基于FPGA的TCP IP协议设计与实现
基于TCPIP的网络聊天工具的设计与实现—毕业设计论文
基于TCPIP的网络聊天工具的设计与实现—毕业设计论文本章将介绍网络聊天工具的背景和意义，并概述论文的研究目的和方法。
网络聊天工具是一种实时通信工具，通过互联网连接用户，使得用户可以在不同地点进行文字、语音和视频的交流。
随着互联网的发展和智能手机的普及，网络聊天工具变得越来越重要。
它不仅改变了人们的交流方式，也改变了社交模式。
本论文的研究目的是设计和实现一种基于TCPIP协议的网络聊天工具。
TCPIP协议是互联网的基础协议之一，广泛应用于数据传输和通信。
通过基于TCPIP协议的设计，我们可以实现一个高效、稳定和安全的网络聊天工具。
论文的研究方法主要包括以下几个步骤：确定网络聊天工具的功能需求：分析用户对网络聊天工具的需求，包括文字、语音和视频交流等功能。
设计系统架构：根据功能需求，设计网络聊天工具的系统架构，包括客户端和服务器端的设计。
编码实现：根据系统架构，使用合适的编程语言和工具，进行网络聊天工具的编码实现。
测试和优化：对已实现的网络聊天工具进行测试，发现和修复潜在的问题，并对系统进行优化以提高性能和用户体验。
结果分析和总结：对网络聊天工具的设计与实现进行结果分析和总结，评估系统的优劣，并提出改进建议。
通过本论文的研究，我们将为用户提供一种高效、稳定和安全的网络聊天工具，满足用户对实时通信的需求，推动互联网通信技术的发展。
参考文献1参考文献2参考文献3网络聊天工具在现实生活和工作中的需求十分广泛。
它可以作为人们交流的重要工具，方便快捷地实现文字、语音和视频的沟通。
在进行需求分析时，我们需要深入调研和整理用户需求，以确保设计出一款满足用户期望的网络聊天工具。
一、现实生活中的需求社交需求：人们希望通过网络聊天工具与朋友、家人和同事保持联系，分享生活中的点滴，交流情感和心情。
商务需求：职场人士需要网络聊天工具来便捷地与同事、合作伙伴和客户进行沟通，共享文件、讨论项目进展等。
二、工作中的需求团队协作：团队成员需要网络聊天工具来实现实时的沟通与协作，提高工作效率。
基于tcp协议通信系统的设计与实现
基于TCP协议通信系统的设计与实现杨秀森（贵州师范大学机电学院电气工程及其自动化学号：0914********）摘要：通信协议（communications protocol）是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。
协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义，连接方式，信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。
通信的底层通信是通过SOCKET套接字接口实现的。
当前的主流UNIX系统和微软的WINDOWS系统都在内核提供了对SOCKET字接口的支持。
使用这个统一的接口，可以编写一个可移植的TCP通信程序。
本文设计并实现了基于局域网内的简单即时通信系统，系统采用C/S模式，底层通信通过SOCKET套接字接口实现，服务器负责客户端的登录验证，好友信息的保存和心跳报文的发送。
客户端采用P2P方式实现消息传递，并能实现文件的传输。
本文首先讨论了同步套接字，异步套接字，多线程并发执行任务等；然后阐述了客户端、服务器如何使用XML序列化的消息进行通信。
关键词：TCP协议；通信协议系统；套接字；文件传输；C/S模式；The System Design and Implementation ofBased on TCP Protocol CommunicationYang Xiu Sen(Guizhou Normal University Institute of mechanical and electrical engineering and its automationnumber: 0914********)Abstract: Communication protocol ( communications protocol ) refers to both entities to complete communication or service must follow the rules and conventions. The protocol defines a data unit format, information unit should contain information and meaning, connection mode, information transmission and reception timing, thereby ensuring that the network data smoothly transmitted to determine places. Communication communication is through the SOCKET socket interface implementation. The current mainstream UNIX system and Microsoft WINDOWS system in the kernel provides to SOCKET interface support. Using the unified interface, can be prepared in a transplantable TCP communication program.This paper designed and implemented based on a simple LAN instant communication system, the system adopts C/S model, the underlying communication through the SOCKET socket interfaceimplementation, server for the client to login authentication, friends of information preservation and heartbeat message sending. Client using P2P mode to realize the information transmission, and can realize the file transfer. This paper first discusses the synchronization socket, asynchronous socket, multithreading concurrent execution of the task; and then describes the client, the server can use the XML serialization of news communication.Key words: TCP protocol; communication protocol system; socket; file transfer; C/S model;1 引言1.1 研究背景在计算机通信中，通信协议用于实现计算机与网络连接之间的标准，网络如果没有统一的通信协议，电脑之间的信息传递就无法识别。
