[米联客-安路飞龙DR1-FPSOC] UDP通信篇连载-04 IP层程序设计

软件版本：Anlogic -TD5.9.1-DR1_ES1.1

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用安路(Anlogic)FPGA

实验平台：米联客-MLK-L1-CZ06-DR1M90G开发板

板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/

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3.3 IP层

ICMP层数据和UDP层数据都要经过IP层打包或者解包，IP层主要功能为判断数据报文类型，进行IP首部校验，添加包头或者过滤包头，处理ICMP请求。

3.3.1 IP接收模块

该模块的主要功能是接收uiip_arp_rx传入的数据包，通过首部校验判断包头的正确性，对包头进行过滤，并且提取出UDP报文和ICMP报文。

该模块的状态机转换图如图所示。

WAIT_IP_PACKET：等待接收IP包，若I_ip_rvalid拉高，代表数据传入，进入RECORD_IP_HEADER状态。

RECORD_IP_HEADER：接收包头信息，20字节的包头数据全部接收完时，判断收到的IP地址和本地IP地址是否匹配，若不匹配，丢弃该帧，进入WAIT_PACKET_END状态；若匹配，则判断数据包类型。如果收到的数据报文为UDP数据报文，进入OUTPUT_UDP_PACKET状态。如果收到的数据报文为ICMP报文，则将数据传入ICMP子层模块，等待一包数据传输完成后，进入WAIT_PACKET_END状态。

