CN113452804B - 基于vhdl语言实现arp和udp协议数据通信的星载通信装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置，包括太网物理层同步模块、ARP/UDP数据解析模块、并行CRC校验模块、以ARP数据解析模块、ARP学习控制模块、ARP接收模块、ARP发送及应答模块、UDP数据控制模块、UDP数据解析模块、UDP数据接收模块、UDP数据发送模块和ARP/UDP数据发送选择模块。本发明使用VHDL语言完成ARP协议数据和UDP协议数据的区分，完成ARP申请和对ARP请求的应答，完成UDP数据的接收和发送。本发明具有处理数据协议通用、资源占用少、可移植性好等优点，可在各种型号FPGA上应用，特别适用于简单的UDP报文处理，避免使用复杂的协议栈。

Description

基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置
技术领域
本发明涉及通信领域，可以应用在各种型号FPGA上，使用VHDL语言，使用简单的SLICE资源完成复杂UDP报文处理和ARP学习过程，避免使用复杂的协议栈完成UDP报文通信。
背景技术
随着卫星处理的数据量不断增加，普通的LVDS接口已经难以满足高速接口数据传输，使用高速的接口总线技术解决了高速接口数据传输的问题，但是每种高速的接口总线技术接口不通用，导致研制和测试过程中出现许多陪测设备需要重新开发的问题，基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置可以直接接收PC机发送UDP数据和ARP数据，在保证了高速数据传输的基础上实现接口通用化、模块化，提高了星载设备开发效率，缩短了研制周期，减少人员投入。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于避免上述背景技术中的不足之处，基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置可以解决上述不足。本发明具有处理数据协议通用、资源占用少、可移植性好等优点，能够最大限度降低UDP通信的星载硬件复杂度，具有很好的应用价值。
本发明采用的技术方案为：
基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置，包括太网物理层同步模块1、ARP/UDP数据解析模块2、并行CRC校验模块3、以ARP数据解析模块4、ARP学习控制模块5、ARP接收模块6、ARP发送及应答模块7、UDP数据控制模块8、UDP数据解析模块9、UDP数据接收模块10、UDP数据发送模块11和ARP/UDP数据发送选择模块12；
所述的以太网物理层同步模块1接收以太网输入数据，搜索以太网的同步码和帧定位标志，并依靠同步码和帧定位标志进行以太网数据同步，生成同步后数据，将同步后数据送给ARP/UDP数据解析模块2；ARP/UDP数据解析模块2对同步后数据进行区分，分出ARP输入数据和UDP输入数据，将ARP输入数据送给ARP数据解析模块4，将UDP输入数据送给UDP数据解析模块9；ARP数据解析模块4调用并行CRC校验模块3对ARP输入数据进行CRC校验，如果校验正确，则对ARP输入数据进行协议解析，将协议解析后的信息跟随ARP输入数据送给ARP接收模块6，如果校验错误，则丢弃ARP输入数据；ARP接收模块6对接收的ARP输入数据进行ARP报文解析，分出ARP申请输入数据和ARP应答输入数据，送给ARP学习控制模块5；ARP学习控制模块5收到ARP申请输入数据时，生成ARP应答输出控制信号送给ARP发送及应答模块7，收到ARP应答输入数据时，生成ARP申请输出控制信号送给ARP发送及应答模块7，并解析出目的MAC地址送给UDP数据控制模块8；ARP发送及应答模块7接收ARP申请输出控制信号和ARP应答输出控制信号，调用并行CRC校验模块3对ARP申请输出控制信号和ARP应答输出控制信号进行CRC校验，分别输出ARP申请输出数据和ARP应答输出数据送给ARP/UDP数据发送选择模块12；UDP数据控制模块8接收ARP学习控制模块5送来的目的MAC地址，将目的MAC地址送给UDP数据解析模块9、UDP数据接收模块10和UDP数据发送模块11；UDP数据解析模块9接收UDP数据控