CN111726361B - 一种以太网通信协议栈系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以太网通信协议栈系统及实现方法，采用MAC数据仲裁模块对接收数据进行解析得到接收数据的数据类型，然后对不同类型数据采用专有模块进行数据校验，采用IP接收模块、ARP接收模块或ICMP接收模块分别对不同类型数据进行解包处理，采用实时校验，减小协议栈时间开销，最后利用MAC数据仲裁模块用于对IP发送模块、ARP发送模块和ICMP发送模块发送数据进行优先级仲裁发送，本发明结构简单，延迟低、易扩展，实现简单，传输数据时，同步进行校验，耗时较小，将逻辑设计映射到可编程逻辑器件中实现，并对协议栈功能进行测试，测试结果表明本发明具有很好的可实施性，且性能满足预期，适用于不具备标准软件协议栈的以太网通信领域。

Description

一种以太网通信协议栈系统及实现方法

技术领域

本发明涉及一种全数字电路设计的以太网通信协议栈，具体涉及一种以太网通信协议栈系统及实现方法。

背景技术

目前使用以太网通信的方式，主要是在CPU平台上采用软件标准TCP/IP通信协议栈，与其他以太网设备进行通信。这种通信方式的前提是有一个性能较高的处理器。当处理器性能较低、内存空间有限时，无法实现通信协议栈，不能进行以太网通信。例如，在一些使用传统8位或16位单片机的电子系统中，很难使用以太网进行通信，无法满足电子系统网络化、一体化的需求。而目前现有技术中，没有UDP/IP协议栈硬件编程实现的具体方法，也未对如何降低通信协议栈时间开销进行深入研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以太网通信协议栈系统及实现方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种以太网通信协议栈系统，包括IP接收模块、IP发送模块、UDP接收模块、UDP发送模块、ARP接收模块、ARP发送模块、ARP高速缓存模块、ICMP接收模块、ICMP发送模块、应用层通信接口控制模块、MAC数据仲裁模块和节点配置信息模块；

MAC数据仲裁模块用于对接收数据进行解析得到接收数据的数据类型，并根据数据类型将接收数据传输至IP接收模块、ARP接收模块或ICMP接收模块；

IP接收模块用于对接收的数据包进行IP数据解包处理，通过分析IP数据首部将解包得到的有效数据传输至UDP接收模块；

UDP接收模块对IP接收模块发送的有效数据进行解包处理，剥离得到应用层实际通信数据，并将剥离得到的应用层实际通信数据传输至应用层通信接口控制模块；

UDP发送模块用于接收应用层通信接口控制模块发送的应用层数据，并对接收的应用层数据添加UDP首部，组成标准UDP数据并传送于IP发送模块，IP发送模块对UDP数据添加IP层首部，并将添加IP层首部后的IP层首部作为MAC帧通过MAC数据仲裁模块发送；

ARP发送模块用于查询目标IP地址对应的MAC地址，ARP接收模块用于接收对方主机返回的ARP应答并更新本地ARP高速缓存模块；ARP高速缓存模块用于存储IP地址和MAC地址的映射表；

ICMP接收模块和ICMP发送模块用于响应对方主机发送的数据命令，根据数据命令解析出目标IP地址，将解析的目标IP地址与本协议栈MAC地址相比较，当两者相同时，向对方主机回发ICMP数据包，若不一致，则丢弃该数据命令；节点配置信息模块用于对应用层通信接口控制模块进行配置；应用层通信接口控制模块用于与外部数据交互；

MAC数据仲裁模块用于对IP发送模块、ARP发送模块和ICMP发送模块发送数据进行优先级仲裁发送。

进一步的，IP接收模块通过对接收的数据包IP数据首部进行校验，将校验值进行合法性判断，若校验值符合设定值，则将解析的有效UDP数据发送给UDP接收模块。

进一步的，IP层首部包括IP协议版本、首部长度、服务类型、生存周期、源IP地址和目标IP地址。

进一步的，ARP发送模块首先搜索ARP高速缓存模块，如果没有查询目标IP地址对应的MAC地址映射记录，则发送一个ARP请求，当ARP接收模块收到对方主机返回的ARP应答，即可获得查询目标IP地址对应的MAC地址，更新本地ARP高速缓存模块。

