万兆以太网MAC设计（7）ARP协议报文格式详解以及ARP层模块设计

前言：

1、ARP协议详解

ARP数据格式：
硬件类型:表示硬件地址的类型。它的值为1表示以太网地址
协议类型:表示要映射的协议地址类型。它的值为0x0800即表示IP地址
硬件地址长度和协议地址长度：分别指出硬件地址和协议地址的长度，以字节为单位。对于以太网上IP地址的ARP请求或应答来说，它们的分别为6和4:
操作类型(OP):1表示ARP请求，2表示ARP应答

2、ARP工作机制

从 ARP 协议的数据包结构来看, 它的硬件类型和协议类型是可配置的, 因此它可以支持多种上层网络协议与下层硬件协议的映射, 写成一般形式, ARP 协议便是要解决 < Protocol, Address > 到硬件地址地址的映射, 目前我们使用的绝大多数局域网都是通过 WIFI (IEEE 802.11, 使用 CSMA/CA 做介质访问控制) 或有线连接 (IEEE 802.3, 使用 CSMA/CD 做介质访问控制) 进行连接, 它们都使用 48 位的 MAC 地址来进行通信, 因此我们只讨论 IP 地址映射为 MAC 地址的情形

当局域网的一台主机需要和另一台主机进行通信时, 假定已知道对方的 IP 地址, 但它没有该 IP 地址对应的 MAC 地址, 此时它需要在该局域网内广播发送 ARP 请求包, ARP 请求包里携带发送者自身的 MAC 地址, 自身的 IP 地址, 希望请求的目标主机的 IP 地址, 目标主机的 MAC 地址字段置为 0, 当 ARP 请求包发出以后, 局域网内的所有主机都将收到这个 ARP 请求。

收到 ARP 数据包的主机执行如下的步骤：

1. 检查自己的硬件地址类型与 ARP 数据包的硬件地址类型相同, 由于我们讨论的都是在普通的使用 MAC 地址的局域网下, 因此这项检查都是通过的, 当然主机也应 (SHOULD) 在检查硬件地址类型相同之后, 进一步检查硬件地址的长度是否与 ARP 数据包的硬件地址长度是相等的
2. 主机设置一个布尔型的标志位 Merge_Flag, 其初始值为 false, 如果 ARP 数据包中的发送者主机 IP 和发送者硬件地址在自己的 ARP 映射表中, 则主机应更新本机的 ARP 映射表, 并将 Merge_Flag 设置为 true
3. 接下来, 主机检查 ARP 数据包中的目标主机 IP 是否其自身, 如果是的话, 则该主机就是 ARP 请求的目标主机, 如果 Merge_Flag 为 false, 则主机应将发送者主机 IP, 发送者 MAC 地址写到自己的 ARP 映射表中, 然后检查 ARP 数据包的操作类型字段, 如果此次的 ARP 数据包是 ARPREQUEST, 此时主机应将发送者的 IP 与发送者的 MAC 地址写到 ARP 数据包的目标主机的 IP 字段和目标主机的硬件地址字段上, 而将自身的 IP 地址与自身的 MAC 地址写到发送者的 IP 字段与发送者的 MAC 地址字段, 并将操作类型字段改为 ARPREPLY, 并以单播的方式发给目标主机

上面的 ARP 处理环节有几点需要注意:

• ARP 请求是广播发送, 但 ARP 应答是单播发送
• 主机首先检查 ARP 数据包的发送者 IP 与发送者 MAC 地址是否在自己的 ARP 映射表中, 注意此时并没有预先去检查操作码字段, 换句话说, 无论该 ARP 数据包是 ARP 请求包还是 ARP 应答包, 主机都应首先将发送者主机 IP 与发送者 MAC 地址写到自己本机的 ARP 映射表中

二、ARP_RX模块设计

模块接口：

module ARP_RX#(
    parameter       P_SRC_IP_ADDR   = {8'd192,8'd168,8'd100,8'd99},
    parameter       P_SRC_MAC_ADDR  = 48'h01_02_03_04_05_06
)(
    input           i_clk               ,
    input           i_rst               ,

    output [47:0]   o_recv_target_mac   ,
    output [31:0]   o_recv_target_ip    ,
    output          o_recv_target_valid ,
    output          o_arp_reply         ,
    input  [31:0]   i_dymanic_src_ip    ,
    input           i_src_ip_valid      ,

    input  [63:0]   s_axis_mac_data     ,
    input  [79:0]   s_axis_mac_user     ,
    input  [7 :0]   s_axis_mac_keep     ,
    input           s_axis_mac_last     ,
    input           s_axis_mac_valid    
);
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1. 该模块用于接受ARP报文，不论接收到的ARP报文是请求（request）还是回复（reply）类型，都会记录当前ARP报文当中的源IP和源MAC（o_recv_target_valid），并且将其发送到ARP_table模块进行处理。
2. 进一步检查ARP报文类型，如果是请求报文并且目的IP地址就是本机IP地址，那么就会产生一个reply触发信号（o_arp_reply），通知ARP_TX模块去产生一个reply回复ARP报文。