制模块8送来的目的MAC地址，接收ARP/UDP数据解析模块2送来的UDP输入数据，对UDP输入数据进行目的MAC地址过滤，并调用并行CRC校验模块3对UDP输入数据进行CRC校验，生成UDP接收数据送给UDP数据接收模块10；UDP数据接收模块10接收UDP数据控制模块8送来的目的MAC地址，接收UDP数据解析模块9送来的UDP接收数据，对UDP接收数据的数据类型和目的MAC地址进行判断，之后将UDP接收数据根据UDP协议进行解析，解析出目的IP地址、目的端口号和源端口号信息，并判断解析信息的正确性，将判断正确的UDP接收数据转换为接收的业务数据输出；UDP数据发送模块11接收UDP数据控制模块8送来的目的MAC地址，接收需要输出的业务数据，根据UDP协议调用并行CRC校验模块3对需要输出的业务数据加CRC校验,并封装目的MAC地址，生成UDP输出数据，送给ARP/UDP数据发送选择模块12；ARP/UDP数据发送选择模块12接收ARP发送及应答模块7送来的ARP申请输出数据和ARP应答输出数据以及UDP数据发送模块11送来UDP输出数据，在设定的机制下，将两种数据分时处理合并成一路数据，生成以太网输出数据并输出。
进一步的，所述的以太网物理层同步模块1搜索以太网的同步码和帧定位标志，以太网的同步码和帧定位标志为8个字节，内容为AAAAAAAAAAAAAAAB，经过变换后以太网物理层同步模块1的搜索内容为55555555555555D5，以太网物理层同步模块1搜索的同步码和帧定位标志根据实际需要进行配置。
进一步的，所述的ARP/UDP数据解析模块2根据协议类型字段对ARP协议数据和UDP协议数据进行区分，0806为ARP协议数据，0800为UDP协议数据，并产生相应的控制信息跟随数据一起输出。
进一步的，所述的ARP数据解析模块4对ARP输入数据进行协议解析，解析出的信息包括硬件类型、ARP协议类型、硬件地址长度、ARP协议长度、源MAC地址、源IP地址、目的MAC地址和目的IP地址。
进一步的，所述的ARP学习控制模块5的处理过程具体为：当接收到对方发出的ARP申请输入数据时，进行ARP应答，同时记录对方的源MAC地址和源IP地址的对应关系，生成ARP应答输出控制信号送给ARP发送及应答模块7，完成ARP的学习；当设定时间内没有进行业务通信时，ARP学习控制模块5主动控制对目的IP地址进行ARP申请，生成ARP申请输出控制信号送给ARP发送及应答模块7，待接收到对方发出的ARP应答输入数据后解析出目的MAC地址，将目的MAC地址送给UDP数据控制模块8，完成ARP的学习。
进一步的，所述的UDP数据接收模块10将UDP接收数据根据UDP协议进行解析，解析出目的IP地址、目的端口号和源端口号信息，并判断解析信息的正确性，具体过程为：
将UDP接收数据根据UDP协议进行解析，解析出IP数据包头中第20个字节，若为“11”则代表是UDP数据，然后判断目的IP地址是否为192.168.8.15，如果是即为本装置的UDP数据，并根据IP数据包头中第3和4字节，判断接收UDP数据的长度，判断源UDP端口号是否为D6DA，且目的UDP端口号是否为D6D8，如果是，则判断解析信息正确，将判断正确的UDP接收数据转换为接收的业务数据输出。
进一步的，所述的ARP/UDP数据发送选择模块12完成选择输出UDP输出数据或者ARP输出数据，选择输出的机制是先到数据类型先输出，两种数据类型同时到达，判断设定时间内是否输出过此源IP地址的ARP输出应答，如果设定时间内输出过此源IP地址的ARP输出应答，则不进行ARP应答，将UDP输出数据输出，如果设定时间内没有输出过此源IP地址的ARP输出应答，将UDP输出数据缓存，优先输出ARP输出数据，之后再输出UDP输出数据。
本发明相比背景技术具有如下优点：
1.本发明能够使用VHDL语言完成ARP协议数据学习过程，完成ARP数据的申请和应答，协议处理简单，适应性强，对硬件要求简单。
2.本发明能够使用VHDL语言完成UDP协议数据接收和发送，完成UDP基础协议的处理，功能实现简单，适应性强，对硬件要求简单。
3.本发明能够将基带处理接口做到通用化，可以直接同以太网接口的设备进行通信，可以适应高速、中速、低速各种基带数据传输。
4.本发明的组成部件采用大规模现场可编程器件制作，具有硬件电路简单、体积小、成本低廉、性能稳定可靠等优点，基带接口采用通用化、模块化设计，提高星载设备开发效率，缩短研制周期，减少人员投入，在工程中使用性强。