进一步的，对于目标IP采用定时发送ARP的方式。

进一步的，应用层通信接口控制模块采用应用层封装通信接口，包括32位、16位或8位接口。

进一步的，当IP发送模块、ARP发送模块和ICMP发送模块同时发送数据，则依次按照ARP发送模块、ICMP发送模块、IP发送模块发送数据顺序进行处理。

进一步的，IP发送模块在接收到UDP发送模块送来的数据时，首先将校验和字段清零，然后对每16位数据进行二进制求和，将最终和值进行去反，得到值即为IP层校验值；IP接收模块在接收MAC数据仲裁模块发送数据过程中，首先将校验和字段清零，然后对每16位数据进行二进制求和，将最终和值进行取反得到校验值。

进一步的，节点配置信息模块用于对应用层通信接口控制模块提供本地IP地址、本地MAC地址和本地UDP端口信息。

一种以太网通信协议栈系统实现方法，包括以下步骤：

步骤1)、利用MAC数据仲裁模块对接收数据进行解析得到接收数据的数据类型，并根据数据类型将接收数据传输至IP接收模块、ARP接收模块或ICMP接收模块；

步骤2)、通过IP接收模块用于对接收的数据包进行IP数据解包处理，通过分析IP数据首部将解包得到的有效数据传输至UDP接收模块；

利用ICMP接收模块和ICMP发送模块响应对方主机发送的数据命令，根据数据命令解析出目标IP地址，将解析的目标IP地址与本协议栈MAC地址相比较，当两者相同时，向对方主机回发ICMP数据包，若不一致，则丢弃该数据命令；通过节点配置信息模块对应用层通信接口控制模块进行配置；

步骤3)、利用UDP接收模块对IP接收模块发送的有效数据进行解包处理，剥离得到应用层实际通信数据，并将剥离得到的应用层实际通信数据传输至应用层通信接口控制模块；

步骤4)、利用UDP发送模块接收应用层通信接口控制模块发送的应用层数据，并对接收的应用层数据添加UDP首部，组成标准UDP数据并传送于IP发送模块，通过IP发送模块对UDP数据添加IP层首部，并将添加IP层首部后的IP层首部作为MAC帧通过MAC数据仲裁模块发送；

步骤5)、通过ARP发送模块查询目标IP地址对应的MAC地址，如果没有查询目标IP地址对应的MAC地址映射记录，则发送一个ARP请求，通过ARP接收模块接收对方主机返回的ARP应答并更新本地ARP高速缓存模块；

步骤6)、最后通过MAC数据仲裁模块对IP发送模块、ARP发送模块和ICMP发送模块发送数据进行优先级仲裁发送。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种以太网通信协议栈系统，采用MAC数据仲裁模块对接收数据进行解析得到接收数据的数据类型，然后对不同类型数据采用专有模块进行数据校验，采用IP接收模块、ARP接收模块或ICMP接收模块分别对不同类型数据进行解包处理，采用实时校验，减小协议栈时间开销，最后利用MAC数据仲裁模块用于对IP发送模块、ARP发送模块和ICMP发送模块发送数据进行优先级仲裁发送，本发明结构简单，延迟低、易扩展，实现简单，传输数据时，同步进行校验，耗时较小，将逻辑设计映射到可编程逻辑器件中实现，并对协议栈功能进行测试，测试结果表明本发明具有很好的可实施性，且性能满足预期，适用于不具备标准软件协议栈的以太网通信领域。

进一步的，采用定时发送ARP的方式能够实时检测和维持网络通信。

进一步的，本申请通过MAC数据仲裁模块和IP接收模块均进行了数据校验，简化UDP校验项，简化了结构，数据可靠性强，提高了效率。

本发明一种以太网通信协议栈系统实现方法，解决了软件标准协议栈非实时校验带来的延迟开销大等问题。本发明由硬件逻辑实现，协议栈延迟小于1us，数据传输效率较高。

附图说明

图1本发明控制器结构示意图。

其中，1为MAC数据仲裁模块、2为IP接收模块、3为IP发送模块、4为ARP发送模块、5为ARP接收模块、6为ICMP发送模块、7为ICMP接收模块、8为UDP接收模块、9为UDP发送模块、10为ARP高速缓存模块、11为节点配置信息模块、12为应用层通信接口控制模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种以太网通信协议栈系统，包括IP接收模块2、IP发送模块3、UDP接收模块8、UDP发送模块9、ARP接收模块5、ARP发送模块4、ARP高速缓存模块10、ICMP接收模块7、ICMP发送模块6、应用层通信接口控制模块12、MAC数据仲裁模块1和节点配置信息模块11；