基于FPGA的千兆以太网端口通信的设计
设计思路
设计需求：本次演示旨在设计一个具有十个端口的千兆以太网接口，以满足 高数据传输速率和多任务处理的需求。
设计原理：基于FPGA的十端口千兆以太网接口的设计原理是利用FPGA的并行 处理能力，将十个千兆以太网物理层（PHY）芯片与FPGA集成在一起，实现高速 数据传输。
逻辑实现：通过FPGA编程语言（如VHDL或Verilog）实现逻辑设计，完成十 个端口的千兆以太网接口的配置和管理。
另外，我们还需要定义一个以太网帧的发送模块。该模块包括一个外部存储 器接口、一个封装模块和一个曼彻斯特编码器。当需要发送一个数据帧时，外部 存储器接口会从存储器中读取数据并将其传递给封装模块。封装模块会将数据封 装成一个以太网
帧，然后将其传递给曼彻斯特编码器。曼彻斯特编码器会将数字信号转换为 模拟信号，以便在物理层上进行传输。
结论
基于FPGA的十端口千兆以太网接口的设计与实现具有重要的应用价值和优势。 在硬件设计中，通过选用高性能的PHY芯片和优化信号完整性分析等措施，提高 了数据传输的稳定性和可靠性。在软件设计中，实现了以太网协议栈和TCP/IP协 议，
并添加了异常处理机制。经过严格的测试和验证，设计的接口具有高性能、 高稳定性、高可靠性等特点，适用于各种需要多端口千兆以太网连接的应用场景。
我们将FPGA中的数据通过SGMII接口传输到以太网控制器中，或者将从以太 网控制器中接收到的数据传递给FPGA处理。
五、SPI接口设计
SPI接口用于在FPGA和外部存储器之间进行数据传输。在设计中，我们使用 了一种同步串行通信协议来实现数据传输。该协议使用一根时钟线和多根数据线 来传输数据，具有简单、高速和可靠等优点。我们将需要保存的数据通过SPI接 口存储到一个外部存储
基于fpga 的toe 系统设计与实现-概述说明以及解释
基于fpga 的toe 系统设计与实现-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它可以根据用户的需求进行灵活的逻辑电路重构。
TOE（TCP/IP Offload Engine）系统是一种通过硬件加速的方式来提高网络性能的解决方案。
本文将介绍基于FPGA的TOE系统的设计与实现。
随着互联网的普及和发展，网络通信已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
然而，传统的软件实现方式在高速网络环境下往往无法满足大规模数据通信的需求。
为了克服这样的问题，TOE系统应运而生。
TOE系统通过将TCP/IP协议的处理功能从通用计算机系统中分离出来，并放置在专用硬件中，以提高网络数据包的处理能力。
而FPGA作为一种灵活、可重构的芯片，能够满足TOE系统中对于高性能、低延迟的硬件加速需求。
本文将分析FPGA技术的基本原理和特点，探讨TOE系统的设计原理以及FPGA在TOE系统中的应用。
通过对TOE系统的设计与实现进行总结与展望，将提供对于基于FPGA的TOE系统设计的理论和实践指导。
通过本文的研究，我们可以深入了解基于FPGA的TOE系统在优化网络性能方面的巨大潜力，以及其在适应未来高速网络发展的前景。
我们相信，基于FPGA的TOE系统将在未来网络通信领域发挥重要作用，并为网络性能的提升做出积极的贡献。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式编写：1.2 文章结构本文分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分概述了文章的背景和目的，提供了对整篇文章的整体理解。
首先，概述了基于FPGA的TOE系统设计与实现的主题，并简要介绍了TOE系统和FPGA技术的背景和重要性。
接着，给出了整篇文章的结构和章节划分，以便读者能够清晰地了解每个部分的内容。
最后，说明了本文的目的，即通过对FPGA在TOE系统设计与实现中的应用进行探讨，促进TOE系统的发展和未来的研究。
TCP_IP通信技术在XilinxFPGA上的实现
TCP/IP通信技术在Xilinx FPGA上的实现鲍兴川（国网自动化研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003）摘 要：研究了TCP/IP通信协议栈在Xilinx 公司现场可编程门阵列FPGA上的实现，介绍了其软硬件的系统组成和原理，提出一种不需操作系统的TCP/IP协议栈的高效工作模式，并在Spartan 3 FPGA上移植成功，通过建立测试平台进行测试，证明其工作方式具有更高的通信性能，为水利水电自动化系统设备开发提供新的思路。
关键词：TCP/IP；通信技术；FPGA；Spartan 3E；IPCore；MicroBlaze中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1672-3279(2007)02-0020-03第2期 2007年6月水利水文自动化Automation in Water Resources and HydrologyNO.2 Jun.,20070 前言由于IEC 61850已成为电力自动化系统及变电站通信网络唯一的国际标准，其成为国家标准已是大势所趋，水利水电行业的自动化及通信网络系统标准必将参照或照搬其标准。
IEC 61850推荐在变电站层与间隔层、间隔层与过程层之间均采用以太网通信技术，以保证高速可靠的数据传输。
这样以太网和其支撑软件TCP/IP 通信协议栈被大量应用在水利水电自动化和通信系统产品中也将成为必然，目前国内主要的水利电力产品开发厂家已或将开始着手研发符合IEC 61850的带双以太网接口的新型水利电力自动化产品。
目前美国Xilinx 公司的现场可编程门阵列FPGA 和32位CPU 技术已在水利水电自动化产品中得到广泛应用，但各设备之间大量使用的仍然是RS -485或CAN -bus 通信总线搭建的通信网络，本文从实际出发，以已在Xilinx FPGA 的MicroBlaze IPCore （俗称软32位CPU ）搭建的在片系统（System -on -Chip ）之上实现的TCP/IP 通信协议栈LWIP 为例进行说明，详细介绍其软硬件的系统组成和原理，阐述了FPGA 的片上系统配置，和其驱动层和协议栈层软件的结构，并给出部分关键源码，使其能部分符合IEC 61850标准，使水利水电行业很快涌现出更多的TCP/IP 通信协议栈符合IEC 61850标准的自动化产品，并在实际水利水电工程中得到应用。
基于FPGA的万兆以太网TCPIP协议处理架构
稿件编号：201909019
Engine）即 TCP/IP 卸 载 引 擎 ，TOE 技 术 采 用 硬 件 处
理 TCP/IP 协议，原本在网络协议栈中进行的 TCP 分
段、TCP 连接管理、检验和计算和检验等操作转移到
FPGA 中进行，以极小的硬件电路作为代价，大幅度
网 子 系 统 IP 核 将 万 兆 网 络 数 据 流 转 为 64bit AXI4-
1 系统设计
协议信息交于控制平面，由控制平面发出对各种网
CPU 处理高速网路数据流的问题。
Stream 数据流，通过包头检测与验证模块提取各层
CPU 资源占用率仅为 10%，光口有效数据吞吐率可达 9.034 Gbps。
关键词：万兆以太网；FPGA；TCP/IP 协议栈；TOE