OUTPUT_UDP_PACKET：将有效数据打拍后传输至UDP层，一包数据传输完成后，回到WAIT_IP_PACKET状态。

WAIT_PACKET_END：等待数据有效信号拉低，一帧数据传输完成，回到WAIT_IP_PACKET状态。

always@(posedge I_ip_clk or posedge I_reset) begin
if(I_reset) begin
cnt <= 5'd0;
ip_version <= 4'd0; //IP首部-版本:4位数据表示IP版本号，为4时表示IPv4，为6时表示IPv6，IPv4使用较多。
ip_header_len <= 4'd0; //IP首部-首部长度:4位数据表示IP首部一共有多少个32位（4个字节）数据。没有可选字段的IP首部长度为20个字节，故首部长度为5
ip_tos <= 8'd0; //IP首部-服务类型:8位服务类型被划分成两个子字段：3位优先级字段和4位TOS字段，最后一位固定为0。服务类型为0时表示一般服务。
ip_pkg_len <= 16'd0; //IP首部-总长度:16位IP数据报总长度包括IP首部和IP数据部分，以字节为单位。利用IP首部长度和IP数据报总长度可以计算出IP数据报中数据内容的起始位置和长度
ip_packet_id <= 16'd0; //IP首部-ID:16位标识字段，用来标识主机发送的每一份数据报。每发送一份报文它的值就会加1
ip_packet_flag <= 3'd0; //IP首部-标志字段:3位标志字段的第1位是保留位，第2位表示禁止分片（1表示不分片，0允许分片），第3位标识更多分片，通常为010不分片
ip_fragment_offset <= 13'd0; //IP首部-片偏移:13位片偏移，在接收方进行数据报重组时用来标识分片的顺序。
ip_packet_ttl <= 8'd0; //IP首部-生存时间: 8位生存时间防止丢失的数据包在无休止的传播，一般被设置为64或者128
ip_packet_protocol <= 8'd0; //IP首部-协议:8位协议类型表示此数据报所携带上层数据使用的协议类型，ICMP为1，TCP为6，UDP为17
ip_header_checksum <= 16'd0; //IP首部-首部校验和:16位首部校验和，该字段只校验数据报的首部，不包含数据部分
ip_src_address <= 32'd0; //IP首部-源IP地址:32位发送端的IP地址
ip_dst_address <= 32'd0; //IP首部-目的IP地址:32位接收端的IP地址
icmp_pkg_valid <= 1'b0; //icmp数据报文有效信号
O_udp_ip_rvalid <= 1'b0; //UDP数据包有效
O_udp_ip_rdata <= 8'd0; //UDP数据包有效输出
STATE <= WAIT_IP_PACKET;
end
else begin
case(STATE)
WAIT_IP_PACKET:begin
if(I_ip_rvalid) begin
ip_version <= I_ip_rdata[7:4]; //IP首部-版本:4位数据表示IP版本号
ip_header_len <= I_ip_rdata[3:0]; //IP首部-首部长度:4位数据表示IP首部一共有多少个32位（4个字节）数据
STATE <= RECORD_IP_HEADER; //下一状态，继续接收IP头部信息
end
else
STATE <= WAIT_IP_PACKET;
end
RECORD_IP_HEADER:begin
case(cnt)
0: begin ip_tos <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-服务类型:8位服务类型被划分成两个子字段：3位优先级字段和4位TOS字段，最后一位固定为0。服务类型为0时表示一般服务。
1: begin ip_pkg_len[15:8] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-总长度:16位IP数据报总长度包括IP首部和IP数据部分，以字节为单位。
2: begin ip_pkg_len[7:0] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-总长度:16位IP数据报总长度包括IP首部和IP数据部分，以字节为单位。
3: begin ip_packet_id[15:8] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-ID:16位标识字段，用来标识主机发送的每一份数据报。
4: begin ip_packet_id[7:0] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-ID:16位标识字段，用来标识主机发送的每一份数据报。
5: begin
ip_packet_flag <= I_ip_rdata[7:5]; //IP首部-标志字段:3位标志字段的第1位是保留位，第2位表示禁止分片（1表示不分片，0允许分片），第3位标识更多分片，通常为010不分片
ip_fragment_offset[12:8] <= I_ip_rdata[4:0]; //IP首部-片偏移:13位片偏移，在接收方进行数据报重组时用来标识分片的顺序。
cnt <= cnt + 1'b1;
end
6: begin ip_fragment_offset[7:0] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-片偏移:13位片偏移，在接收方进行数据报重组时用来标识分片的顺序。
7: begin ip_packet_ttl[7:0] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-生存时间:8位生存时间防止丢失的数据包在无休止的传播，一般被设置为64或者128
8: begin ip_packet_protocol[7:0] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-协议:8位协议类型表示此数据报所携带上层数据使用的协议类型，ICMP为1，TCP为6，UDP为17
9: begin ip_header_checksum[15:8] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-首部校验和:16位首部校验和，该字段只校验数据报的首部，不包含数据部分
10: begin ip_header_checksum[7:0] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-首部校验和:16位首部校验和，该字段只校验数据报的首部，不包含数据部分
11: begin ip_src_address[31:24] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-源IP地址:32位发送端的IP地址
12: begin ip_src_address[23:16] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-源IP地址:32位发送端的IP地址
13: begin ip_src_address[15:8] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-源IP地址:32位发送端的IP地址
14: begin ip_src_address[7:0] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-源IP地址:32位发送端的IP地址
15: begin ip_dst_address[31:24] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-目的IP地址:32位接收端的IP地址
16: begin ip_dst_address[23:16] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-目的IP地址:32位接收端的IP地址
17: begin ip_dst_address[15:8] <= I_ip_rdata; cnt <= cnt + 1'b1;end //IP首部-目的IP地址:32位接收端的IP地址
18: begin
ip_dst_address[7:0] <= I_ip_rdata; //IP首部-目的IP地址:32位接收端的IP地址
cnt <= 5'd0;
if({ip_dst_address[31:8], I_ip_rdata} == I_ip_local_addr) begin //如果收到的IP地址和本地IP地址匹配
if(ip_packet_protocol == ICMP_TYPE) begin //如果是ICMP类型
icmp_pkg_valid <= 1'b1; //ICMP包有效
STATE <= WAIT_PACKET_END; //等待传输结束状态
end
else if(ip_packet_protocol == UDP_TYPE) begin //如果是UDP包有效
icmp_pkg_valid <= 1'b0;
STATE <= OUTPUT_UDP_PACKET; //输出UDP包到UDP协议层
end
else begin
icmp_pkg_valid <= 1'b0;
STATE <= WAIT_PACKET_END; //等待传输结束状态
end
end
else begin
icmp_pkg_valid <= 1'b0;
STATE <= WAIT_PACKET_END; //等待传输结束状态
end
end
endcase
end
OUTPUT_UDP_PACKET:begin
if(I_ip_rvalid) begin //打拍后支持输出给UDP协议层
O_udp_ip_rvalid <= 1'b1;
O_udp_ip_rdata <= I_ip_rdata;
STATE <= OUTPUT_UDP_PACKET;
end
else begin
O_udp_ip_rvalid <= 1'b0;
O_udp_ip_rdata <= 8'd0;
STATE <= WAIT_IP_PACKET;
end
end
WAIT_PACKET_END:begin //等待包传输结束
if(I_ip_rvalid)
STATE <= WAIT_PACKET_END;
else begin
icmp_pkg_valid <= 1'b0;
STATE <= WAIT_IP_PACKET;
end
end
endcase
end
end