MAC数据仲裁模块1用于对接收数据进行解析得到接收数据的数据类型，并根据数据类型将接收数据传输至IP接收模块2、ARP接收模块5或ICMP接收模块7；数据类型包括帧类型和地址类型。

IP接收模块2用于对接收的数据包进行IP数据解包处理，通过分析IP数据首部，解析出有效数据，即UDP数据，并将解包得到的有效数据传输至UDP接收模块8；

具体的，IP接收模块2通过对接收的数据包IP数据首部进行校验，将校验值进行合法性判断，若校验值符合设定值，则将解析的有效UDP数据发送给UDP接收模块8，否则丢弃。

UDP接收模块8对IP接收模块2发送的有效数据进行解包处理，剥离得到应用层实际通信数据，并将剥离得到的应用层实际通信数据传输至应用层通信接口控制模块12；

UDP发送模块用于接收应用层通信接口控制模块12发送的应用层数据，并对接收的应用层数据添加UDP首部，组成标准UDP数据并传送于IP发送模块3，IP发送模块3对UDP数据添加IP层首部，并将添加IP层首部后的IP层首部作为MAC帧通过MAC数据仲裁模块发送；IP层首部包括IP协议版本、首部长度、服务类型、生存周期、源IP地址和目标IP地址。

ARP发送模块用于查询目标IP地址对应的MAC地址，ARP接收模块用于接收对方主机返回的ARP应答，具体的，ARP发送模块首先搜索ARP高速缓存模块，如果没有查询目标IP地址对应的MAC地址映射记录，则发送一个ARP请求，当ARP接收模块收到对方主机返回的ARP应答，即可获得查询目标IP地址对应的MAC地址，更新本地ARP高速缓存模块；本协议栈对于目标IP，采用定时发送ARP的方式用以实时检测和维持网络通信。

ARP高速缓存模块10用于存储IP地址和MAC地址的映射表，支持老化和更新。

ICMP接收模块7和ICMP发送模块6用于响应对方主机发送的数据命令，根据数据命令解析出目标IP地址，将解析的目标IP地址与本协议栈MAC地址相比较，当两者相同时，向对方主机回发ICMP数据包，若不一致，则丢弃该数据命令。具体的，ICMP接收模块7用于对接收的数据包进行数据解包，根据解包数据的目标IP和本地IP是否一致，若不一致，则丢弃该数据，若一致，则通过ICMP发送模块6发送包含本地IP地址和MAC地址对应关系的ICMP帧。

应用层通信接口控制模块用于与外部数据交互，采用应用层封装通信接口，包括32位、16位或8位接口，应用层通信接口控制模块内配置目标IP地址、源IP地址和源MAC地址。应用层通信接口控制模块可以是FPGA内部设计的一个模块，用于FPGA以太网通信场合，应用层通信接口控制模块也可以是微处理器的软件接口，微处理器软件只需向FPGA发送实际通信数据，FPGA完成以太网协议栈和MAC帧的打包发送；微处理器可以直接从FPGA读取对方主机实际发送的数据，无需关心以太网通信协议细节。

MAC数据仲裁模块用于对IP发送模块3、ARP发送模块4和ICMP发送模块6发送数据进行优先级仲裁，优先级从高到低的顺序为ARP发送模块、ICMP发送模块、IP发送模块，即当IP发送模块3、ARP发送模块4和ICMP发送模块6同时发送数据，则依次按照ARP发送模块、ICMP发送模块、IP发送模块发送数据顺序进行处理。

节点配置信息模块11用于对应用层通信接口控制模块12进行配置，为通信提供本地IP地址、本地MAC地址和本地UDP端口信息。

本发明采用硬件实现实时校验，IP发送模块3在接收到UDP发送模块9送来的数据时，首先将校验和字段清零，然后对每16位数据进行二进制求和，将最终和值进行去反，得到值即为IP层校验值；IP接收模块2在接收MAC数据仲裁模块1发送数据过程中，首先将校验和字段清零，然后对每16位数据进行二进制求和，将最终和值进行取反得到校验值；当MAC解析接收帧类型为IP帧时，直接将提前计算的校验值送给IP层，无需IP层二次计算，降低IP校验的时间开销。本发明通过以太网通信协议栈系统，解决了软件标准协议栈非实时校验带来的延迟开销大等问题。本发明太网通信协议栈系统由硬件逻辑实现，协议栈延迟小于1us，数据传输效率较高。