中图分类号：TN30.14022/j.issn1674-6236.2020.09.018
文章编号：1674-6236（2020）09-0081-07
IP 协议处理架构。通过在处理架构中划分控制平面和数据平面，使各个逻辑电路模块的协同操
作，并结合高速的 I/O 处理和存储器处理，利用硬件实现了完整的 TCP/IP 协议栈，有效的解决了服
务器处理万兆网络流量的瓶颈问题。将所提出的架构应用于实际万兆以太网 TCP/IP 卸载板卡中，
其协议支持 ARP、ICMP、UDP、TCP 等，并且时延最低可达 0.288 μs，文件传输速率可达 933 MB/s，
作者简介：吴 惑（1995—），男，浙江宁波人，硕士研究生。研究方向：通信与信息系统，高数数字系统设计，网
络安全，网络协议。
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《电子设计工程》2020 年第 9 期
基于FPGA的TCP设计与实现
• 168•5 测试及分析5.1 测试项目测试按照硬件电路的两部分即光伏供电模块和自动调光LED 驱动模块分别测试。
首先测试LED 驱动部分，LED 负载为20颗0.06W 的LED 并联，单颗LED 的管压降约为3V ，总电流限制在400mA 以内，即单颗LED 最大电流限制在20mA 以内，测试环境光照强度为0lux 。
取一独立光源模拟环境光照强度，设置总光照强度保持在396lux 到404lux 之间。
设Vcon 为DAC 模块输出电压，室内总光照强度设定值为SDZ 。
5.2 实际测试结果及误差分析表4.1 参数测试结果1序号环境光照强度/luxDAC输出电压/V恒流源输出电流值/mA16 1.69359250 1.53193133 1.1524543100.398354000.214464500.13277750本模块测试使用GY-30光照度传感器模块、51单片机控制电路、恒流源驱动电路。
LED 负载为20颗0.06W 的LED 并联。
通过传感器检测，根据室内光照度自动调节LED 灯串的亮度。
表4.1、4.2分别为总光照强度设置在400lux 与450lux 时测得的控制电压量和输出电流值。
系统根据不同的室内照度，调节DAC 输出电压从而改变LED 光亮度。
由于室内照度计探头位置放置和光照度传感器有一定的偏差，故数据存在一定的误差。
即环境光照强度小于设定值时，根据计算公式计算DAC 输出电压与万用表显示电压基本吻合；环境光照强度大于设定值时，无论室内光照度值是多少，DAC 输出电压均为零，LED 不照明。
将实验数据与理论值进行比较，考虑一定误差的情况下，基本吻合。
表4.2 参数测试结果2序号环境光照强度/luxDAC输出电压/V恒流源输出电流值/mA16 1.9404250 1.713633133 1.3628943100.612754000.214464500.132777506 结论设计的光伏供电自动调光LED 驱动器，采用太阳能电池供电，能根据环境光照强度自动调节输出光照强度，使环境中的总体光照强度稳定在合适的光照强度下。
基于FPGA的UDP＿IP协议栈的设计与实现
第１３卷㊀第６期Ｖｏｌ．１３Ｎｏ．６㊀㊀智㊀能㊀计㊀算㊀机㊀与㊀应㊀用ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ㊀㊀２０２３年６月㊀Ｊｕｎ．２０２３㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号：２０９５－２１６３（２０２３）０６－０００７－０６中图分类号：ＴＰ３９３文献标志码：Ａ基于ＦＰＧＡ的ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈的设计与实现商艳娟，徐卓汀，王成群（浙江理工大学信息学院，杭州３１００１８）摘㊀要：工业控制现场复杂性的提升增加了对数据传输性能的要求，为了提高工业控制现场设备之间数据传输的实时性和确定性，本文对ＴＣＰ／ＩＰ协议的基础架构进行研究，设计了一种ＵＤＰ＿ＩＰ网络通信协议栈，支持ＡＲＰ协议㊁ＩＣＭＰ协议以及ＵＤＰ协议通信；通过使用ＣｙｃｌｏｎｅＩＶ系列ＦＰＧＡ芯片和以太网ＰＨＹ芯片ＲＴＬ８２０１ＣＰ实现了各种网络协议通信㊂经过测试，验证本文设计的ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈能够正确的发送和接收各种协议报文数据，设计灵活，具有较好的稳定性和较强的可移植性㊂关键词：ＦＰＧＡ；ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈；ＵＤＰ协议；以太网ＤｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＵＤＰ＿ＩＰｐｒｏｔｏｃｏｌｓｔａｃｋｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡＳＨＡＮＧＹａｎｊｕａｎ，ＸＵＺｈｕｏｔｉｎｇ，ＷＡＮＧＣｈｅｎｇｑｕｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＺｈｅｊｉａｎｇＳｃｉ－ＴｅｃｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１８，Ｃｈｉｎａ）ʌＡｂｓｔｒａｃｔɔＴｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｎｔｒｏｌｆｉｅｌｄｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｃｅｒｔａｉｎｔｙｏｆｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｍｏｎｇｄｅｖｉｃｅｓｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｎｔｒｏｌｆｉｅｌｄ，ｗｅｃｏｎｄｕｃｔｄｅｔａｉｌｅｄｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＴＣＰ／ＩＰｐｒｏｔｏｃｏｌａｎｄｐｒｏｐｏｓｅａｎｅｗＵＤＰ＿ＩＰｎｅｔｗｏｒｋｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌｓｔａｃｋｗｈｉｃｈｓｕｐｐｏｒｔｓＡＲＰｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＩＣＭＰｐｒｏｔｏｃｏｌａｎｄＵＤＰｐｒｏｔｏｃｏｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＶａｒｉｏｕｓｎｅｔｗｏｒｋｐｒｏｔｏｃｏｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇＣｙｃｌｏｎｅＩＶｓｅｒｉｅｓＦＰＧＡｃｈｉｐａｎｄＥｔｈｅｒｎｅｔＰＨＹｃｈｉｐＲＴＬ８２０１ＣＰ．ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｐｒｏｔｏｃｏｌｓｔａｃｋｉｓｆｌｅｘｉｂｌｅｗｉｔｈｇｏｏｄｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｔｒｏｎｇｐｏｒｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄＵＤＰ＿ＩＰｐｒｏｔｏｃｏｌｓｔａｃｋｃａｎｃｏｒｒｅｃｔｌｙｓｅｎｄａｎｄｒｅｃｅｉｖｅｖａｒｉｏｕｓｐｒｏｔｏｃｏｌｍｅｓｓａｇｅｄａｔａ．