大家好，又到了學(xué)習(xí)時(shí)間了，學(xué)習(xí)使人快樂。今天我們來簡(jiǎn)單的聊一聊以太網(wǎng)，以太網(wǎng)在FPGA學(xué)習(xí)中屬于比較高級(jí)的內(nèi)容了，有些同學(xué)肯定會(huì)感覺以太網(wǎng)學(xué)習(xí)起來非常不容易。其實(shí)，我可以告訴大家，前期學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)打扎實(shí)了，后期的學(xué)習(xí)也沒那么難?？傊褪钦f難沒那么難，說容易也不是那么容易。那么，言歸正傳，下面讓我們一起來聊一聊以太網(wǎng)的學(xué)習(xí)。
說起以太網(wǎng)，大家可能就會(huì)想到百兆以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)以及萬兆以太網(wǎng)等等。局域以太網(wǎng)從10M開始發(fā)展，經(jīng)歷幾多的變遷，發(fā)展到現(xiàn)在的千兆以太網(wǎng)。千兆以太網(wǎng)以高效、高速、高性能為特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在金融、商業(yè)、教育、政府機(jī)關(guān)及廠礦企業(yè)等行業(yè)。吉比特以太網(wǎng)，或譯千兆以太網(wǎng)是一個(gè)描述各種以吉比特每秒速率進(jìn)行以太網(wǎng)幀傳輸技術(shù)的術(shù)語，由IEEE 802.3-2005標(biāo)準(zhǔn)定義。該標(biāo)準(zhǔn)允許通過集線器連接的半雙工千兆連接，但是在市場(chǎng)上利用交換機(jī)的全雙工連接所達(dá)到的速度才真正符合標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)今，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制方面的應(yīng)用，成為了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。以太網(wǎng)具有價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展成熟，具有很高的性價(jià)比。采用以太網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備，可以通過ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，不需要進(jìn)行傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換，使用和維護(hù)設(shè)備簡(jiǎn)單。隨著技術(shù)的發(fā)展和各類應(yīng)用的需求，出現(xiàn)了各種以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，包括標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（10Mbit/s）、百兆以太網(wǎng)（100Mbit/s）、千兆以太網(wǎng)（1000Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)[1]。不同類型的以太網(wǎng)有其各自需要遵循的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)其所用的傳輸介質(zhì)以及數(shù)據(jù)吞吐量也各不相同。千兆以太網(wǎng)技術(shù)作為新一代的高速以太網(wǎng)技術(shù)，它可以提供1Gbps的通信帶寬，采用和傳統(tǒng)10M、100M以太網(wǎng)同樣的CSMA/CD協(xié)議、幀格式和幀長(zhǎng)、全/半雙工工作方式、流控模式以及布線系統(tǒng)，給用戶帶來了提高核心網(wǎng)絡(luò)的有效解決方案，這種解決方案的最大優(yōu)點(diǎn)是繼承了傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)價(jià)格便宜的特點(diǎn)。
對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，你就是要搞清楚弄明白以太網(wǎng)如何去實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際操作中怎么去做，從這個(gè)角度出發(fā)的話，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)沒那么復(fù)雜，這就是說起來沒那么難。那真正實(shí)現(xiàn)起來，到具體的各個(gè)接口以及細(xì)節(jié)的調(diào)試以及調(diào)通，你會(huì)發(fā)現(xiàn)還是比較燒腦的。所以呢，咱們先來聊一聊以太網(wǎng)的各個(gè)接口，從大體框架來分析如何去學(xué)習(xí)。
咱們就以千兆以太網(wǎng)舉例，千兆以太網(wǎng)，只是說以太網(wǎng)的速率為千兆，也就是1G。除了千兆網(wǎng)，還有百兆網(wǎng)，萬兆網(wǎng)，當(dāng)然這些都是指的以太網(wǎng)的速率。不同速率的以太網(wǎng)，在FPGA端的接口表現(xiàn)形式也是不一樣的。下邊就來介紹百兆網(wǎng)和千兆網(wǎng)的接口形式。
這是網(wǎng)口與FPGA連接的常用方案，RJ45就是咱們平常說的水晶頭，Ethernet PHY是以太網(wǎng)的PHY芯片，之后就是Ethernet PHY與FPGA相連。

下邊是以太網(wǎng)PHY芯片與FPGA連接的簡(jiǎn)單的架構(gòu)圖（不代表全部的信號(hào)輸入輸出端口）

先說百兆網(wǎng)，百兆網(wǎng)的接口一般為MII（Media Independent Interface），當(dāng)然10M網(wǎng)用的也是MII接口。下圖是一塊以太網(wǎng)PHY芯片的一些手冊(cè)資料截圖。

在百兆網(wǎng)模式下，其RXCLK的周期為40ns，也就是25M，數(shù)據(jù)端口RXD只用了4根線RXD[3:0]，然后25M*4 = 100M，這樣算出來，就是100M的速率了。接著再來說一下千兆網(wǎng)，千兆網(wǎng)的接口，就目前接觸比較多的接口有3種，GMII，RGMII和SGMII。先說GMII，RxClk的周期為8ns，也就是125M，數(shù)據(jù)端口使用了8bit，125M*8 = 1000M，速率就是千兆網(wǎng)了。

