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網(wǎng)絡是否允許小于64字節(jié)的以太網(wǎng)幀或者報文傳輸?

FPGA之家 ? 來源:CSDN技術社區(qū) ? 作者:CSDN技術社區(qū) ? 2020-09-05 11:46 ? 次閱讀
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同學們在學網(wǎng)絡課程的時候都知道,除巨幀外,常見的以太網(wǎng)幀的長度范圍是64字節(jié)到1518字節(jié),并且因為最初總線型半雙工的組網(wǎng)原因,人們制定了CSMA/CD協(xié)議,規(guī)定了以太網(wǎng)中最短幀為64字節(jié)。然而,互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展日新月異,今天的網(wǎng)絡早已不是當初的半雙工模式,CSMA/CD協(xié)議也早已不再使用,那么現(xiàn)在網(wǎng)絡是否允許小于64字節(jié)的以太網(wǎng)幀或者報文傳輸呢?本文搭建硬件環(huán)境進行了驗證。

回顧

電磁波在雙絞線上傳輸?shù)乃俣葹?.7倍光速,在1km電纜的傳播時延約為5us。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡信道比較差,需要有重傳機制保障可靠性。于是,在節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)進行通信的時候,要保證以太網(wǎng)的重傳,必須保證A收到碰撞信號的時候,數(shù)據(jù)包沒有傳完,要實現(xiàn)這一要求,A和B之間的距離很關鍵,也就是說信號在A和B之間傳輸?shù)膩砘貢r間必須控制在一定范圍之內。IEEE定義了這個標準,一個碰撞域內,最遠的兩臺機器之間的round-trip time 要小于512bit 時間。(來回時間小于512位時,所謂位時就是傳輸一個比特需要的時間)。因此,傳統(tǒng)以太網(wǎng)有如下特點: 1、最大覆蓋距離(兩個站點最遠的距離):2500m; 2、爭用期(即一個信號最遠來回的傳播時間):51.2us;過來這個時間還未監(jiān)聽到?jīng)_突,則說明無沖突; 3、最小幀長:64字節(jié);因為傳統(tǒng)以太網(wǎng)速率是10Mbps,爭用期是51.2us;即在這個時間內,幀的數(shù)據(jù)不能發(fā)完,否則將不能監(jiān)聽到?jīng)_突了(CSMA/CD協(xié)議是邊發(fā)邊聽、不發(fā)不聽;因為如果幀發(fā)完,則不在監(jiān)聽,這個時候即使來了有沖突的信號,不在監(jiān)聽,也不知道已經(jīng)沖突了),這樣的話CSMA/CD協(xié)議可靠性也就大大折扣了;即:B/10M >= 51.2us;即512bit,64個字節(jié); 4、幀間最小間隔:9.6us;相當于發(fā)送96bit;即在CSDM/CD協(xié)議下,一個站點在監(jiān)測到信道空閑后,需要等待9.6us才能發(fā)送數(shù)據(jù);(主要目的是留給剛剛接收數(shù)據(jù)的站點清理接收緩存,做好接下一陣的準備----------流量控制其實也是) 上述所說的以太網(wǎng)幀是針對以太網(wǎng)Ⅱ型幀進行的描述。幀格式如下:

那么,現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)送長度小于64字節(jié)的報文時如何傳送呢?比如ARP報文。有效長度如下: ARP報文:4字節(jié)+4字節(jié)+6字節(jié)+4字節(jié)+6字節(jié)+4字節(jié)=28字節(jié),遠不夠64字節(jié)。 事實上,在傳送ARP報文時,需要進行填充。

arp程序代碼里,會增加一個填充程序,填充字段 18字節(jié), 這樣以太網(wǎng)數(shù)據(jù)部分=ARP28字節(jié)+填充18字節(jié)=46字節(jié)。這樣,Dmac 6字節(jié)+S mac 6字節(jié)+ type 2字節(jié)+ARP 46字節(jié)+FCS4字節(jié)=64字節(jié)。 從而保證了互聯(lián)網(wǎng)上可以有效的傳輸小于64字節(jié)的報文。上述內容來源于網(wǎng)絡,如有侵權,請聯(lián)系我刪除。網(wǎng)上有很多很多討論為什么以太網(wǎng)幀最短幀為64字節(jié)的文章,大家可以自行百度。我們關注的問題是,如果不填充,而是強行傳送小于64字節(jié)的報文呢?我們搭建了一個上板實驗進行了驗證。

實驗環(huán)境

開發(fā)板:Zedboard。 網(wǎng)絡:雙絞線接Zedboard四端口擴展板1口和3口并形成回環(huán)。 EDA工具:Vivado2018.2、ModelSim10.5。 真實硬件驗證環(huán)境如下圖(請忽略圖中紙箱子等雜物):

回環(huán)結構

實驗目的:為了驗證,在實際鏈路中短于64字節(jié)的mac數(shù)據(jù)幀能否通過雙絞線在phy層之間傳輸,以及mac核對于長度不符合要求的數(shù)據(jù)幀的處理情況。