ʌＫｅｙｗｏｒｄｓɔＦＰＧＡ；ＵＤＰ＿ＩＰｐｒｏｔｏｃｏｌｓｔａｃｋ；ＵＤＰｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｅｔｈｅｒｎｅｔ基金项目：浙江省级重点研发计划（２０２１Ｃ０１０４７）；流程工业综合自动化国家重点实验室开放课题基金（２０２１－ＫＦ－２１－０６，２０２０－ＫＦ－２１－０９）㊂作者简介：商艳娟（１９９７－），女，硕士研究生，主要研究方向：物联网㊁工业互联网；徐卓汀（１９９８－），男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式与物联网技术；王成群（１９８１－），男，博士，讲师，主要研究方向：工业互联网㊁ＡＩ及其在行业中的应用㊂通讯作者：王成群㊀㊀Ｅｍａｉｌ：ｃｑｗａｎｇ＠ｚｓｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０２２－０６－２１０㊀引㊀言网络通信技术的快速发展，为大量数据的传输提供了可能［１］㊂总线按照传输数据的方式可以分为串行总线和并行总线㊂并行总线控制复杂，传输距离有限，串行总线设计简单，但是传输速率低［２］㊂以太网技术的发展克服了总线传输的缺点，接口速度快，传输的距离远，在复杂的工业控制系统中受到广泛应用［３］㊂传统的以太网在主控芯片内部编写以太网协议或者使用嵌入式处理器运行操作系统，在操作系统下完成协议的通信［４］㊂使用主控芯片和嵌入式处理器来实现以太网通信协议无法保证较高的数据传输实时性和确定性㊂使用现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ，ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）实现数据的通信，因为通过硬件固化协议的处理逻辑，可以有效地提高数据传输系统的性能，ＦＰＧＡ芯片与物理层（ＰＨＹ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ）芯片相连，连接结构简单，不需要外部设备驱动与大量的外围控制电路，可移植性强，系统集成度高［５］㊂基于综上的一些研究，本文设计了一款ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈，将其移植到ＦＰＧＡ芯片中，使用以太网线将包含ＦＰＧＡ芯片和ＰＨＹ芯片的电路板与电脑相连，完成数据的传输㊂本设计具有以下功能：（１）实现ＡＲＰ请求和应答报文的发送，完成ＩＰ地址和ＭＡＣ地址的映射；（２）支持ＩＣＭＰ报文的ｐｉｎｇ操作；（３）实现ＵＤＰ回环通信㊂１㊀ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈结构和功能ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈模型是将开放式系统互联通信参考模型（ＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎＲｅｆｅｒｅｎｃｅＭｏｄｅｌ，ＯＳＩ）７层结构简化成４层，从上往下分别是应用层㊁传输层㊁网络层㊁网络接口层，如图１所示㊂应用层支持ＳＭＴＰ㊁ＨＴＴＰ㊁ＴＦＴＰ等协议传输［６］；传输层包含ＴＣＰ协议和ＵＤＰ协议，ＴＣＰ协议是一种基于３次握手机制的可靠传输协议，ＵＤＰ是一种不可靠的传输协议，该协议实现简单，适用于低时延㊁数据量大的快速传输场景；网络层可以实现ＩＰ协议㊁ＩＣＭＰ协议通信，ＩＰ协议负责将数据报通过互联网发送出去，ＩＣＭＰ协议主要是采用错误侦测和回馈机制，为通信环境提供可能发生的问题反馈信息；网络接口层支持ＡＲＰ协议传输，将已知的ＩＰ地址解析成ＭＡＣ地址，使得交换机可以通过ＭＡＣ地址进行相应的通信㊂本文设计的ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈可以实现ＡＲＰ请求㊁ＡＲＰ响应㊁ＩＣＭＰ响应㊁ＵＤＰ回环多种协议传输㊂S M T P 、H T T P 、T F T PT C P 、U D P I P （I C M P )A R P应用层传输层网络层网络接口层图１㊀ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈参考模型Ｆｉｇ．１㊀ＵＤＰ＿ＩＰｐｒｏｔｏｃｏｌｓｔａｃｋｍｏｄｅｌ２㊀ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈设计本文采用模块化的思想设计ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈，整个ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈由６个模块组成，分别是ＭＡＣ数据解析模块㊁ＩＰ数据解析模块㊁ＡＲＰ处理模块㊁ＩＣＭＰ处理模块㊁ＵＤＰ处理模块㊁ＭＡＣ数据封装模块，ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈总体架构如图２所示㊂M A C 数据封装模块U D P 处理模块I C M P 处理模块A P P 处理模块I P 数据解析模块M A C 数据解析模块M A C 接口图２㊀ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈总体架构Ｆｉｇ．２㊀ＯｖｅｒａｌｌａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＵＤＰ＿ＩＰｐｒｏｔｏｃｏｌｓｔａｃｋ２．１㊀ＭＡＣ数据解析模块设计ＭＡＣ数据解析模块的作用是分离出ＡＲＰ报文和ＩＰ报文，在这个模块中使用异步先入先出队列（ＦｉｒｓｔＩｎｐｕｔＦｉｒｓｔＯｕｔｐｕｔ，ＦＩＦＯ）进行数据的跨时钟域处理，ＭＡＣ数据解析模块处理报文的流程图如图３所示㊂首先，调用异步ＦＩＦＯ的ＩＰ核，将接收的数据以及接收使能信号全部缓存进ＦＩＦＯ中；根据ＦＩＦＯ中存储数据的个数产生ＦＩＦＯ读使能信号，将数据和接收使能信号读出；根据读出的使能信号驱动计数器计数，当计数到相应的值时，解析在该值处接收的数据，该数据即是以太网协议类型；判断协议的类型是否为ＩＰ或ＡＲＰ协议类型，如果不是，直接丢弃该数据帧，如果类型值为０ｘ０８００，则判断该报文属于ＩＰ报文，如果类型值为０ｘ０８０６，则该报文属于ＡＲＰ报文，根据不同类型报文的判断结果，将数据送入不同的后级模块㊂将A R P 报文数据寄存将I P 报文数据寄存协议类型==0x 0800丢弃是是否协议类型==0x 0800或者0x 0806根据计数值，解析协议类型根据读出接收使能信号，计数器计数F I F O 缓存数据和接收使能信号开始结束否图３㊀ＭＡＣ数据解析模块流程图Ｆｉｇ．３㊀ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｔｈｅＭＡＣｄａｔａｐａｒｓｉｎｇｍｏｄｕｌｅ２．