连接。所设计的百兆以太网模块如下图所示:
    在这里插入图片描述
    原理图附上:
    在这里插入图片描述

    通过所设计的以太网电路,可以将 FPGA 采集或运算得到的数据传递给其他设备如 PC 或服务器,或者接收其他设备传输过来的数据并进行处理。

    下面介绍如何控制以太网模块并进行数据的传输(写程序了):

    控制以太网两种方式:
    (1)在Cyclone IV E 器件中,调用三速以太网 IP 核(MAC),实现完整的以太网连接。
    (2)用户使用 Verilog 编写的自定义用户逻辑来实现以太网连接。下图为 RTL8201 与 Cyclone IV E的连接关系。

    如下图所示为FPGA和百兆以太网的连接图(参照网上图片):
    在这里插入图片描述
    协议
    对于以太网有了解的肯定知道使用以太网需要协议支撑,最常听说的是 TCP/IP 协议,在 电脑端TCP/IP 协议应用非常广泛。但是 FPGA 控制以太网接口时,使用 TCP/IP 协议也是可以的,但是,直接使用 Verilog 编写协议层代码来实现却是十分困难的(可以通过SOPC技术实现)。所以大部分使用 Verilog实现以太网传输都是基于常简单的 UDP 协议的。
    基于FPGA使用UDP协议来控制以太网比较简单,所以本文所设计的数据传输是以太网基于UDP协议的。下面简单介绍一下UDP协议,UDP协议与TCP协议一样用于处理数据包,在OSI模型中,两者都位于传输层,处于IP协议的上一层。(UDP的解释有很多,这里就不做详细解释了,如果感兴趣的话可以百度就行)。
    当然使用以太网不止只需要知道UDP就可以了,还需要了解CRC校验,ARP等一系列知识,这里就不展开介绍了,可以联系博主分享资料。

    挑重点的说,本文主要是让大家明白FPGA使用以太网的过程,所以本次设计的程序是-------------:
    设计实例: UDP 数据报发送实验
    关于用户数据、UDP、IP、MAC 四个报文的关系(参考网上小梅哥):
    用户数据是打包在 UDP 协议中、UDP 协议又是基于 IP 协议之上的,IP 协议又是走MAC 层发送的,即从包含关系来说:MAC 帧中的数据段为 IP 数据报,IP 报文中的数据段为 UDP 报文,UDP 报文中的数据段为用户希望传输的数据内容,如“hello world!”。下图为使用 UDP 协议发送“hello world!”的数据层层打包示意图:
    在这里插入图片描述
    即使用 UDP 协议发送“hello world!”,按照以下顺序进行:

    1. 将“hello world!”内容打包进 UDP 数据报
    2. 将 UDP 协议打包成 IP 数据报
    3. 将 IP 数据报送入以太网帧发送单元(MAC 层),组织成标准 MAC 帧后发送。

    根据以上的每一个层之间的层层嵌套就可以编写程序了(程序具体怎么编写这里就不细致展开了,可以联系博主),本次程序是AD模块(点击这里)采集到的数据传输给FPGA,其中程序的RTL视图如图所示:
    在这里插入图片描述
    FPGA将数据通过百兆以太网传输到电脑的上位机中(wireshark):
    在这里插入图片描述
    并且也可以自己编写上位机,利用上位机来进行数据的显示,进行数据的实时传输。
    关于以太网就先说这么多,以太网的各种知识很多,已经将博主设计的以太网硬件电路pcb文件,程序,说明文档等打包好,有兴趣的可以联系博主分享,这里是以太网,如果对USB数据传输感兴趣的可以点击这里:USB2.0高速数据传输

    如果对文章中内容有不懂的,文中涉及的软件等,欢迎骚扰,或者对博主设计的USB2.0电路图以及程序等所有资料,可以联系博主QQ分享(所有的软件固件,说明文档,程序,模块pcb文件):2859340499.

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    首先我们来回顾一下路由的基本概念,什么是路由?所谓路由就是当一台路由器(或其他三层设备)收到一个IP数据包时,路由器查看IP数据包的IP头部,将IP头部中的目的IP地址拿到路由表中进行查找,找到匹配的条目后,依照条目所指示的下一跳IP地址及出接口信息将数据包进行转发。

    从上面的描述我们可以看出几点信息:

    1. 路由是基于数据包的IP头部中的目的IP地址进行查找的;
    2. 查找的是路由表。 那么什么是以太网二层交换(switching)呢?