還有RGMII，其時(shí)鐘頻率也為125M，但是它只使用了4個(gè)線，不過，RGMII使用的是雙沿模式，也就是DDR模式，在時(shí)鐘的上下沿都可以傳送數(shù)據(jù)。這樣算的話，125M*4*2 = 1000M，還是千兆網(wǎng)。RGMII與GMII主要的區(qū)別就是雙沿采樣與單沿采樣。

之后還有SGMII，全稱為Serial Gigabit Media Independent Interface，也就是串行的以太網(wǎng)接口。RGMII，GMII還是MII，都是使用并行接口，而且還需要隨路時(shí)鐘，而SGMII只需要2組線，一組是發(fā)送，一組是接收，當(dāng)然一組線由兩根差分線組成。SGMII也是需要8/10B編碼。這樣在PCB布線時(shí)，就可以節(jié)省一些布線的空間。當(dāng)然，對(duì)于FPGA來講，也節(jié)省了FPGA的引腳資源。SGMII一般在公司的項(xiàng)目會(huì)用的多一些，像GMII，RGMI在某寶上賣的開發(fā)板上一般都有。
下面就簡(jiǎn)單的說說以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式，IEEE.802.3數(shù)據(jù)格式匯總，幀間隙IFG>=96bittime，10zM/100M/1000M格式一樣。如下圖簡(jiǎn)單的端口信號(hào)顯示截圖。

上面介紹了那么多接口以及以太網(wǎng)的相關(guān)知識(shí)，那么問題來了，如何去快速學(xué)習(xí)千兆以太網(wǎng)呢？個(gè)人認(rèn)為掌握好總體框架以及接口細(xì)節(jié)，理解UDP協(xié)議，掌握抓包等等，慢慢琢磨學(xué)習(xí)，大家都可以慢慢掌握好的。那么下面咱們就來聊聊千兆以太網(wǎng)的UDP協(xié)議，并且會(huì)結(jié)合wireshark抓包軟件抓取到的以太網(wǎng)包，帶著大家看一下以太網(wǎng)的協(xié)議到底是怎么樣的呢？當(dāng)然，像我們常用的以太網(wǎng)協(xié)議有TCP/IP，UDPTCP/IP和UDP相比，TCP/IP是一種數(shù)據(jù)可靠的協(xié)議，而UDP是一種數(shù)據(jù)不可靠的協(xié)議。至于為什么TCP/IP是可靠的，而UDP是不可靠，留給大家自行百度。在wireshark中可以抓取到經(jīng)過網(wǎng)口傳輸?shù)暮芏鄶?shù)據(jù)包，可以說只要是經(jīng)過網(wǎng)口的數(shù)據(jù)，在wireshark中都能抓到。大家可以去下載一個(gè)WireShark來學(xué)習(xí)一下吧，免費(fèi)下載使用哦?。▊渥ⅲ壕W(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析器 WireShark是一款開源的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀分析軟件，可以抓取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)封包，提供每個(gè)數(shù)據(jù)幀的詳細(xì)信息，如MAC地址、數(shù)據(jù)幀類型、IP地址、UDP端口、等重要信息，方便開發(fā)者對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)議的分析與相關(guān)測(cè)試。WireShark官網(wǎng)：https://www.wireshark.org/）

下面我們根據(jù)抓取到的一個(gè)UDP包，來給大家介紹UDP的協(xié)議

第一部分，可以粗略的知道該UDP包，其源IP和目的IP到底是什么。
第二部分，是對(duì)該UDP包的簡(jiǎn)短描述，從中可以大約的知道該數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，源MAC地址，目的MAC地址，等等相關(guān)信息。
第三部分，可以說是這個(gè)包的所有數(shù)據(jù)。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，還會(huì)有數(shù)據(jù)包的幀頭，幀尾還有CRC校驗(yàn)的數(shù)據(jù)。
看到第三部分，這全是十六進(jìn)制的字符，這TMD的到底是什么意思呢？
關(guān)于這些內(nèi)容，點(diǎn)開第二部分的展開圖標(biāo)，就可以一探究竟了。

這樣看，是不是就可以知道這個(gè)UDP包的前6個(gè)字節(jié)，就是目的MAC地址了呢？再來看接著的6個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)：6c fd b9 87 48 de

這6個(gè)字節(jié)，代表著源MAC地址。我們也可以通過查看自己電腦上的MAC地址來確認(rèn)。

接著的這些數(shù)據(jù)，大家也可以自己跟著文章中的講解，自己下載一個(gè)WireShark來學(xué)習(xí)一下。
當(dāng)然，這里特別需要說明的一下是，UDP協(xié)議涉及到校驗(yàn)和的計(jì)算?？偣灿袃蓚€(gè)校驗(yàn)和，一個(gè)是在IP首部的校驗(yàn)和，另一個(gè)是在UDP首部的校驗(yàn)和。