２㊀ＡＲＰ处理模块设计ＡＲＰ处理模块的主要功能是对接收的ＡＲＰ报文进行分析，更新ＡＲＰ缓存表，具体实现过程如图４所示㊂当上级ＭＡＣ数据解析模块将ＡＲＰ报文发送到ＡＲＰ处理模块后，对ＡＲＰ接收报文进行解析，得到ＡＲＰ报文中的操作码㊁发送方ＩＰ地址㊁发送方ＭＡＣ地址㊁接收方ＩＰ地址㊂当接收的操作码为１，８智㊀能㊀计㊀算㊀机㊀与㊀应㊀用㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第１３卷㊀同时报文中的目的ＩＰ等于本地设置的ＩＰ，说明接收的是ＡＲＰ请求报文，将该报文中的发送方ＩＰ地址和ＭＡＣ地址寄存，用作ＡＲＰ缓存列表的更新值，同时还用于发送ＡＲＰ应答报文中目的ＩＰ地址和目的ＭＡＣ地址㊂当接收的操作码为２，同时报文中的目的ＩＰ等于本地设置的ＩＰ，判断接收的是ＡＲＰ应答报文，应答报文只需将报文中发送方ＩＰ地址和ＭＡＣ地址寄存，用来ＡＲＰ缓存列表信息的更新㊂图４虚线部分实现了ＡＲＰ列表的更新，本设计定义了一个数组存储ＡＲＰ信息，每当接收一个ＡＲＰ请求或者是ＡＲＰ应答报文时，定义的数组单元会更新ＩＰ地址和ＭＡＣ地址，每８条ＡＲＰ缓存满时，会自动覆盖之前的信息，进行下一轮的更新㊂另外，本设计还自定义了一个固定的目的ＩＰ地址，协议栈会自动地向这个自定义的目的ＩＰ地址主机定时发送ＡＲＰ请求报文㊂结束更新A R P 缓存更新A R P 缓存，提供A R P 应答发送使能操作码==1&&目的I P ==本地I P否是解析A R P 报文开始图４㊀ＡＲＰ处理模块流程图Ｆｉｇ．４㊀ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＡＲＰｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｕｌｅ２．３㊀ＩＰ数据解析模块设计ＩＰ数据解析模块有两个作用：将ＵＤＰ报文和ＩＣＭＰ报文分离；进行ＩＰ层校验和计算，检测接收报文的ＩＰ层是否正确，ＩＰ数据解析模块流程图如图５所示㊂由ＭＡＣ分离出的ＩＰ报文被送入ＩＰ数据解析模块，对ＩＰ报文的头部进行解析，得到上层协议类型，目的ＩＰ地址㊂在报文解析的同时，对ＩＰ的报头信息进行校验和计算，得到的正确值为１６ ｈｆｆｆｆ，如果校验和的计算不是该值，说明接收到的ＩＰ报文是错误的，丢弃该报文㊂根据报文解析的上层协议类型㊁目的ＩＰ地址㊁ＩＰ校验和来判断该报文是ＵＤＰ报文还是ＩＣＭＰ报文，将不同类型的报文数据使用存储器寄存，传输到接下来的ＩＣＭＰ处理模块或者是ＵＤＰ处理模块㊂结束U D P 报文存储I C M P 报文存储上层协议类型==0x 11&&目的I P ==本地I P &&校验和==16’h f f f f解析I P 报文开始否是图５㊀ＩＰ数据解析模块流程图Ｆｉｇ．５㊀ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＩＰｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｕｌｅ２．４㊀ＩＣＭＰ处理模块设计ＩＣＭＰ处理模块能够对ＩＣＭＰ请求报文作出响应，同时将接收的ＩＣＭＰ报文数据部分缓存，然后转发㊂在该模块中整个报文的处理过程经历３个不同的状态，如图６所示㊂当ＩＰ数据解析模块没有发送任何数据给ＩＣＭＰ处理模块时，该模块一直处于空闲状态，一旦接收到上级模块发送ＩＣＭＰ报文，ＩＣＭＰ报文接收开始使能信号跳变为高电平，状态跳转到接收状态；接收状态下，对接收的ＩＣＭＰ报文进行解析，得到ＩＣＭＰ报文的类型和代码值分别为０ｘ０８和０ｘ００，则接收的是ＩＣＭＰ请求报文，直到ＩＣＭＰ报文接收结束使能信号变为高电平时，状态跳转到发送状态，如果接收的是ＩＣＭＰ应答报文时，状态一直保持接收状态；接收状态下，另一个操作是使用同步随机存取存储器（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ，ＲＡＭ）存储报文，等到发送状态下取出报文数据部分内容，发送回电脑㊂等到发送的数据正好等于接收的数据长度时，ＩＣＭＰ报文发送结束信号跳变为高电平，由发送状态跳转到空闲状态，等待ＩＰ数据解析模块发送下一个ＩＣＭＰ报文㊂I D L ES E N DR E C E I V E发送结束使能信号为高电平接收开始使能信号为高电平接收结束使能信号为高电平图６㊀ＩＣＭＰ处理模块状态机图Ｆｉｇ．６㊀ＳｔａｔｅｏｆＩＣＭＰｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｕｌｅ２．５㊀ＵＤＰ处理模块设计ＵＤＰ处理模块完成ＵＤＰ报文的解析并且为发９第６期商艳娟，等：基于ＦＰＧＡ的ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈的设计与实现送ＵＤＰ回包封装ＵＤＰ首部信息，整个ＵＤＰ处理模块状态跳转如图７所示㊂首先，如果ＩＰ数据解析模块没有发送任何ＵＤＰ报文，状态机一直会处于空闲状态，直到接收到有效的ＵＤＰ报文，ＵＤＰ报文接收开始使能信号跳为高电平，状态机随后跳转到接收状态；等到所有数据报文接收完成后，ＵＤＰ报文接收结束使能信号变为高电平，状态机跳转到计算ＵＤＰ校验和状态，等到校验和的计数器计数到９时，状态会跳转到发送状态；当发送的数据长度正好等于接收的数据长度时，ＵＤＰ报文发送结束使能信号变为高电平，表示发送完成，状态机跳转到空闲状态，等待ＩＰ数据解析模块传输下一个ＵＤＰ报文数据㊂在整个状态机跳转过程中，数据处于接收状态时，解析ＵＤＰ报文，得到目的端口号㊁源端口号㊁ＵＤＰ数据长度㊁发送方ＩＰ地址，为ＵＤＰ回环的实现提供目的端口号和源端口号㊂数据需要返回给发送端，必须将接收的ＵＤＰ数据缓存下来，调用一个同步ＲＡＭ的ＩＰ核进行数据的缓存㊂在ＵＤＰ报头校验和计算状态下，计算校验和为发送ＵＤＰ回包提供正确的ＵＤＰ校验和㊂I D L ES E N DR E C E I V EG E N _C H E C K S U M 接收开始使能信号为高电平接收结束使能信号为高电平校验结束使能信号为高电平发送结束使能信号为高电平图７㊀ＵＤＰ处理模块状态机Ｆｉｇ．７㊀ＳｔａｔｅｏｆＵＤＰｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｕｌｅ２．６㊀ＭＡＣ数据封装模块设计ＡＲＰ处理模块提取的目的ＩＰ和目的ＭＡＣ地址，ＩＣＭＰ处理模块重新打包的ＩＣＭＰ应答报文以及ＵＤＰ处理模块重新封装的ＵＤＰ报文都传入ＭＡＣ数据封装模块合流㊂具体选择返回哪一种协议报文在ＭＡＣ数据封装模块需要进行仲裁，具体的ＭＡＣ数据封装模块流程图如图８所示㊂首先，判断发送使能信号，如果是ＡＲＰ报文发送使能信号，还需要判断发送的是ＡＲＰ应答报文还是ＡＲＰ请求报文㊂如果ＡＲＰ应答报文发送使能信号为高电平，按照ＡＲＰ数据格式组帧整个ＡＲＰ报文内容；如果是ＡＲＰ请求发送使能信号为高电平，依照同样的组帧方式设置ＡＲＰ请求报文内容，传输到ＭＡＣ数据封装模块㊂ＡＲＰ报文前面再封装以太网首部信息，最终发送给目标主机㊂如果判断是ＩＰ报文发送使能信号为高电平，根据发送的上层协议类型，得到发送的报文是ＩＣＭＰ报文还是ＵＤＰ报文，如果协议类型是０ｘ１１，则表示发送ＵＤＰ报文，将ＵＤＰ处理模块传输过来的内容作为整个以太网帧的数据部分，如果协议类型是０ｘ０１，则表示发送ＩＣＭＰ报文，将ＩＣＭＰ处理模块传输过来的内容作为整个以太网帧的数据部分㊂以太网帧其他部分使用以太网首部以及ＩＰ首部信息填充㊂数据按照标准以太网协议帧封装完成后，可以将这些数据直接传输给ＭＡＣ接口，ＭＡＣ将这些数据传回给发送端㊂以太网帧和I P 帧封装U D P 报文以太网帧和I P 帧封装I C M P 应答报文A P P 应答发送信号==1协议类型==0x 11A R P 报文发送I P 报文发送开始A P P 发送使能信号==1以太网帧封装A P P 应答报文以太网帧封装A P P 请求报文结束否是是否否是图８㊀ＭＡＣ数据封装模块流程图Ｆｉｇ．