三、ARP_TX模块设计

模块接口：

module ARP_TX#(
    parameter       P_SRC_IP_ADDR   = {8'd192,8'd168,8'd100,8'd99},
    parameter       P_SRC_MAC_ADDR  = 48'h01_02_03_04_05_06
)(
    input           i_clk               ,
    input           i_rst               ,

    input  [31:0]   i_dymanic_src_ip    ,
    input           i_src_ip_valid      ,
    input  [47:0]   i_dymanic_src_mac   ,
    input           i_src_mac_valid     ,
    input  [47:0]   i_recv_target_mac   ,
    input  [31:0]   i_recv_target_ip    ,
    input           i_recv_target_valid ,
    input           i_arp_reply         ,
    input           i_arp_active        ,
    input  [31:0]   i_arp_active_dst_ip ,

    output [63:0]   m_axis_arp_data     ,
    output [79:0]   m_axis_arp_user     ,
    output [7 :0]   m_axis_arp_keep     ,
    output          m_axis_arp_last     ,


    output          m_axis_arp_valid    
);
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1. 该模块可以主动发送ARP请求报文，该过程通过i_arp_active和i_arp_active_dst_ip 信号进行控制。
2. 当接收到产生回复ARP信号i_arp_reply时，会产生一个reply的ARP报文，并且根据接收端发送的**i_recv_target_***信号进行填充回复ARP报文当中的目的IP和MAC字段。

四、ARP_table模块

模块接口：

module ARP_table(
    input           i_clk               ,
    input           i_rst               ,

    input  [47:0]   i_recv_target_mac   ,
    input  [31:0]   i_recv_target_ip    ,
    input           i_recv_target_valid ,

    input  [31:0]   i_seek_ip           ,
    input           i_seek_valid        ,
    output [47:0]   o_seek_mac          ,
    output          o_seek_mac_valid    
);
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1. 只要FPGA接收到任何ARP报文，就会记录ARP报文当中的源IP和MAC，并且交由ARP_table模块进行缓存。
2. 判断当前需要存储的IP地址是否在当前缓存表当中，如果在，那么就在对应的地址当中重新写入这个IP对应的MAC地址，不管MAC是否相同。
3. 如果当前缓存表当中没有要存储的IP地址，那么存储地址加1，将该IP地址以及其对应的MAC地址都写入新的地址当中。
4. 该ARP_table当中最多存储8组IP和MAC地址，地址在0-7循环。

5、仿真

仿真设计：

1. 产生一个主动ARP信号以及主动ARP请求的IP地址，然后ARP_TX会产生一个ARP request报文。
2. 将发送端产生的请求ARP报文回环到ARP_RX模块，该模块会处理请求报文，然后产生一个回复ARP报文触发信号（因为接收到的是一个request ARP报文，并且目的IP就是本机），并且ARP_table会缓存信息

5.1、发送端

第一次发送的ARP报文是请求报文，由i_arp_active和i_arp_active_dst_ip 触发，第二次发送的是ARP reply报文，由i_arp_reply触发

5.2、接收端

第一次接受的是arp request报文，并且判断目的IP就是本机，于是产生了一个o_arp_reply信号通知发送端发送arp reply报文。
第二次接收到的是arp reply报文。

5.3、缓存表

接收端接收到任何ARP报文都会产生对应的i_recv_target_ 信号通知ARP表进行缓存操作。
仿真当中一共收到俩此ARP报文，一次request一次reply，所以i_recv_target_valid拉高了俩次，但是arp表当中俩次操作后依旧只有一组IP和MAC地址，这是因为俩次arp报文当中对应的源IP地址都是一样的，所以只会更新重写，不会在新的地址当中写入。

总结

完成工程代码参考：https://github.com/shun6-6/Tri_Eth_UDP_pro_stack