下面结合附图对本发明的结构原理和使用步骤作进一步说明：

MAC数据仲裁模块1接收MAC层数据，并解析出帧类型和地址类型，如将IP类的数据传输至IP接收模块2，将ARP类的数据传输至ARP接收模块5，将ICMP类的数据传输至ICMP接收模块7；同时MAC数据仲裁模块1对IP发送模块3、ARP发送模块4和ICMP发送模块6的发送请求进行仲裁，即ARP发送、IP发送、ICMP发送，保证优先级顺序为ARP发送、ICMP发送、IP发送。

IP接收模块2用于判断接收到MAC数据仲裁模块1提供的帧类型为IP帧时，对IP数据进行校验和解包处理，并将解出的UDP数据提供给UDP接收模块8，UDP接收模块8对UDP数据进行校验和解包处理，当校验正确后，将实际接收的数据提供给应用层通信接口控制模块12；

UDP发送模块9接收应用层通信接口控制模块12传送的应用层数据，为数据添加UDP首部，组成UDP数据，将数据传递给IP发送模块3，IP发送模块3将UDP数据打包成IP数据，传递给MAC数据仲裁模块1；

ARP发送模块4定时向MAC数据仲裁模块1发送ARP帧，用来获得目标IP对应的MAC地址信息，ARP接收模块5判断到MAC数据仲裁模块1提供的帧类型为ARP类型时，将数据帧解包，获得IP地址与MAC地址的对应关系，并更新ARP高速缓存模块10。ARP高速缓存模块10存储IP地址和MAC地址的映射关系，ARP高速缓存模块10负责对映射关系进行老化和更新处理。

ICMP接收模块7判断到MAC数据仲裁模块1提供的帧类型为ICMP帧时，对数据解包，分析目标IP和本地IP是否一致，若不一致，则丢弃数据，若一致，则通过ICMP发送模块6发送包含本地IP地址和MAC地址对应关系的ICMP帧。

应用层通信接口控制模块12为应用层提供通信接口，将发送数据传递给UDP发送模块9，并将UDP接收模块8传输的数据作为以太网接收数据提供给应用层读取。节点配置信息模块11存储节点的相关配置信息，可通过应用层通信接口控制模块12进行读写。

表1实时校验示例

对于表1来说，校验初始值置为0，每接收或者发送一个16位数据，进行二进制累加，接收或者发送完毕后，将累加值进行按位取反得到校验值。这种校验方法，实现简单，传输数据时，同步进行校验，耗时较小。

根据上述方案，用Verilog HDL语言对以太网通信协议栈进行描述，并完成逻辑综合与布局布线；将逻辑设计映射到可编程逻辑器件中实现，并对协议栈功能进行测试。测试结果表明本发明具有很好的可实施性，且性能满足预期。

Claims (7)

1.一种以太网通信协议栈系统，其特征在于，包括IP接收模块（2）、IP发送模块（3）、UDP接收模块（8）、UDP发送模块（9）、ARP接收模块（5）、ARP发送模块（4）、ARP高速缓存模块（10）、ICMP接收模块（7）、ICMP发送模块（6）、应用层通信接口控制模块（12）、MAC数据仲裁模块（1）和节点配置信息模块（11）；

MAC数据仲裁模块（1）用于对接收数据进行解析得到接收数据的数据类型，并根据数据类型将接收数据传输至IP接收模块（2）、ARP接收模块（5）或ICMP接收模块（7）；

IP接收模块（2）通过对接收的数据包IP数据首部进行校验，将校验值进行合法性判断，若校验值符合设定值，则将解析的有效UDP数据发送给UDP接收模块（8）；

UDP接收模块（8）对IP接收模块（2）发送的有效数据进行解包处理，剥离得到应用层实际通信数据，并将剥离得到的应用层实际通信数据传输至应用层通信接口控制模块（12）；

UDP发送模块（9）用于接收应用层通信接口控制模块（12）发送的应用层数据，并对接收的应用层数据添加UDP首部，组成标准UDP数据并传送于IP发送模块（3），IP发送模块（3）对UDP数据添加IP层首部，并将添加IP层首部后的IP层首部作为MAC帧通过MAC数据仲裁模块（1）发送；

IP发送模块（3）在接收到UDP发送模块（9）送来的数据时，首先将校验和字段清零，然后对每16位数据进行二进制求和，将最终和值进行去反，得到值即为IP层校验值；IP接收模块（2）在接收MAC数据仲裁模块（1）发送数据过程中，首先将校验和字段清零，然后对每16位数据进行二进制求和，将最终和值进行取反得到校验值；