８㊀ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＭＡＣｄａｔａｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ３㊀设计验证本设计在ＱｕａｒｔｕｓＩＩ１３．０软件中使用Ｖｅｒｉｌｏｇ语言编写整个ＵＤＰ协议栈代码，设计完成后使用ｍｏｄｅｌｓｉｍ仿真软件对整个ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈进行功能验证㊂ＩＣＭＰ请求报文和应答报文的仿真时序图如图９和图１０所示㊂从图９可以看到两个报文发送的以太网协议类型都是０ｘ０８００，ＩＣＭＰ报文的首部符合协议数据的设定值，接收数据与发送数据是相同的，报文的结尾都是使用ＦＣＳ校验码封装，验证了本协议栈可以正确接收ＩＣＭＰ请求报文和发送ＩＣＭＰ应答报文；此外，关于ＡＲＰ协议和ＵＤＰ协议的接收和发送功能仿真验证也是正确的㊂０１智㊀能㊀计㊀算㊀机㊀与㊀应㊀用㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第１３卷㊀图９㊀ＩＣＭＰ请求报文接收图Ｆｉｇ．９㊀ＩＣＭＰｒｅｃｅｐｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍ图１０㊀ＩＣＭＰ应答报文发送图Ｆｉｇ．１０㊀ＩＣＭＰｍｅｓｓａｇｅｓｅｎｄｉｎｇｄｉａｇｒａｍ㊀㊀仿真验证后进行板级验证，使用ＣｙｃｌｏｎｅＩＶ系列ＦＰＧＡ芯片电路板㊂通过电脑发送不同的协议报文，然后使用ｗｉｒｅｓｈａｒｋ软件抓取电脑发送的报文以及接收的报文，验证ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈设计的功能㊂当使用小兵以太网发送ＡＲＰ请求报文和ＡＲＰ应答报文时，ＡＲＰ报文测试结果如图１１所示㊂电脑每发送一个ＡＲＰ广播报文，板子会返回一个ＡＲＰ应答报文给电脑㊂当电脑发送ＡＲＰ应答报文给板子时，板子不会立即返回请求报文，但是本设计设置了一个电脑ＩＰ地址存储在ＡＲＰ处理模块，会定时发送ＡＲＰ请求报文给电脑㊂使用ｐｉｎｇ命令后，ＩＣＭＰ报文测试结果图如图１２所示，可以看到当发送一个ＩＣＭＰ请求报文，会传回一个ＩＣＭＰ应答报文㊂接收报文数据和发送报文数据内容完全相同，证明了接收的数据在协议栈中能够正确缓存并转发㊂图１１㊀ＡＲＰ报文测试结果图Ｆｉｇ．１１㊀ＡＲＰｐａｃｋｅｔｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔ图１２㊀ＩＣＭＰ报文测试结果图Ｆｉｇ．１２㊀ＩＣＭＰｐａｃｋｅｔｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｄｉａｇｒａｍ㊀㊀为了评估本设计ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈发送ＵＤＰ回环报文的性能，使用网络调试助手每１ｍｓ发送一次ＵＤＰ报文，测试的结果如图１３所示㊂发送ＵＤＰ报文次数达到１０万次，每一次的发送都能正确接收，说明本文设计的ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈具有可靠稳定的传输性能，传回电脑的数据与电脑发送出去的数据是完全一致的，验证了数据能够在该协议栈内完成正确的数据接收和发送㊂图１３㊀ＵＤＰ报文测试结果图Ｆｉｇ．１３㊀ＵＤＰｐａｃｋｅｔｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｄｉａｇｒａｍ１１第６期商艳娟，等：基于ＦＰＧＡ的ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈的设计与实现４ 结束语本文设计了一种基于ＦＰＧＡ的ＵＤＰ＿ＩＰ协议栈，ＩＣＭＰ报文和ＵＤＰ报文数据部分在该协议栈内完成了正确的缓存和转发，当发送ＡＲＰ报文时，在该协议栈内能够及时进行ＡＲＰ列表的更新㊂本设计具有良好的稳定性和可靠性，为高速以太网通信提供了一个很好的解决方案，有着广泛的应用前景㊂参考文献［１］武朋，黄虎，王兴．基于ＦＰＧＡ的ＴＣＰ／ＩＰ协议设计与实现［Ｊ］．软件导刊，２０１３，１２（５）：２２－２３．［２］朱明辉，司斌，张从霞，等．ＦＰＧＡ与８８Ｅ１１１１的千兆以太网接口设计［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２０１７，１７（３）：６０－６３，６６．［３］李勋，刘文怡．基于ＦＰＧＡ的以太网接口设计与实现［Ｊ］．自动化与仪表，２０１４，２９（５）：５７－６０．［４］董永吉，王钰，袁征．基于ＦＰＧＡ的万兆以太网ＵＤＰ＿ＩＰ硬件协议栈设计与实现［Ｊ／ＯＬ］．计算机应用研究：１－４［２０２２－０４－２５］．［５］韩剑南，胡辽林．基于ＦＰＧＡ和ＵＤＰ／ＩＰ协议的千兆网络图传系统［Ｊ］．计算机系统应用，２０１８，２７（３）：９９－１０４．［６］刘源，张刚．可靠ＵＤＰ协议栈的ＦＰＧＡ实现［Ｊ］．火力与指挥控制，２０１７，４２（７）：１３９－１４３．（上接第６页）文研究了基于该环境下的服务迁移问题，并对服务迁移过程中产生的计算成本㊁迁移成本和能耗建模，将迁移决策规划为部分迁移而非二元迁移，同时考虑了车辆移动性带来的问题㊂本文将服务迁移建模为ＭＤＰ问题，并提出了基于深度强化学习的服务迁移算法来降低服务的平均时延和能耗㊂实验结果表明，本文提出的算法在学习率为０．００５时能够较快达到收敛，并且与其他算法相比在２０ｋｍ／ｈ和６０ｋｍ／ｈ时分别有８．６％和１５．３％的性能提升，同时当移动速度处于６０ｋｍ／ｈ时，在能耗方面有１４．４％的优势㊂在未来工作中，将车辆加速度引入以预测用户驾驶车辆的移动意图，从而进行更精确的迁移决策㊂参考文献［１］ＡＢＢＡＳＮ，ＺＨＡＮＧＹ，ＴＡＨＥＲＫＯＲＤＩＡ，ｅｔａｌ．Ｍｏｂｉｌｅｅｄｇｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇ：Ａｓｕｒｖｅｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓＪｏｕｒｎａｌ，２０１８，５（１）：４５０－４６５．［２］ＢＩＪ，ＹＵＡＮＨ，ＤＵＡＮＭＵＳ，ｅｔａｌ．Ｅｎｅｒｇｙ－ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｐａｒｔｉａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｆｌｏａｄｉｎｇｉｎｍｏｂｉｌｅ－ｅｄｇｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇｗｉｔｈｇｅｎｅｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｅｄ－ａｎｎｅａｌｉｎｇ－ｂａｓｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｒｍｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓＪｏｕｒｎａｌ，２０２０，８（５）：３７７４－３７８５．