同學(xué)們?cè)趯W(xué)網(wǎng)絡(luò)課程的時(shí)候都知道，除巨幀外，常見(jiàn)的以太網(wǎng)幀的長(zhǎng)度范圍是64字節(jié)到1518字節(jié)，并且因?yàn)樽畛蹩偩€(xiàn)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(luò)早已不是當(dāng)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(luò)是否允許小于64字節(jié)的以太網(wǎng)幀或者報(bào)文傳輸呢？本文搭建硬件環(huán)境進(jìn)行了驗(yàn)證。

回顧

電磁波在雙絞線(xiàn)上傳輸?shù)乃俣葹?.7倍光速，在1km電纜的傳播時(shí)延約為5us。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信道比較差，需要有重傳機(jī)制保障可靠性。于是，在節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行通信的時(shí)候，要保證以太網(wǎng)的重傳，必須保證A收到碰撞信號(hào)的時(shí)候，數(shù)據(jù)包沒(méi)有傳完，要實(shí)現(xiàn)這一要求，A和B之間的距離很關(guān)鍵，也就是說(shuō)信號(hào)在A和B之間傳輸?shù)膩?lái)回時(shí)間必須控制在一定范圍之內(nèi)。IEEE定義了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)碰撞域內(nèi)，最遠(yuǎn)的兩臺(tái)機(jī)器之間的round-trip time 要小于512bit 時(shí)間。(來(lái)回時(shí)間小于512位時(shí)，所謂位時(shí)就是傳輸一個(gè)比特需要的時(shí)間）。因此，傳統(tǒng)以太網(wǎng)有如下特點(diǎn)： 1、最大覆蓋距離（兩個(gè)站點(diǎn)最遠(yuǎn)的距離）：2500m； 2、爭(zhēng)用期（即一個(gè)信號(hào)最遠(yuǎn)來(lái)回的傳播時(shí)間）：51.2us；過(guò)來(lái)這個(gè)時(shí)間還未監(jiān)聽(tīng)到?jīng)_突，則說(shuō)明無(wú)沖突； 3、最小幀長(zhǎng)：64字節(jié)；因?yàn)閭鹘y(tǒng)以太網(wǎng)速率是10Mbps，爭(zhēng)用期是51.2us；即在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，幀的數(shù)據(jù)不能發(fā)完，否則將不能監(jiān)聽(tīng)到?jīng)_突了（CSMA/CD協(xié)議是邊發(fā)邊聽(tīng)、不發(fā)不聽(tīng)；因?yàn)槿绻麕l(fā)完，則不在監(jiān)聽(tīng)，這個(gè)時(shí)候即使來(lái)了有沖突的信號(hào)，不在監(jiān)聽(tīng)，也不知道已經(jīng)沖突了），這樣的話(huà)CSMA/CD協(xié)議可靠性也就大大折扣了；即：B/10M >= 51.2us;即512bit，64個(gè)字節(jié)； 4、幀間最小間隔：9.6us；相當(dāng)于發(fā)送96bit；即在CSDM/CD協(xié)議下，一個(gè)站點(diǎn)在監(jiān)測(cè)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(diǎn)清理接收緩存，做好接下一陣的準(zhǔn)備----------流量控制其實(shí)也是） 上述所說(shuō)的以太網(wǎng)幀是針對(duì)以太網(wǎng)Ⅱ型幀進(jìn)行的描述。幀格式如下：

那么，現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)送長(zhǎng)度小于64字節(jié)的報(bào)文時(shí)如何傳送呢？比如ARP報(bào)文。有效長(zhǎng)度如下： ARP報(bào)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(yuǎn)不夠64字節(jié)。 事實(shí)上，在傳送ARP報(bào)文時(shí)，需要進(jìn)行填充。

arp程序代碼里，會(huì)增加一個(gè)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(bào)文。上述內(nèi)容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請(qǐng)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(guān)注的問(wèn)題是，如果不填充，而是強(qiáng)行傳送小于64字節(jié)的報(bào)文呢？我們搭建了一個(gè)上板實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境

開(kāi)發(fā)板：Zedboard。 網(wǎng)絡(luò)：雙絞線(xiàn)接Zedboard四端口擴(kuò)展板1口和3口并形成回環(huán)。 EDA工具：Vivado2018.2、ModelSim10.5。 真實(shí)硬件驗(yàn)證環(huán)境如下圖（請(qǐng)忽略圖中紙箱子等雜物）：