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3.3.2 IP发送模块

该模块的主要功能有：接收uiudp_tx发送的UDP报文和uiip_rx发送的ICMP报文信息，将其封装成IP包并发送至下层uiip_arp_tx模块。

该模块的状态机转换图如图所示。

IDLE：uiip_tx模块处于发送空闲时，接收ICMP和UDP报文发送请求，优先响应ICMP请求。当收到请求时，向uiip_arp_tx模块发送请求信号，通过udp_pkg_en信号标记报文类型，进入WAIT_ACK状态，等待握手响应信号。

WAIT_ACK：接收到I_ip_tbusy信号，代表和IP_ARP层模块握手成功，可以发送数据，进入SEND_IP_HEADER状态。若要发送的是UDP报文，则会发送O_ip_udp_tbusy信号和UDP层进行握手。

SEND_IP_HEADER：在有效数据报文前添加对应的IP包头，发送包头完毕后，若报文类型为UDP报文，进入SEND_UDP_PACKET状态；若为ICMP报文，则进入SEND_ICMP_PACKET状态。

SEND_UDP_PACKET和SEND_ICMP_PACKET：发送完报文中的有效数据后，将标识加1，回到IDLE状态。

case(STATE)
IDLE:begin
if(icmp_pkg_req & (~I_ip_tbusy)) begin //如果有ICMP包需要发送，并且ip_arp_tx模块处于空闲(I_ip_tbusy==0代表tbuf空闲，不在发送数据)
O_ip_treq <= 1'b1; //通知ip_arp_tx模块，有IP包需要发送（ICMP包也是IP包）
O_ip_udp_tbusy <= 1'b0; //通知udp_layer模块，目前不能发送UDP数据包
O_ip_taddr <= icmp_pkg_ip_addr; //保存ip_rx模块接收到的icmp请求的IP地址(因为发送icmp包需要通过IP地址获取远程主机的MAC地址)
udp_pkg_en <= 1'b0; //标记是否是udp包，但udp_pkg_en=1 代表ip层发送的数据为UDP包
STATE <= WAIT_ACK;
end
else if(I_ip_udp_treq & (~I_ip_tbusy)) begin //如果有UDP包需要发送
O_ip_treq <= 1'b1; //输出ip包发送请求，给ip_arp_tx模块
O_ip_udp_tbusy <= 1'b0; //通知udp_layer模块，目前不能发送UDP数据包
O_ip_taddr <= I_ip_dest_addr; //udp层提供需要发送的目的主机的IP地址
udp_pkg_en <= 1'b1; //标记是否是udp包，但udp_pkg_en=1 代表ip层发送的数据为UDP包
STATE <= WAIT_ACK;
end
else begin
O_ip_udp_tbusy <= 1'b0;
O_ip_treq <= 1'b0;
udp_pkg_en <= 1'b0;
STATE <= IDLE;
end
end
WAIT_ACK:begin
if(I_ip_tbusy) begin//当发送O_ip_treq后，如果ip_arp_tx模块返回I_ip_tbusy=1 代表ip_layer可以发送IP包(UDP包和ICMP包)到ip_arp_tx模块
O_ip_treq <= 1'b0;
O_ip_udp_tbusy <= udp_pkg_en ? 1 : 0; //如果udp_pkg_en有效代表发的是UDP包
STATE <= SEND_IP_HEADER; //发送IP帧头
end
else begin
O_ip_treq <= 1'b1;
O_ip_udp_tbusy <= 1'b0;
STATE <= WAIT_ACK;
end
end
SEND_IP_HEADER:begin//发送IP包帧头
case(cnt)
0 :begin
if(I_ip_udp_tvalid | (~udp_pkg_en)) begin //如果是UDP报文包需要发送或者udp_pkg_en==0 是ICMP报文包
O_ip_tdata <= {VERSION, IHL}; //版本|首部长度(IP首部一共有多少个32bit数据)
O_ip_tvalid <= 1'b1; //通知tbuf IP数据有效
packet_id <= ID_BASE + datagram_cnt; //标识，每发送1包该值加1
TTL <= 8'h80; //生存时间
if(!udp_pkg_en) begin //如果是ICMP包
ip_tdata_length <= icmp_pkg_data_len + (IHL << 2); //IP包总长度（IP数据长度+IP首部长度）
PROTOCOL <= 8'h01; //IP包类型为 ICMP包
end
else begin
ip_tdata_length <= I_ip_udp_tdata_len + (IHL << 2);
PROTOCOL <= 8'h11; //IP包类型为 UDP包
end
cnt <= cnt + 1'b1;
end
else
cnt <= 5'd0;
end
1 :begin O_ip_tdata <= TOS; cnt <= cnt + 1'b1;end//服务类型
2 :begin O_ip_tdata <= ip_tdata_length[15:8]; cnt <= cnt + 1'b1;end//IP包总长度
3 :begin O_ip_tdata <= ip_tdata_length[7:0]; cnt <= cnt + 1'b1;end//IP包总长度