［３］ＺＨＡＮＧＱ，ＺＨＥＮＧＨ，ＺＨＯＮＧＺ，ｅｔａｌ．Ｅｎｅｒｇｙｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｆｏｇｃｏｍｐｕｔｉｎｇ－ｅｎａｂｌｅｄｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｎｅｔｗｏｒｋｓｗｉｔｈｄｙｎａｍｉｃＴＤＤ［Ｃ］／／２０１９ＩＥＥＥ／ＣＩＣＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＣｈｉｎａ（ＩＣＣＣ）．ＩＥＥＥ，２０１９：５９０－５９５．［４］ＷＡＮＧＫ，ＨＵＺ，ＡＩＱ，ｅｔａｌ．Ｊｏｉｎｔｏｆｆｌｏａｄｉｎｇａｎｄｃｈａｒｇｅｃｏｓｔｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｎｍｏｂｉｌｅｅｄｇｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥＯｐｅｎＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＳｏｃｉｅｔｙ，２０２０，１：２０５－２１６．［５］ＷＵＦ，ＬＩＸ，ＬＩＨ，ｅｔａｌ．Ｅｎｅｒｇｙ－ｔｉｍｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｔａｓｋｏｆｆｌｏａｄｉｎｇｆｏｒｍｏｂｉｌｅｅｄｇｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇｉｎｈｏｔ－ｓｐｏｔｓｃｅｎａｒｉｏｓ［Ｃ］／／ＩＣＣ２０２１－ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．ＩＥＥＥ，２０２１：１－６．［６］ＳＩＮＧＨＳ，ＫＩＭＤＨ．Ｐｒｏｆｉｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｍｏｂｉｌｅｅｄｇｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇｕｓｉｎｇｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｃ］／／２０２１ＩＥＥＥＲｅｇｉｏｎ１０Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（ＴＥＮＳＹＭＰ）．ＩＥＥＥ，２０２１：１－６．［７］ＫＩＭＳ．Ｂａｒｇａｉｎｉｎｇｇａｍｅｂａｓｅｄｏｆｆｌｏａｄｉｎｇｓｅｒｖｉｃｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｅｄｇｅ－ａｓｓｉｓｔｅｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＩＥＥＥＡｃｃｅｓｓ，２０２２，１０：６３６４８－６３６５７．［８］ＯＵＹＡＮＧＴ，ＺＨＯＵＺ，ＣＨＥＮＸ．Ｆｏｌｌｏｗｍｅａｔｔｈｅｅｄｇｅ：Ｍｏｂｉｌｉｔｙ－ａｗａｒｅｄｙｎａｍｉｃｓｅｒｖｉｃｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｏｒｍｏｂｉｌｅｅｄｇｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｎＳｅｌｅｃｔｅｄＡｒｅａｓｉｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１８，３６（１０）：２３３３－２３４５．［９］ＶＵＴＴ，ＮＧＵＹＥＮＤＮ，ＨＯＡＮＧＤＴ，ｅｔａｌ．Ｏｐｔｉｍａｌｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｉｔｈｄｅｌａｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｆｏｒｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｆｏｇｃｏｍｐｕｔｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０２１，６９（６）：３９１１－３９２９．［１０］ＡＬＢＯＮＤＡＨＤＲ，ＰéＲＥＺ－ＲＯＭＥＲＯＪ．ＡｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔＲＡＮｓｌｉｃｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒａｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｎｅｔｗｏｒｋｗｉｔｈｅＭＢＢａｎｄＶ２Ｘｓｅｒｖｉｃｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＡｃｃｅｓｓ，２０１９，７：４４７７１－４４７８２．［１１］ＫＳＥＮＴＩＮＩＡ，ＴＡＬＥＢＴ，ＣＨＥＮＭ．ＡＭａｒｋｏｖｄｅｃｉｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ－ｂａｓｅｄｓｅｒｖｉｃｅｍｉｇｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｆｏｒｆｏｌｌｏｗｍｅｃｌｏｕｄ［Ｃ］／／２０１４ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＩＣＣ）．ＩＥＥＥ，２０１４：１３５０－１３５４．［１２］ＴＡＮＧＺ，ＺＨＯＵＸ，ＺＨＡＮＧＦ，ｅｔａｌ．Ｍｉｇｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｌｅａｒｎｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｆｏｒｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｉｎｆｏｇｃｏｍｐｕｔｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＳｅｒｖｉｃｅｓＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，２０１９，１２（５）：７１２－７２５．［１３］ＷＩＬＤＭＡＮＪ，ＮＡＲＤＥＬＬＩＰＨＪ，ＬＡＴＶＡ－ＡＨＯＭ，ｅｔａｌ．Ｏｎｔｈｅｊｏｉｎｔｉｍｐａｃｔｏｆｂｅａｍｗｉｄｔｈａｎｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｅｒｒｏｒｏｎｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｉｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｗｉｒｅｌｅｓｓｐｏｉｓｓｏｎｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１４，１３（１２）：７０７２－７０８５．