第48章：以太网ICMP测试实验（初学者详解）

第48章：以太网ICMP测试实验

上一章的 ARP 解决了"找到对方"的问题，这一章更进一步：让电脑能 ping 通开发板。这背后靠的是 ICMP 协议，以及它脚下的 IP 协议——这是以太网实战里协议栈最"厚"的一章。

本章在讲什么？（先看这个）

实验任务一句话概括：电脑发 ping 命令 → FPGA 解析 ICMP 请求 → 原样回一个 ICMP 应答。

要实现它，新增的知识点有三个：

1. IP 协议：ICMP 报文的"运输车"，重点掌握 IP 首部格式和首部校验和算法；
2. ICMP 协议：回显请求（ping 请求）与回显应答（ping 应答）的报文格式；
3. 协议切换架构：ARP 和 ICMP 共用一条 GMII 发送总线，需要一个控制模块做"二选一"。

核心概念拆解

48.1 ICMP：网络的"体检报告"

ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制报文协议）不传输用户数据，专门传递"网络本身的消息"：通不通、可达吗、路由还行吗。我们天天用的 ping 和 tracert 命令，底层都是 ICMP。

以太网传输 ICMP 数据的封装关系是三层套娃：

MAC帧 [ 数据段 = IP数据报 [ 数据段 = ICMP报文 [ 数据段 = 用户数据 ] ] ]

48.2 IP 数据报格式：20 字节首部逐字段过一遍

字段	位数	要点
版本	4	IPv4 填 0100
首部长度 IHL	4	无可选字段时为 5（5×4=20 字节）
服务类型 TOS	8	一般填 0
总长度	16	首部+数据，最大 65535 字节
标识	16	每发一份报文加 1
标志+片偏移	3+13	本实验设"不分片"（010）
生存时间 TTL	8	防止包无限循环，常填 64/128
协议	8	ICMP=1，TCP=6，UDP=17
首部校验和	16	只校验首部，不含数据
源/目的 IP	32+32	192.168.1.102 / 192.168.1.10

重点：IP 首部校验和的手算方法。以总长 60 字节的包为例：

第1步：把校验和字段置0，首部按16位分组逐一反码累加
0x4500+0x003C+0x0000+0x4000+0x4001+0x0000+0xc0a8+0x010a+0xc0a8+0x0166 = 0x248FD
第2步：把高16位折叠加到低16位（可能要折多次）
0x0002+0x48FD = 0x48FF
第3步：按位取反
check_sum = ~0x48FF = 0xb700

记住"分组累加 → 折叠进位 → 取反"三步曲，后面代码里会原样出现。

48.3 ICMP 报文格式：ping 的前后半场

ICMP 首部 8 字节：

字段	位数	说明
类型 Type	8	8=回显请求，0=回显应答（ping 的核心）
代码 Code	8	请求/应答场景固定为 0
校验和	16	算法与 IP 首部校验和一致
标识符	16	标识每次 ping 进程
序列号	16	每发一个包加 1，用于配对

一对请求/应答靠什么确认是"一组"？标识符和序列号一致，Type 从 8 变成 0。另外，Windows 的 ping 会携带 32 字节测试数据（就是输出里的 abcdefghijklmnopqrstuvwabcdefghi）。

48.4 程序设计：ARP + ICMP 双协议架构

总体架构

相比 ARP 实验，本次只替换/新增了四个模块：

• ICMP 模块（icmp_rx + icmp_tx + crc32_d8）：解析 ICMP 请求、组包应答；
• 以太网控制模块 eth_ctrl：ARP 应答和 ICMP 应答共用 GMII 发送口，靠它做协议切换；
• 同步 FIFO：缓存接收到的 ping 数据，等发送时再读出（收发同源时钟，所以同步 FIFO 就够）。

数据流转的完整链条：收到包 → ARP 和 ICMP 模块同时解析 → 是 ARP 请求就回 ARP 应答，是 ICMP 请求就把数据存进 FIFO 并回 ICMP 应答（数据从 FIFO 原样取出发回去）。

ICMP 接收模块：五层状态机

接收顺序：前导码 → 以太网帧头 → IP 首部 → ICMP 首部 → 有效数据。与 ARP 实验相同的设计决策：中间状态出错跳 st_rx_end 而不是 st_idle，等本包接收完（gmii_rx_dv=0）再复位，避免"半包数据"被误认成新前导码。