4 :begin O_ip_tdata <= packet_id[15:8]; cnt <= cnt + 1'b1;end//IP包标识符，每发送一份报文，其值加1
5 :begin O_ip_tdata <= packet_id[7:0]; cnt <= cnt + 1'b1;end//IP包标识符，每发送一份报文，其值加1
6 :begin O_ip_tdata <= {FLAG, FRAGMENT_OFFSET[12:8]}; cnt <= cnt + 1'b1;end//标志字段3bit|片偏移共13bit
7 :begin O_ip_tdata <= FRAGMENT_OFFSET[7:0]; cnt <= cnt + 1'b1;end//片偏移共13bit
8 :begin O_ip_tdata <= TTL; cnt <= cnt + 1'b1;end//生存时间
9 :begin O_ip_tdata <= PROTOCOL; cnt <= cnt + 1'b1;end//协议
10 :begin O_ip_tdata <= checksum[15:8]; cnt <= cnt + 1'b1;end//校验和
11 :begin O_ip_tdata <= checksum[7:0]; cnt <= cnt + 1'b1;end//校验和
12 :begin O_ip_tdata <= I_ip_local_addr[31:24]; cnt <= cnt + 1'b1;end//源IP地址32bit
13 :begin O_ip_tdata <= I_ip_local_addr[23:16]; cnt <= cnt + 1'b1;end//源IP地址32bit
14 :begin O_ip_tdata <= I_ip_local_addr[15:8]; cnt <= cnt + 1'b1;end//源IP地址32bit
15 :begin O_ip_tdata <= I_ip_local_addr[7:0]; cnt <= cnt + 1'b1;end//源IP地址32bit
16 :begin //目的IP地址(远端主机IP地址)
if(!udp_pkg_en) //ICMP报文包
O_ip_tdata <= icmp_pkg_ip_addr[31:24];
else //UDP报文包
O_ip_tdata <= O_ip_taddr[31:24];
cnt <= cnt + 1'b1;
end
17 :begin //目的IP地址(远端主机IP地址)
if(!udp_pkg_en) //ICMP报文包
O_ip_tdata <= icmp_pkg_ip_addr[23:16];
else //UDP报文包
O_ip_tdata <= O_ip_taddr[23:16];
cnt <= cnt + 1'b1;
end
18 :begin //目的IP地址(远端主机IP地址)
if(!udp_pkg_en) begin
O_ip_tdata <= icmp_pkg_ip_addr[15:8];
icmp_pkg_busy <= 1'b1;//icmp_pkg_tx代码上必须时序上，在SEND_ICMP_PACKET状态输出ICMP报文包
end
else begin
O_ip_tdata <= O_ip_taddr[15:8];
icmp_pkg_busy <= 1'b0;
end
cnt <= cnt + 1'b1;
end
19 :begin //目的IP地址(远端主机IP地址)
cnt <= 5'd0;
if(!udp_pkg_en) begin
O_ip_tdata <= icmp_pkg_ip_addr[7:0];
STATE <= SEND_ICMP_PACKET;
end
else begin
O_ip_tdata <= O_ip_taddr[7:0];
STATE <= SEND_UDP_PACKET;
end
end
default: cnt <= 5'd0;
endcase
end
SEND_UDP_PACKET:begin //发送UDP报文包
if(trans_data_cnt == (ip_tdata_length - 16'd20)) begin //20个字节为IP首部，这里相等代表数据发送结束
O_ip_udp_tbusy <= 1'b0;
O_ip_tvalid <= 1'b0;
O_ip_tdata <= 8'd0;
datagram_cnt <= datagram_cnt + 16'h0001; //没发送完1帧报文，该值加1
trans_data_cnt <= 16'd0;
STATE <= IDLE;
end
else begin //发送有效的UDP报文数据部分
O_ip_tvalid <= 1'b1;
O_ip_tdata <= shift_data_out; //从shift移位寄存器移出数据
trans_data_cnt <= trans_data_cnt + 1'b1; //UDP报文包有效数据部分计数器
STATE <= SEND_UDP_PACKET;
end
end
SEND_ICMP_PACKET:begin //发送ICMP报文包
if(icmp_pkg_valid) begin
O_ip_tvalid <= 1'b1;
O_ip_tdata <= icmp_pkg_data;
STATE <= SEND_ICMP_PACKET;
end
else begin
O_ip_tvalid <= 1'b0;
O_ip_tdata <= 8'd0;
icmp_pkg_busy <= 1'b0;
datagram_cnt <= datagram_cnt + 16'h0001;//每发送完1帧报文，该值加1
STATE <= IDLE;
end
end
endcase