    为了将内网中的多台PC互联起来,使得PC之间能够以最简单的方式进行通信,我们往往会用一台接入层的交换机来连接PC,如下图:

     

    以太网数据传输原理是这样的,值得收藏

     

    这时候我们说,连接在这台交换机上的PC,都属于一个LAN。这些PC都拥有同一个网段的IP地址,同时也处于同一个广播域中,所谓的一个广播域,指的是一个广播数据帧所能泛洪的范围,举个简单的例子,那就是PC1发送一个广播帧,接在交换机上的所有的PC都会收到这个广播数据帧并且都要去分析这个报文(即使它可能并不需要这个数据并且最终将收到的数据帧丢弃,但check数据是否是发送给自己的这一过程仍然会消耗设备资源)。

    现在我们来分析一下,PC1发送一个数据包给PC4时,都发生了什么。

    1.PC1构造IP数据包,IP报文头部里的源IP地址为自己的IP也就是IP1,目的IP地址为IP2。

     

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    上述IP数据包为了能够在以太网环境中去传输,还需要封装上一个以太网的头部。在以太网头部中源MAC地址为MAC1,目的MAC地址为MAC2(这里我们暂且忽略ARP的过程)。

    2.这个数据帧发送到了PC1所连接的交换机上。我们知道路由器都维护一张路由表,用于数据的转发,而交换机在做数据交换的时候依据的是MAC地址表。在初始情况下,交换机的MAC表是空的。那么当交换机收到PC-A发送出来的这个数据帧时,它首先将数据帧的以太网头部中的源MAC地址学习到MAC地址表,并与收到该数据帧的接口及VLAN进行关联。如下图:

     

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    3.接下去交换机会拿着这个数据帧的以太网头部中目的MAC地址,到MAC地址表中去查询。由于此时MAC地址表中,并没有匹配MAC2这个地址的条目,因此交换机将对这个数据帧进行泛洪Flooding,所谓泛洪就是将这个数据帧从除了收到它的接口之外的所有其他接口都发一份拷贝。这样做的目的事实上是:“哥不知道你在哪,哥索性就全都发一份,爱谁谁”。

     

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    4.连接在该台交换机上的其他PC都能收到这个数据帧,但是除了PC2之外的其他PC在收到这个数据帧之后,将bit流成帧并查看以太网头部的目的MAC,发现该MAC与本机的MAC并不一致,因此判断这个数据帧并非发送给自己,于是丢弃。

    而PC2在收到这个数据帧并查看目的MAC发现,这个数据帧的目的MAC与自己的MAC是相同的,因此判断这个数据帧是发送给自己的,于是进行CRC校验,校验成功后将以太网头部解封装,将内层的IP数据将给IP协议栈去处理,进一步查看IP头部,发现IP头部中的目的IP地址就是本机的IP,于是将IP头部解封装,将内层的payload将给上层协议处理。如此一来PC1发送给PC2的数据就完成了单向的传输。对于交换机而言,MAC地址表里就有了一个条目。

    现在,PC2要回送数据给PC1,数据的构造如下图所示:

     

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    5.交换机在收到这个数据帧后,首先是查看数据帧以太网头部的源MAC地址,将该MAC地址学习到MAC地址表中,并关联到接收该数据帧的接口24。

    6.接下去交换机拿着数据帧以太网头部中的目的MAC到自己的MAC地址表里去查,结果发现MAC1这个目的MAC地址在MAC地址表中是有一条匹配表项的,并且关联到接口1,于是交换机将这个数据帧交换到接口1。这就是所谓的交换(switching)。

     

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    这个数据帧最终被PC-A接收到,这就完成了一个在以太网环境中的数据交互过程。

    小结一下:所谓的以太网环境中的二层交换(lay2-switching),就是指的当一台二层交换机收到一个数据帧时,分析数据帧头部的目的MAC地址,拿着MAC地址去MAC地址表中进行查找,如果有匹配项,则将数据帧从该匹配项所关联的接口换出去,如果没有匹配项,则将数据帧进行泛洪。所以:以太网二层交换是基于数据帧的帧头中的目的MAC地址进行查找的;

    查找的是MAC地址表。

     

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空空如也

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以太网中需要传输的数据必须