附图说明
图1是本发明基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置实施例电原理图。
具体实施方式
参照图1，本发明基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置，包括以太网物理层同步模块1、ARP/UDP数据解析模块2、并行CRC校验模块3、ARP数据解析模块4、ARP学习控制模块5、ARP接收模块6、ARP发送及应答模块7、UDP数据控制模块8、UDP数据解析模块9、UDP数据接收模块10、UDP数据发送模块11和ARP/UDP数据发送选择模块12。图1是本发明基于VHDL语言实现ARP协议数据和UDP协议数据的星载通信装置的实施例电原理图，实施例按照图1连接线路。
所述的以太网物理层同步模块1接收以太网输入数据，搜索以太网的同步码和帧定位标志，并依靠同步码和帧定位标志进行以太网数据同步，生成同步后数据，将同步后数据送给ARP/UDP数据解析模块2；其中，以太网的同步码和帧定位标志为8个字节，内容为AAAAAAAAAAAAAAAB，经过变换后以太网物理层同步模块1的搜索内容为55555555555555D5，以太网物理层同步模块1搜索的同步码和帧定位标志根据实际需要进行配置；
ARP/UDP数据解析模块2对同步后数据进行区分，分出ARP输入数据和UDP输入数据，将ARP输入数据送给ARP数据解析模块4，将UDP输入数据送给UDP数据解析模块9；其中，根据协议类型字段对ARP协议数据和UDP协议数据进行区分，0806为ARP协议数据，0800为UDP协议数据，并产生相应的控制信息跟随数据一起输出；
ARP数据解析模块4调用并行CRC校验模块3对ARP输入数据进行CRC校验，如果校验正确，则对ARP输入数据进行协议解析，解析出的信息包括硬件类型、ARP协议类型、硬件地址长度、ARP协议长度、源MAC地址、源IP地址、目的MAC地址和目的IP地址，将协议解析后的信息跟随ARP输入数据送给ARP接收模块6，如果校验错误，则丢弃ARP输入数据；
ARP接收模块6对接收的ARP输入数据进行ARP报文解析，分出ARP申请输入数据和ARP应答输入数据，送给ARP学习控制模块5；
ARP学习控制模块5收到ARP申请输入数据时，生成ARP应答输出控制信号送给ARP发送及应答模块7，收到ARP应答输入数据时，生成ARP申请输出控制信号送给ARP发送及应答模块7，并解析出目的MAC地址送给UDP数据控制模块8；具体处理过程为：当接收到对方发出的ARP申请输入数据时，进行ARP应答，同时记录对方的源MAC地址和源IP地址的对应关系，生成ARP应答输出控制信号送给ARP发送及应答模块7，完成ARP的学习；当设定时间内没有进行业务通信时，ARP学习控制模块5主动控制对目的IP地址进行ARP申请，生成ARP申请输出控制信号送给ARP发送及应答模块7，待接收到对方发出的ARP应答输入数据后解析出目的MAC地址，将目的MAC地址送给UDP数据控制模块8，完成ARP的学习。
ARP发送及应答模块7接收ARP申请输出控制信号和ARP应答输出控制信号，调用并行CRC校验模块3对ARP申请输出控制信号和ARP应答输出控制信号进行CRC校验，分别输出ARP申请输出数据和ARP应答输出数据送给ARP/UDP数据发送选择模块12；
UDP数据控制模块8接收ARP学习控制模块5送来的目的MAC地址，将目的MAC地址送给UDP数据解析模块9、UDP数据接收模块10和UDP数据发送模块11；
UDP数据解析模块9接收UDP数据控制模块8送来的目的MAC地址，接收ARP/UDP数据解析模块2送来的UDP输入数据，对UDP输入数据进行目的MAC地址过滤，并调用并行CRC校验模块3对UDP输入数据进行CRC校验，生成UDP接收数据送给UDP数据接收模块10；
UDP数据接收模块10接收UDP数据控制模块8送来的目的MAC地址，接收UDP数据解析模块9送来的UDP接收数据，对UDP接收数据的数据类型和目的MAC地址进行判断，之后将UDP接收数据根据UDP协议进行解析，解析出目的IP地址、目的端口号和源端口号信息，并判断解析信息的正确性，将判断正确的UDP接收数据转换为接收的业务数据输出；其中，判断的具体过程为：解析出IP数据包头中第20个字节，若为“11”则代表是UDP数据，然后判断目的IP地址是否为192.168.8.15，如果是即为本装置的UDP数据，并根据IP数据包头中第3和4字节，判断接收UDP数据的长度，判断源UDP端口号是否为D6DA，且目的UDP端口号是否为D6D8，如果是，则判断解析信息正确，将判断正确的UDP接收数据转换为接收的业务数据输出。