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3.3.3 IP首部校验模块

正常计算IP首部校验和时，将校验位置0。由于每两字节数据相加得到的不再产生进位结果，为最终校验和的取反，所以当计算过程中加入校验位时，相加得到的结果应当为全1。若结果不为全1，则数据校验错误，将O_check_rerror信号置为高。

`timescale 1ns / 1ps
module ip_header_checksum(
input wire I_clk,
input wire I_reset,
input wire I_ip_rdata_valid,
input wire [7:0] I_ip_rdata,
output wire O_checksum_rerror
);
reg checksum_correct;
assign O_checksum_rerror = ~checksum_correct;
reg [1:0] state;
reg [3:0] cnt;
wire [16:0] tmp_accum1;
reg [15:0] accum1, accum2;
assign tmp_accum1 = accum1 + accum2;
always @(posedge I_clk or posedge I_reset) begin
if(I_reset) begin
state <= 2'd0;
cnt <= 4'd0;
accum1 <= 16'd0;
accum2 <= 16'd0;
checksum_correct <= 1'b1;
end
else begin
case(state)
0: begin
if(I_ip_rdata_valid) begin
accum1[15:8] <= I_ip_rdata;
state <= 2'd1;
end
else begin
accum1[15:8] <= 8'd0;
state <= 2'd0;
end
end
1: begin accum1[7:0] <= I_ip_rdata; state <= 2'd2; end
2: begin
if(cnt == 4'd9) begin
if((tmp_accum1[15:0] + tmp_accum1[16]) != 16'hffff)
checksum_correct <= 1'b0;
cnt <= 4'd0;
state <= 2'd3;
end
else begin
accum2 <= tmp_accum1[15:0] + tmp_accum1[16];
accum1[15:8] <= I_ip_rdata;
cnt <= cnt + 1'b1;
state <= 2'd1;
end
end
3: begin
accum1 <= 16'd0;
accum2 <= 16'd0;
if(I_ip_rdata_valid)
state <= state;
else
state <= 2'd0;
end
endcase
end
end
endmodule

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