ARP发送模块（4）用于查询目标IP地址对应的MAC地址，ARP接收模块（5）用于接收对方主机返回的ARP应答并更新本地ARP高速缓存模块；ARP高速缓存模块（10）用于存储IP地址和MAC地址的映射表；

ICMP接收模块（7）和ICMP发送模块（6）用于响应对方主机发送的数据命令，根据数据命令解析出目标IP地址，将解析的目标IP地址与本协议栈MAC地址相比较，当两者相同时，向对方主机回发ICMP数据包，若不一致，则丢弃该数据命令；节点配置信息模块（11）用于对应用层通信接口控制模块（12）进行配置；应用层通信接口控制模块（12）用于与外部数据交互；

MAC数据仲裁模块用于对IP发送模块（3）、ARP发送模块（4）和ICMP发送模块（6）发送数据进行优先级仲裁发送，具体的当IP发送模块（3）、ARP发送模块（4）和ICMP发送模块（6）同时发送数据，则依次按照ARP发送模块、ICMP发送模块、IP发送模块发送数据顺序进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种以太网通信协议栈系统，其特征在于，IP层首部包括IP协议版本、首部长度、服务类型、生存周期、源IP地址和目标IP地址。

3.根据权利要求1所述的一种以太网通信协议栈系统，其特征在于，ARP发送模块首先搜索ARP高速缓存模块，如果没有查询目标IP地址对应的MAC地址映射记录，则发送一个ARP请求，当ARP接收模块收到对方主机返回的ARP应答，即可获得查询目标IP地址对应的MAC地址，更新本地ARP高速缓存模块。

4.根据权利要求3所述的一种以太网通信协议栈系统，其特征在于，对于目标IP采用定时发送ARP的方式。

5.根据权利要求1所述的一种以太网通信协议栈系统，其特征在于，应用层通信接口控制模块采用应用层封装通信接口，包括32位、16位或8位接口。

6.根据权利要求1所述的一种以太网通信协议栈系统，其特征在于，节点配置信息模块(11) 用于对应用层通信接口控制模块（12）提供本地IP地址、本地MAC地址和本地UDP端口信息。

7.一种以太网通信协议栈系统实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）、利用MAC数据仲裁模块对接收数据进行解析得到接收数据的数据类型，并根据数据类型将接收数据传输至IP接收模块、ARP接收模块或ICMP接收模块；

步骤2）、通过对接收的数据包IP数据首部进行校验，将校验值进行合法性判断，若校验值符合设定值，则将解析的有效UDP数据发送给UDP接收模块；

利用ICMP接收模块和ICMP发送模块响应对方主机发送的数据命令，根据数据命令解析出目标IP地址，将解析的目标IP地址与本协议栈MAC地址相比较，当两者相同时，向对方主机回发ICMP数据包，若不一致，则丢弃该数据命令；通过节点配置信息模块对应用层通信接口控制模块进行配置；

步骤3）、利用UDP接收模块对IP接收模块发送的有效数据进行解包处理，剥离得到应用层实际通信数据，并将剥离得到的应用层实际通信数据传输至应用层通信接口控制模块；

步骤4）、利用UDP发送模块接收应用层通信接口控制模块发送的应用层数据，并对接收的应用层数据添加UDP首部，组成标准UDP数据并传送于IP发送模块，通过IP发送模块对UDP数据添加IP层首部，并将添加IP层首部后的IP层首部作为MAC帧通过MAC数据仲裁模块发送；利用IP发送模块在接收到UDP发送模块送来的数据时，首先将校验和字段清零，然后对每16位数据进行二进制求和，将最终和值进行去反，得到值即为IP层校验值；IP接收模块在接收MAC数据仲裁模块发送数据过程中，首先将校验和字段清零，然后对每16位数据进行二进制求和，将最终和值进行取反得到校验值；

步骤5）、通过ARP发送模块查询目标IP地址对应的MAC地址，如果没有查询目标IP地址对应的MAC地址映射记录，则发送一个ARP请求，通过ARP接收模块接收对方主机返回的ARP应答并更新本地ARP高速缓存模块；

步骤6）、最后通过MAC数据仲裁模块对IP发送模块、ARP发送模块和ICMP发送模块发送数据进行优先级仲裁发送；当IP发送模块、ARP发送模块和ICMP发送模块同时发送数据，则依次按照ARP发送模块、ICMP发送模块、IP发送模块发送数据顺序进行处理。

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