2.1 设计原理
2.1.1 以太网协议
1.以太网的MAC层
（1）MAC层的硬件地址
在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址（用在MAC帧中）。IEEE 802标准为局域网规定了一种48位（6 Bytes）的全球地址，是指局域网上的每一台计算机中固化在适配器的ROM中的地址。
IEEE规定地址字段的第一字节的最低位为I/G位，表示Individual/Group。当I/G位为0时，地址字段表示一个单个站地址；当I/G位为1时表示组地址，用来进行组播。需要说明的是，IEEE 802.3将每一字节的最低位写在最左边，另一种记法将每一字节最高位写在最左边。
适配器从网络上每收到一个MAC帧就先用硬件检查MAC帧中的目的地址，这里的帧包含以下三种：
①单薄（unicast）帧（一对一），即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同，又叫点播。
②广播（broadcast）帧（一对全体），即发送给本局域网上所有站点的帧（全1地址）。
③组播（multicast）帧（一对多），即发送给本局域网上一部分站点的帧。
所有的适配器都至少能识别点播和广播。只有目的地址才能使用广播地址和组播地址。
在IPV4协议中，组播的MAC地址是特定与IP地址有联系的，如下图，我们这里采用的目的组播地址为224.2.2.2，则目的MAC地址为0x0100_5e68_0202。
图 1 IPV4组播地址对应的MAC地址
如上图中，取IP地址的低23位填充，第一个字节的低位即I/G位为1，表示该帧为组播帧。
（2）MAC帧的格式
常用的以太网MAC帧格式有DIX Ethernet V2标准（即以太网V2标准）和IEEE 802.3标准两种。这里我们采用V2标准，其格式如下。
图 2 MAC层协议
需要说明的是类型字段值为0x0800时，表示上层使用的时IP数据报；数据字段的最小长度由MAC帧最小长度64字节减去18字节的首部和尾部得出；最后一个字段是4字节的帧检验序列（Fram Check Sequence），使用CRC检验。
MAC帧不需要在首部插入长度字段，因为通信传输采用曼彻斯特编码，每个码元的正中间一定有一次电压的转换（从高到低或从低到高）。这样当一个帧传输完毕后，发送方网络适配器的接口上的电压也就不再有变化了，这样接收方就能找到这一帧的结束位置。当数据字段长度小于46字节时，可以在数据字段后面填充整数字节，IP层会根据IP报文首部的长度丢弃填充字段。
图 1数字信号常用的编码方式
实际传输时MAC帧多出的首部8个字节是为了让接收端适配器调整其时钟频率（比如常见的千兆/百兆自适应网口），与接收端进行比特流同步，第一个字段是7个字节的前同步码（7*0x55），第二个字段是帧开始定界符，定义为10101011，它们不在MAC帧的FCS字段的检验范围内。
IEEE 802.3标准规定凡出现以下情况之一即为无效MAC帧：
①非整数字节长度帧；
②收到的FCS检验出错；
③帧长度超出合法范围。
凡无效MAC帧即丢弃，以太网不再传输。
2.网络层的网际协议IP
在网路技术不断发展时，为了满足不同的需求产生了不同的网络协议，同时网络的制造厂家为了提高竞争力也在不断推出新的网络，一般来说，将网络互相连接起来需要使用中间设备：
①物理层使用的中间设备叫做转发器（repeater）。
②数据链路层使用的叫做网桥或桥接器（bridge）。
③网络层使用的叫做路由器（router）。
④在网络层以上使用的叫做网关（gateway）。用网关连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议转换。
IP地址 ::=
只有网络号相同的主机间才可以直接通讯。后续设计中间将根据C类地址设置主机IP为192.168.1.15，开发板IP为192.168.1.10。
IP地址分为A,B,C,D,E五类，其中A,B,C类都是点播地址，D类为组播地址，E类保留。这里我们只用到了C类和D类。
图 3 IP地址中的网络号字段和主机号字段
A类 ：
00000000×××——01111111×××
0.0.0.0 —— 127.255.255.255
B类 ：
10000000,00000000×××——10111111,11111111×××
128.0.0.0——191.255.255.255
C类 ：
11000000,00000000,0000000×××——11011111,1111111,1111111×××
192.0.0.0——223.255.255.255
D类 ：
11100000××——111011111××××
224.0.0.0——239.255.255.255 （组播地址）
E类 ：
11110000×××——11110111×××
240.0.0.0——247.255.255.255 （科学实验）
组播地址分类及含义：
| 地址范围 | 含义 |
|---|---|
| 224.0.0.0～224.0.0.255 | 永久组地址。IANA为路由协议预留的IP地址（也称为保留组地址），用于标识一组特定的网络设备，供路由协议、拓扑查找等使用，不用于组播转发。常见的永久组地址如表2所示 |
| 224.0.1.0～231.255.255.255 233.0.0.0～238.255.255.255 | ASM（Any-Source Multicast）组播地址，全网范围内有效 |
| 232.0.0.0～232.255.255.255 | 缺省情况下的SSM（Source- Specific Multicast）组播地址，全网范围内有效 |