回環(huán)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簽榱蓑?yàn)證，在實(shí)際鏈路中短于64字節(jié)的mac數(shù)據(jù)幀能否通過(guò)雙絞線(xiàn)在phy層之間傳輸，以及mac核對(duì)于長(zhǎng)度不符合要求的數(shù)據(jù)幀的處理情況。

事實(shí)上，在上圖中，最短幀能否通過(guò)MAC1對(duì)應(yīng)的RJ45網(wǎng)口發(fā)出來(lái)的前提是能否順利的通過(guò)PHY芯片，FPGA芯片、PHY芯片以及RJ45接口的關(guān)系圖如下：

PHY與FPGA之間的接口為RGMII接口。在FPGA內(nèi)部構(gòu)建的長(zhǎng)度小于64字節(jié)的以太網(wǎng)幀，通過(guò)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(guò)PHY芯片，才能從RJ45接口（MAC1）通過(guò)雙絞線(xiàn)發(fā)送給MAC2的RJ45接口，進(jìn)而再經(jīng)過(guò)MAC2對(duì)應(yīng)的RJ45接口、PHY芯片，最后送回到FPGA芯片內(nèi)部。如下圖所示，左側(cè)MAC1采用自己寫(xiě)的超短幀產(chǎn)生和接收模塊，右側(cè)MAC2采用Opencores上的開(kāi)源MAC核。

數(shù)據(jù)流

Step1：通過(guò)data_gen模塊循環(huán)發(fā)送定長(zhǎng)數(shù)據(jù)32’h12_34_56_78，通過(guò)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(zhǎng)度進(jìn)行mac幀封裝，并填寫(xiě)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(nèi)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行crc計(jì)算。

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

Step4：經(jīng)雙絞線(xiàn)傳輸后來(lái)到另一端的phy層，并依次經(jīng)過(guò)phy層、rgmii轉(zhuǎn)換送入mac處理。

Step5：mac接收的數(shù)據(jù)，在去掉前導(dǎo)碼、crc校驗(yàn)后，以32位寬的形式將數(shù)據(jù)部分發(fā)送給用戶(hù)側(cè)，這里直接將數(shù)據(jù)通過(guò)回環(huán)發(fā)送到mac2的用戶(hù)發(fā)送數(shù)據(jù)端口，再次通過(guò)mac2的組幀、crc計(jì)算、8位gmii到4位rgmii的轉(zhuǎn)換之后通過(guò)phy2的tx發(fā)送回phy1的接收端口。

超短幀長(zhǎng)度設(shè)置為40字節(jié)。從MAC1發(fā)出，經(jīng)過(guò)PHY1芯片，經(jīng)過(guò)雙絞線(xiàn)和MAC2的PHY2芯片，可以在MAC2的RGMII接口處收到。

仿真及上板結(jié)果如下：

可以看到在數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，是沒(méi)有辦法通過(guò)MAC2的mac核的，但是能夠到達(dá)接收端的rgmii_rx部分。

經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)開(kāi)源IP核接收數(shù)據(jù)文件mac_rx_ctrl.v中對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行了長(zhǎng)度判斷，把不滿(mǎn)足64字節(jié)的數(shù)據(jù)幀給過(guò)濾掉了。

通過(guò)寄存器可以配置LTU MTU大小，默認(rèn)的LTU=64bytes MTU=1530bytes。

為了能接收到長(zhǎng)度為40直接的數(shù)據(jù)幀，我們進(jìn)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(zhǎng)信號(hào)是在寄存器組里配置，所以對(duì)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(zhǎng)度被自動(dòng)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(kāi)源代碼的發(fā)送模塊部分會(huì)自動(dòng)的填充補(bǔ)零。相關(guān)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(guò)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(cè)的發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)抓取數(shù)據(jù)幀位置如下圖。

注意：這里沒(méi)有抓發(fā)送側(cè)的rgmii_txd是因?yàn)樗莖ddr型的驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有辦法驅(qū)動(dòng)寄存器，所以沒(méi)法打拍抓信號(hào)，更不能直接抓，所以抓了轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)，所以是可以抓的信號(hào)，并且還未進(jìn)行4到8的轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)于下圖中的箭頭處。

結(jié)論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可知，超短幀是可以經(jīng)過(guò)雙絞線(xiàn)傳輸?shù)?，PHY芯片不會(huì)對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾。但筆者沒(méi)有對(duì)商用的交換機(jī)進(jìn)行測(cè)試，也許會(huì)出現(xiàn)文中提到的MAC那樣，硬件芯片會(huì)自動(dòng)補(bǔ)零到64字節(jié)了。