事實上,在上圖中,最短幀能否通過MAC1對應的RJ45網(wǎng)口發(fā)出來的前提是能否順利的通過PHY芯片,FPGA芯片、PHY芯片以及RJ45接口的關系圖如下:

PHY與FPGA之間的接口為RGMII接口。在FPGA內部構建的長度小于64字節(jié)的以太網(wǎng)幀,通過FPGA芯片與PHY芯片之間的RGMII接口首先發(fā)給PHY芯片,如果能夠順利的通過PHY芯片,才能從RJ45接口(MAC1)通過雙絞線發(fā)送給MAC2的RJ45接口,進而再經(jīng)過MAC2對應的RJ45接口、PHY芯片,最后送回到FPGA芯片內部。如下圖所示,左側MAC1采用自己寫的超短幀產(chǎn)生和接收模塊,右側MAC2采用Opencores上的開源MAC核。

數(shù)據(jù)流

Step1:通過data_gen模塊循環(huán)發(fā)送定長數(shù)據(jù)32’h12_34_56_78,通過8位數(shù)據(jù)端口傳給ephy_source模塊。

Step2:ephy_source模塊根據(jù)接收的數(shù)據(jù),以及長度進行mac幀封裝,并填寫固定目的mac地址:48’h01_01_01_01_01_01以及源mac地址:48’h08_08_08_08_08_08之后依次按單字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)域內數(shù)據(jù),并進行crc計算。

Step3:通過rgmii接口模塊進行8位gmii接口數(shù)據(jù)到4位rgmii接口數(shù)據(jù)的轉換后接到phy層。

Step4:經(jīng)雙絞線傳輸后來到另一端的phy層,并依次經(jīng)過phy層、rgmii轉換送入mac處理。

Step5:mac接收的數(shù)據(jù),在去掉前導碼、crc校驗后,以32位寬的形式將數(shù)據(jù)部分發(fā)送給用戶側,這里直接將數(shù)據(jù)通過回環(huán)發(fā)送到mac2的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)端口,再次通過mac2的組幀、crc計算、8位gmii到4位rgmii的轉換之后通過phy2的tx發(fā)送回phy1的接收端口。

超短幀長度設置為40字節(jié)。從MAC1發(fā)出,經(jīng)過PHY1芯片,經(jīng)過雙絞線和MAC2的PHY2芯片,可以在MAC2的RGMII接口處收到。

仿真及上板結果如下:

可以看到在數(shù)據(jù)幀長度不符合標準的時候,是沒有辦法通過MAC2的mac核的,但是能夠到達接收端的rgmii_rx部分。

經(jīng)檢查,發(fā)現(xiàn)開源IP核接收數(shù)據(jù)文件mac_rx_ctrl.v中對接收到的數(shù)據(jù)幀進行了長度判斷,把不滿足64字節(jié)的數(shù)據(jù)幀給過濾掉了。

通過寄存器可以配置LTU MTU大小,默認的LTU=64bytes MTU=1530bytes。

為了能接收到長度為40直接的數(shù)據(jù)幀,我們進行了如下修改:

LTU限制改為34, payload=34-4=30,由于接收控制的最小幀長信號是在寄存器組里配置,所以對需要在reg_init中更改。

修改完之后,在MAC2處即能接收到40字節(jié)的以太網(wǎng)幀了。

數(shù)據(jù)流可以在MAC2處回環(huán)了。但從MAC2的發(fā)送口收到的數(shù)據(jù)幀長度被自動填充到64字節(jié)了。如下圖中的打紅叉處。

經(jīng)檢查,發(fā)現(xiàn)開源代碼的發(fā)送模塊部分會自動的填充補零。相關模塊代碼如下:

修改成支持傳輸40字節(jié)的超短幀,如下圖:

修改過之后,超短幀數(shù)據(jù)即可形成回環(huán)。

上板抓取超短幀

MAC1超短幀發(fā)送端

ephy_send側的發(fā)送數(shù)據(jù),對應抓取數(shù)據(jù)幀位置如下圖。

注意:這里沒有抓發(fā)送側的rgmii_txd是因為他是oddr型的驅動,沒有辦法驅動寄存器,所以沒法打拍抓信號,更不能直接抓,所以抓了轉換前的8位數(shù)據(jù)。

MAC2超短幀接收端

值得注意的是,這里的rgmii_rx是buf型的驅動,所以是可以抓的信號,并且還未進行4到8的轉換,所以這里只有上升沿采到的高半字節(jié)偶數(shù),而低半字節(jié)需要下降沿采樣。抓取位置對應于下圖中的箭頭處。

結論

通過以上實驗可知,超短幀是可以經(jīng)過雙絞線傳輸?shù)?,PHY芯片不會對其進行過濾。但筆者沒有對商用的交換機進行測試,也許會出現(xiàn)文中提到的MAC那樣,硬件芯片會自動補零到64字節(jié)了。

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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原文標題:【實測】網(wǎng)絡中可以傳小于64字節(jié)的數(shù)據(jù)包嗎?

文章出處:【微信號:zhuyandz,微信公眾號:FPGA之家】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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