| 239.0.0.0～239.255.255.255 | 本地管理组地址，仅在本地管理域内有效。在不同的管理域内重复使用相同的本地管理组地址不会导致冲突 |
| 表2 常见的永久组地址列表 | |
| 永久组地址 | 含义 |
| 224.0.0.0 | 不分配 |
| 224.0.0.1 | 网段内所有主机和路由器（等效于广播地址） |
| 224.0.0.2 | 所有组播路由器 |
| 224.0.0.3 | 不分配 |
| 224.0.0.4 | DVMRP（Distance Vector Multicast Routing Protocol，距离矢量组播路由协议）路由器 |
| 224.0.0.5 | OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先）路由器 |
| 224.0.0.6 | OSPF DR（Designated Router，指定路由器） |
| 224.0.0.7 | ST（Shared Tree，共享树）路由器 |
| 224.0.0.8 | ST主机 |
| 224.0.0.9 | RIP-2（Routing Information Protocol version 2，路由信息协议版本2）路由器 |
| 224.0.0.11 | 移动代理（Mobile-Agents） |
| 224.0.0.12 | DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）服务器/中继代理 |
| 224.0.0.13 | 所有PIM（Protocol Independent Multicast，协议无关组播）路由器 |
| 224.0.0.14 | RSVP（Resource Reservation Protocol，资源预留协议）封装 |
| 224.0.0.15 | 所有CBT（Core-Based Tree，有核树）路由器 |
| 224.0.0.16 | 指定SBM（Subnetwork Bandwidth Management，子网带宽管理） |
| 224.0.0.17 | 所有SBM |
| 224.0.0.18 | VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由器冗余协议） |
| 224.0.0.22 | 所有使能IGMPv3（Internet Group Management Protocol, Version 3，因特网组管理协议）的路由器 |
| 224.0.0.19 ～ 224.0.0.21224.0.0.23 ～ 224.0.0.255 | 未指定 |
这里我们采用224.0.1.0～231.255.255.255，233.0.0.0～238.255.255.255内的任意ASM组播地址作为FPGA的目的IP地址，比如224.2.2.2。
（1）网络层的IP地址
不同于MAC层的硬件地址，IP层的地址一般由软件实现，我们这里则由FPGA实现。
（2）IP数据报的格式
图 4 IP层协议
1）版本号：分为IPV4和IPV6，这里我们采用IPV4协议，所以该字段值为0x4；
2）首部长度：IP数据报首部的长度，单位为32位字（4字节），一般为20字节，则该字段值为0x5；
3）区分服务：未应用，填充0值；
4）总长度：IP数据报的总长度，单位为字节；
5）标识、标志、片偏移：未应用，填充0值；
6）生存时间：Time to Live，表示可以经过多少次路由器跳转，该字段为8位，所以最多跳转255次，最少为1次，表示只在本局域网中传输。
7）协议：占8位，表示数据报携带的数据使用什么协议，以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给哪个协议进行处理，比如这里我们采用IPV4协议，则交给IP层模块处理。
图1 协议和相应字段值（十进制）
8）首部校验和：占16位，只检验首部计算方法如下。
图2 首部校验和计算过程
9）源地址：占32位，这里设计FPGA的源地址为192.168.1.10。
10）目的地址：占32位，这里设计FPGA的目的地址为224.2.2.2。
3.运输层的UDP
（1）概述：
①UDP是无连接的；
②UDP尽最大努力交付；
③UDP面向报文，保留报文边界；
④UDP没有拥塞控制；
⑤UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信；
⑥ UDP首部开销小，只有8个字节。
（2）UDP的首部格式
UDP的首部只有8个字节，但在检验和阶段会临时添加12字节的伪首部得到临时的UDP用户数据报一起检验。
图 5 UDP协议
图 2 计算UDP检验和的例子
2.1.2 RGMII接口
全称Reduced Gigabit Media Independent Interface，千兆传输时，工作时钟125MHz，双边沿传输；百兆传输时，工作时钟25MHz，单边沿；十兆传输。工作时钟2.5MHz，数据传输也是单边沿。
图 3 RGMII发送基本时序
图 4 应用框图
可见当MAC和PHY分布为两个芯片时，RGMII对芯片封装面积要求很低。
图 5 有效帧
数据帧传输前，CTL拉高，传输完毕后，CTL拉低，中间未产生有效ERROR信号。
图 6 无效帧
数据帧传输前，CTL拉高，传输完毕后，CTL拉低，中间产生有效ERROR信号，则该帧无效，应不采用。
NOTE：TX_CTL和RX_CTL分别在各自时钟上升沿表示EN,DV，下降沿都表示ERR；接受和发送的ERR有效条件一致，当前TX_CLK或RX_CLK的下降沿CTL信号为0，且上一个相邻的时钟上升沿CTL为1，此时ERROR信号有效，该帧无效，全部丢弃。
TXD，RXD则分别在各自时钟上升传输[4：0]，下降沿传输[7：5]。