基于FPGA的以太网TCP协议的数据回环实验

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

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前言

最近在大佬们的帮助下学习了TCP，并独立实现了TCP的数据回环实验，网上也基本没有FPGA关于TCP实现的记录，所以想打算写这篇文章，也算是对自己所学的总结和梳理。

本文只对TCP/IP理论基础进行简单介绍，主要记录工程的实现思路和方法，仅供参考，欢迎指出错误。

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一、相关概念

1.以太网协议报文

想必大家都很了解，所以就直接看看UDP和和TCP报文的区别吧。

2.TCP报文

tcp详细报文
TCP头部

TCP首部没有options字段时为20字节。建立连接和关闭连接主要靠的是报文序列号SEQ number 和确认应答号ACKnumber，分别在SYN位和ACK位为1时有效。

三次握手与四次挥手参考博文：作者：爱前端不爱恋爱。卧槽！牛皮了，头一次见有大佬把TCP/IP三次握手四次挥手解释的这么明白

URG	紧急标志位，紧急指针有效
ACK	确认序列号有效
PSH	表示尽快将信息推给应用层
RST	重新连接
SYN	连接
FIN	关闭连接
Window Size	可以理解为下一次可以收到数据报文的最大字节数
TCP Checksum	为TCP伪首部 = Source IP+Destination IP + TCP header+TCP DATA的校验和,tcp checksum强制为0，不然就是套娃了

TCP Checksum 计算方法为TCP伪首部16位16位相加，如果结果大于16位继续高16位与低16位相加

二、主要部分的实现

1.tcp_ctrl

状态机分为两条主线，一条是FPGA作为服务端的，一条是FPGA作为客户端的。转移条件与三次握手四次挥手条件一样。

1.1建立连接

下面只展示当FPGA作为服务端时的连接与关闭（因为在作为客户机时的关闭，作为服务端的上位机发送的第一条报文的与协议不同，不知是否是上位机bug），在串口软件上点击连接，显示连接成功，wireshark抓到了三条报文如图
上位机作为客户端首先发送了一条包含初始化序列号的SYN报文，FPGA回复SYN + ACK报文，客户端收到后再通知给服务端，自此连接成功。

1.2关闭连接

关闭连接四次挥手，最初是FIN报文，最后FPGA状态机也恢复到IDLE 0001，关闭成功。

2.确认应答

  always @ (posedge sys_clk,negedge sys_rst_n)
         if(!sys_rst_n)     begin   
		                     tack     <= 1'b0;
                             tack_seq <= 32'd0;
							 ack_start<= 1'b0;
							end	
	else if(tx_done & tras_ready)	
                            begin   					 
                             tack     <= 1'b0;
                             tack_seq <= 32'd0;
							 ack_start<= 1'b0;
                            end											
	else if(rec_pkt_done& tras_ready)	           //应答包不再次应答
	        if(rec_byte_num  == 32'd0)
                		    begin   					 
                             tack     <= 1'b0;
                             tack_seq <= 32'd0;
							 ack_start<= 1'b0;
                            end		
		else 	            begin   					 
                             tack     <= 1'b1;
                             tack_seq <= rseq_num + rec_byte_num; 
							 ack_start<= 1'b1;
                            end		

应答模块比较简单，应答时ACK位为1，应答号为收到的序列号 + 接收到的字节数，表明下次发送的序列号从这个开始，要注意的是应答包不用应答，所以判断这个包收到的有效数据字节数rec_byte_num是否为0即可。

3.超时重传

因为TCP接收方超时不应答发送方的话，发送方会重传几次。然而fifo读完后数据就不存在了，所以不能用fifo作为发送的缓存，只能用ram，具体代码如下

  always @ (posedge clka,negedge rst_n)
         if(!rst_n)      send_done_flag <= 1'b0;
	else if(time_500ms == CNT_MAX)
                         send_done_flag <= 1'b0;
    else if(ACK)         send_done_flag <= 1'b0;						 
    else if(send_done)   send_done_flag <= 1'b1;
	 
  always @ (posedge clka,negedge rst_n)
         if(!rst_n)      time_500ms <= 32'd0;
    else if(ACK)         time_500ms <= 32'd0;
    else if(re_send)   
	                     time_500ms <= 32'd0;	
    else if(send_done_flag)   
	                     time_500ms <= time_500ms + 1'b1;

  always @ (posedge clka,negedge rst_n)
         if(!rst_n)      re_send <= 1'b0;
    else if(time_500ms == CNT_MAX && re_send_cnt < 4'd5)                
	                     re_send <= 1'b1;
    else                 re_send <= 1'b0;						 

  always @ (posedge clka,negedge rst_n)
         if(!rst_n)      re_send_cnt <= 4'd0;
	else if(ACK)         re_send_cnt <= 4'd0;	 
    else if(re_send)                
	                     re_send_cnt <= re_send_cnt + 1'b1;
    else                 re_send_cnt <= re_send_cnt;

  always @ (posedge clka,negedge rst_n)
         if(!rst_n)      wr_addr <= 9'd0;
	else if(send_done)	 wr_addr <= 9'd0;		 
	else if(wea)	     wr_addr <= wr_addr + 1'b1;
    	
  always @ (posedge clka,negedge rst_n)
         if(!rst_n)      rd_addr <= 9'd0;
	else if(send_done)	 rd_addr <= 9'd0;		 
	else if(enb)	     rd_addr <= rd_addr + 1'b1;

如果发送完0.5s还是没接收应答就会再次发送，直至有应答或者发了四五次，说明需要排查问题了。

4.发送仲裁

always @ (*) begin 
      if(!sys_rst_n)
      next_state = IDLE;
	else 
   	case(cur_state)   	
	    IDLE    :   if(cnt == CNT_MAX)begin 
		             if(tx_start_edge)
                         next_state = TX_START;
                else if(tx_ack_edge)
                         next_state = TX_ACK;
                else if(tx_data_en_edge)
                         next_state = TX_DATA;				
                else     next_state = IDLE; end
				    else next_state = IDLE;                       				
        TX_START:    if(tx_done)
		                 next_state = IDLE; 
                else     next_state = TX_START;  
        TX_ACK  :    if(tx_done)
		                 next_state = IDLE; 
                else     next_state = TX_ACK;  
        TX_DATA :    if(tx_done)
		                 next_state = IDLE; 
                else     next_state = TX_DATA;  
        default :        next_state = IDLE;
    endcase 
end	

TX_START为三握四挥的时候的以太网发送，TX_ACK为应答时的以太网发送，TX_DATA为有效数据时候的发送，可以看出三握四挥的时优先级最高。

5.数据回环

实现上面的几个模块就可以做到数据回环的实现了，当然前提是其他都没问题。
上位机发送数据是默认先应答，再回传。从仿真来看：
1是建立连接的三个包，2是发送数据，3是发送成功收到的应答包，4是数据回传过来，5是收到数据包的应答，仿真是没问题的。

如图上位机发送了一条数据，也收到了数据相同的数据，wireshark也抓到了两条应答包两条数据包。说明回环实验成功了。

总结

以上结束，包括学习和实现断断续续用了一个月，调试了也花了许多时间，还是感觉相当不易，虽然只做了tcp的一些基础内容，但是互相通信也没有问题，今后有机会再好好完善吧，TCP/ip毕竟是个很复杂的东西，硬件全部实现也不可能，不然FPGA关于tcp这方面的东西也不会这么少。