［１４］ＬＩＺ，ＸＩＡＮＧＬ，ＧＥＸ，ｅｔａｌ．ＬａｔｅｎｃｙａｎｄＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｍｍＷａｖｅＭｕｌｔｉ－ＨｏｐＶ２ＶＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＵｎｄｅｒＲｅｌａｙＳｅｌｅｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＶｅｈｉｃｕｌａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，６９（９）：９８０７－９８２１．［１５］ＢＥＬＬＭＡＮＲ．Ａｍａｒｋｏｖｉａｎｄｅｃｉｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，１９５７，６（５）：６７９－６８４．［１６］ＳＵＴＴＯＮＲＳ，ＢＡＲＴＯＡＧ．Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｌｅａｒｎｉｎｇ：Ａｎｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ［Ｍ］．ＭＩＴｐｒｅｓｓ，２０１８：４７２－４７５．２１智㊀能㊀计㊀算㊀机㊀与㊀应㊀用㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第１３卷㊀。
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基于FPGA的TCP/IP协议设计与实现
摘要：以FPGA（现场可编程逻辑门阵列）为控制中心，实现了网络接口芯片的时序控制，进而搭建一种百兆以太网的高速数据传输平台。
实践证明，此平台具有良好的接口扩展性，更便于同计算机进行连接。
此外，此平台拥有较高的数据吞吐率，能够达到接近100Mb/s 的以太网极限吞吐率。
关键词：FPGA；以太网；TCP/IP协议；DM9000
0、引言
随着网络通信技术的飞速发展，越来越多的测试仪器需要将大量数据传送给终端计算机进行解析处理，抑或从PC机传送大量数据给相应设备。
现在常用的数据传输方式（usb、总线）中，虽说数据传输的速率较快（可达400Mb/s），但是传输距离过短成为其不可避免的缺点。
而百兆以太网中点对点间的数据传送距离可达100m，如果借助交换机或者路由器等设备可以实现更远距离传输。
本文以FPGA 为基础，在硬件上完成简化的TCP/IP协议栈，用来获取必须的协议处理机能，实现三态以太网嵌入式系统设计。
1、系统硬件设计
该系统以Altera公司的EPIC12型FPGA芯片作为中心控制单元，另外还需两片作为缓存数据用的SRAM，以太网接口芯片采用DM9000。
系统具体硬件框图如图1所示。
DM9000是一款全集成、功能强大、性价比高的快速以太网MAC
控制器。
该芯片拥有一个通用处理器接口、10/1（）（）PHY、EEPROM 和16kB的SRAM。
DM9000支持8位、16位以及32位的接口访问内部存储器，可以支持不同型号的处理器。
该芯片的PHY协议层接口完全可以使用10MBps下的3/4/5类非屏蔽双绞线和100MBps下的5类非屏蔽双绞线，很好地对应IEEE 802.3u规范。
DM9000实现以太网媒体介质访问层（MAC）和物理层（PHY）的功能，其中包含MAC数据帧的组装/拆分与发送接收、地址的识别、CRC编码/校验、MLT-3编码器、接收噪声抑制、输出脉冲形成、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等。
2、TCP/IP协议实现
2.1 TCP/IP协议
TCP/IP协议就是传输控制协议/互联网协议，它是一个真正实际的开放性通信协议规范，其开放式的特点使得计算机之间都可以通过此协议来完成数据的交换，而不管这些设备拥有不同的物理特性或者各自运行着不同的系统。
与其它网络协议相同，TCP/IP协议的开发也是分不同层次进行的。
与ISO开发的OSI模型相比，TCP/IP的四层模型显得更为灵活，原因在于它着重强调功能分布而不是功能层次的划分。
ARP协议负责IP地址与MAC地址之间的转换工作，IP协议实现网络层数据的封装工作以及路由功能，而TCP和UDP是运输层的协议，主要完成传输数据的封装、实现可靠稳定传送以及流量的监控。
ICMP是报文控制协议，它是一种辅助性协议，所具有的Ping功能可
以用来诊断网络性能。
在一个正常通信过程中，ARP/IP协议是必需的，而TCP/UDP实现一种即可。
在FPGA用硬件完成ARP＼P和UDP 比较简单，而TCP协议在连接时的握手机制、数据发送接收的校验机制以及流量的控制，实现起来较为复杂，因此从系统的复杂度来考虑，本文并没有实现TCP/IP协议，实现了相对较为简单的UDP协议。
2.2 系统模块构成
本系统的协议栈功能由网络控制模块、数据接收解析模块、ARP 应答发送模块、Ping应答发送模块、UDP发送模块和调度模块构成。
每个模块间相互的接口联系如图3所示。
因为每个模块都有分时访问DM9000接口总线的要求，所以必须要有一个调度模块执行中心控制工作，利用开始与结束信号来同步。
在接受到中断信号时，调度模块只有在总线空闲状态时才会开启接收模块，接收模块解析完MAC层数据包后会发送对应的请求讯号：ARP 应答请求、Ping应答请求，此时必需的应答参数也会输出。
在总线空闲时，调度模块会依据请求信号开启对应的应答模块进行工作。
接收模块在收到已定义端口UDP数据包后将有效数据写入SRAM中，供其它的应用模块使用。
2.3 DM9000接口控制
DM9000内部存储器由物理层寄存器、链路层寄存器和数据缓冲三部分组成，与该芯片进行的所有数据交换作都必须通过此三部分寄存器来完成。
为遵循DM9000接口时序规范，接口逻辑需分层设计，I/O读写模块位于最底层，第二层为物理寄存器读写，接下来是链路
层寄存器读写模块，而最上层是初始化模块，主要完成接口芯片内物理寄存器与链路寄存器的初始化工作，比如MAC地址、中断设置以及数据包过滤条件等等。
3、实验结果及系统性能分析
3.1 接收处理能力
在计算机端编写一死循环程序，用来发送有效数据大小为 1 400Byte的UDP数据包。
当PC端的发送软件运行后，网络传输速率可以达到98Mb/s，利用Ethereal能够看出，相邻的UDP数据包的间隔为10tLs～200tLs。
图4为抓取的FPGA引脚信号波形，通道1为DM9000接收的中断信号，通道2为FPGA接收处理开始及结束信号。
3.2 发送处理能力
如果系统以最大速率发送含有1400比特的UDP数据包，传送速率可以达到98Mb/s。
因为UDP未设计流量监控与确认功能，所以在编写应用软件的时候需要特别注意，必须加大Socket的缓冲区大小以及增加数据处理的速率，不然会出现数据丢失的现象。
3.3 系统扩展能力
因为本套系统的网络模块均是在FPGA上来实现的，占用的芯片资源很少，所以本系统可以与一些具体的应用模块在FPGA上共同实现，具体的应用模块可以利用本套系统来实现自身数据的发送或接收。
如果利用FPGA中多余的芯片资源来搭建一些常用的总线接口，并且同本系统连接起来，即可以构成一个基于以太网的数据接口转发单元。