UDP数据发送模块11接收UDP数据控制模块8送来的目的MAC地址，接收需要输出的业务数据，根据UDP协议调用并行CRC校验模块3对需要输出的业务数据加CRC校验,并封装目的MAC地址，生成UDP输出数据，送给ARP/UDP数据发送选择模块12；
ARP/UDP数据发送选择模块12接收ARP发送及应答模块7送来的ARP申请输出数据和ARP应答输出数据以及UDP数据发送模块11送来UDP输出数据，在设定的机制下，将两种数据分时处理合并成一路数据，生成以太网输出数据并输出。具体为：ARP/UDP数据发送选择模块12完成选择输出UDP输出数据或者ARP输出数据，选择输出的机制是先到数据类型先输出，两种数据类型同时到达，判断60s内是否输出过此源IP地址的ARP输出应答，如果60s内输出过此源IP地址的ARP输出应答，则不进行ARP应答，将UDP输出数据输出，如果60s内没有输出过此源IP地址的ARP输出应答，将UDP输出数据缓存，优先输出ARP输出数据，之后再输出UDP输出数据。
实施例中的各功能模块均可在一片Xilinx原厂生产的FPGA系列产品XC4VSX55型号上实现。

Claims (7)

1.一种基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置，包括并行CRC校验模块(3)、ARP接收模块(6)、ARP发送及应答模块(7)、UDP数据解析模块(9)、UDP数据控制模块(8)和UDP数据发送模块(11)；其特征在于，还包括以太网物理层同步模块(1)、ARP/UDP数据解析模块(2)、ARP数据解析模块(4)、ARP学习控制模块(5)、UDP数据接收模块(10)和ARP/UDP数据发送选择模块(12)；
所述的以太网物理层同步模块(1)接收以太网输入数据，搜索以太网的同步码和帧定位标志，并依靠同步码和帧定位标志进行以太网数据同步，生成同步后数据，将同步后数据送给ARP/UDP数据解析模块(2)；ARP/UDP数据解析模块(2)对同步后数据进行区分，分出ARP输入数据和UDP输入数据，将ARP输入数据送给ARP数据解析模块(4)，将UDP输入数据送给UDP数据解析模块(9)；ARP数据解析模块(4)调用并行CRC校验模块(3)对ARP输入数据进行CRC校验，如果校验正确，则对ARP输入数据进行协议解析，将协议解析后的信息跟随ARP输入数据送给ARP接收模块(6)，如果校验错误，则丢弃ARP输入数据；ARP接收模块(6)对接收的ARP输入数据进行ARP报文解析，分出ARP申请输入数据和ARP应答输入数据，送给ARP学习控制模块(5)；ARP学习控制模块(5)收到ARP申请输入数据时，生成ARP应答输出控制信号送给ARP发送及应答模块(7)，收到ARP应答输入数据时，生成ARP申请输出控制信号送给ARP发送及应答模块(7)，并解析出目的MAC地址送给UDP数据控制模块(8)；ARP发送及应答模块(7)接收ARP申请输出控制信号和ARP应答输出控制信号，调用并行CRC校验模块(3)对ARP申请输出控制信号和ARP应答输出控制信号进行CRC校验，分别输出ARP申请输出数据和ARP应答输出数据送给ARP/UDP数据发送选择模块(12)；UDP数据控制模块(8)接收ARP学习控制模块(5)送来的目的MAC地址，将目的MAC地址送给UDP数据解析模块(9)、UDP数据接收模块(10)和UDP数据发送模块(11)；UDP数据解析模块(9)接收UDP数据控制模块(8)送来的目的MAC地址，接收ARP/UDP数据解析模块(2)送来的UDP输入数据，对UDP输入数据进行目的MAC地址过滤，并调用并行CRC校验模块(3)对UDP输入数据进行CRC校验，生成UDP接收数据送给UDP数据接收模块(10)；UDP数据接收模块(10)接收UDP数据控制模块(8)送来的目的MAC地址，接收UDP数据解析模块(9)送来的UDP接收数据，对UDP接收数据的数据类型和目的MAC地址进行判断，之后将UDP接收数据根据UDP协议进行解析，解析出目的IP地址、目的端口号和源端口号信息，并判断解析信息的正确性，将判断正确的UDP接收数据转换为接收的业务数据输出；UDP数据发送模块(11)接收UDP数据控制模块(8)送来的目的MAC地址，接收需要输出的业务数据，根据UDP协议调用并行CRC校验模块(3)对需要输出的业务数据加CRC校验,并封装目的MAC地址，生成UDP输出数据，送给ARP/UDP数据发送选择模块(12)；ARP/UDP数据发送选择模块(12)接收ARP发送及应答模块(7)送来的ARP申请输出数据和ARP应答输出数据以及UDP数据发送模块(11)送来UDP输出数据，在设定的机制下，将两种数据分时处理合并成一路数据，生成以太网输出数据并输出。
2.根据权利要求1所述的基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置，其特征在于，所述的以太网物理层同步模块(1)搜索以太网的同步码和帧定位标志，以太网的同步码和帧定位标志为8个字节，内容为AAAAAAAAAAAAAAAB，经过变换后以太网物理层同步模块(1)的搜索内容为55555555555555D5，以太网物理层同步模块(1)搜索的同步码和帧定位标志根据实际需要进行配置。
3.根据权利要求1所述的基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置，其特征在于，所述的ARP/UDP数据解析模块(2)根据协议类型字段对ARP协议数据和UDP协议数据进行区分，0806为ARP协议数据，0800为UDP协议数据，并产生相应的控制信息跟随数据一起输出。
4.根据权利要求1所述的基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置，其特征在于，所述的ARP数据解析模块(4)对ARP输入数据进行协议解析，解析出的信息包括硬件类型、ARP协议类型、硬件地址长度、ARP协议长度、源MAC地址、源IP地址、目的MAC地址和目的IP地址。
5.根据权利要求1所述的基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置，其特征在于，所述的ARP学习控制模块(5)的处理过程具体为：当接收到对方发出的ARP申请输入数据时，进行ARP应答，同时记录对方的源MAC地址和源IP地址的对应关系，生成ARP应答输出控制信号送给ARP发送及应答模块(7)，完成ARP的学习；当设定时间内没有进行业务通信时，ARP学习控制模块(5)主动控制对目的IP地址进行ARP申请，生成ARP申请输出控制信号送给ARP发送及应答模块(7)，待接收到对方发出的ARP应答输入数据后解析出目的MAC地址，将目的MAC地址送给UDP数据控制模块(8)，完成ARP的学习。
6.根据权利要求1所述的基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置，其特征在于，所述的UDP数据接收模块(10)将UDP接收数据根据UDP协议进行解析，解析出目的IP地址、目的端口号和源端口号信息，并判断解析信息的正确性，具体过程为：
将UDP接收数据根据UDP协议进行解析，解析出IP数据包头中第20个字节，若为“11”则代表是UDP数据，然后判断目的IP地址是否为192.168.8.15，如果是即为本装置的UDP数据，并根据IP数据包头中第3和4字节，判断接收UDP数据的长度，判断源UDP端口号是否为D6DA，且目的UDP端口号是否为D6D8，如果是，则判断解析信息正确，将判断正确的UDP接收数据转换为接收的业务数据输出。
7.根据权利要求1所述的基于VHDL语言实现ARP和UDP协议数据通信的星载通信装置，其特征在于，所述的ARP/UDP数据发送选择模块(12)完成选择输出UDP输出数据或者ARP输出数据，选择输出的机制是先到数据类型先输出，两种数据类型同时到达，判断设定时间内是否输出过此源IP地址的ARP输出应答，如果设定时间内输出过此源IP地址的ARP输出应答，则不进行ARP应答，将UDP输出数据输出，如果设定时间内没有输出过此源IP地址的ARP输出应答，将UDP输出数据缓存，优先输出ARP输出数据，之后再输出UDP输出数据。
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