最有意思的是校验和数据部分的旁路累加——接收数据的同时就把校验和算出来了：

st_rx_data : begin
    if(gmii_rx_dv) begin
        rec_data <= gmii_rxd;
        rec_en   <= 1'b1;
        //判断接收到数据的奇偶个数
        if(icmp_rx_cnt == icmp_data_length - 16'd1) begin
            rec_pkt_done <= 1'b1;
            rec_byte_num <= icmp_data_length;
            if(icmp_data_length[0])          //奇数个数据
                reply_checksum_add <= {gmii_rxd,8'd0} + reply_checksum_add;
            else
                reply_checksum_add <= {icmp_rx_data_d0,gmii_rxd} + reply_checksum_add;
        end
        else if(icmp_rx_cnt < icmp_data_length) begin
            icmp_rx_data_d0 <= gmii_rxd;
            if(icmp_rx_cnt[0] == 1'b1)       //两个8位拼一个16位再累加
                reply_checksum_add <= {icmp_rx_data_d0,gmii_rxd} + reply_checksum_add;
        end
    end
end

校验和按 16 位一组累加，所以相邻两个 8 位数据要拼接后再加；数据个数为奇数时最后一个字节高位补零。收包完成时校验和也同时就绪，发送模块直接拿来复用——这是很巧妙的数据复用设计。

ICMP 发送模块：新增两个校验状态

发送状态机在 ARP 版本的基础上多了两个状态：

• st_check_icmp：计算 ICMP 首部+数据的校验和；
• st_check_sum：计算 IP 首部校验和。

IP 首部用 5 个 32 位数组存放，发送前按本次包的实际参数重新初始化：

if(trig_tx_en) begin
    //对IP头部数组进行初始化
    ip_head[0]        <= {8'h45,8'h00,total_num};   //版本号:4 首部长度:5
    ip_head[1][31:16] <= ip_head[1][31:16] + 16'd1; //16位标识递增
    ip_head[1][15:0]  <= 16'h4000;                  //010表示不分片
    ip_head[2]        <= {8'h80,8'd01,16'h0000};    //TTL=128,协议=1(ICMP),校验和暂0
    ip_head[3]        <= BOARD_IP;                  //源IP地址
    if(des_ip != 32'd0)
        ip_head[4] <= des_ip;                       //目的IP地址
    //对ICMP头部数组进行初始化
    icmp_head[0] <= {ECHO_REPLY,8'h00,16'h0000};    //类型0=回显应答
    icmp_head[1] <= {icmp_id,icmp_seq};             //标识符/序列号原样返回
end

注意三个"原样返回"：标识符、序列号、数据内容都直接回给电脑，这样电脑才能把 reply 和 request 配对。唯一变的是 Type：8 → 0。

ICMP 校验和的计算完全复刻手算三步曲：

st_check_icmp: begin
    if(tx_cnt == 5'd0) begin
        check_buffer_icmp <= icmp_head[0][31:16] + icmp_head[0][15:0] +
                             icmp_head[1][31:16] + icmp_head[1][15:0] +
                             reply_checksum;             //分组累加(含接收时算好的数据校验)
    end
    else if(tx_cnt == 5'd1)                              //折叠进位
        check_buffer_icmp <= check_buffer_icmp[31:16] + check_buffer_icmp[15:0];
    else if(tx_cnt == 5'd2)                              //可能再次进位,再折一次
        check_buffer_icmp <= check_buffer_icmp[31:16] + check_buffer_icmp[15:0];
    else if(tx_cnt == 5'd3) begin                        //按位取反
        icmp_head[0][15:0] <= ~check_buffer_icmp[15:0];
    end
end

以太网控制模块：一个寄存器搞定协议切换

核心就是一个 protocol_sw 开关信号：

assign gmii_tx_en = protocol_sw ? icmp_gmii_tx_en : arp_gmii_tx_en;
assign gmii_txd   = protocol_sw ? icmp_gmii_txd   : arp_gmii_txd;

if(icmp_tx_start_en)
    protocol_sw <= 1'b1;                              //ICMP优先
else if(arp_rx_flag && (icmp_tx_busy == 1'b0)) begin
    protocol_sw <= 1'b0;                              //ICMP空闲时才响应ARP
    arp_tx_en   <= 1'b1;
end

注意优先级设计：ICMP 请求先来就先处理；ARP 请求必须等 ICMP 发送完毕（icmp_tx_busy=0）才能切换。ARP 发送类型固定为应答（arp_tx_type=1'b1），因为本设计只回应别人的请求、不主动发请求。

顶层连线与仿真

顶层有两个"直通"连接值得品味：

assign tx_start_en = rec_pkt_done;  //收完一包ICMP请求,立刻启动发送应答
assign tx_byte_num = rec_byte_num;  //收多少字节,回多少字节

一个完整的 ping 应答，本质是"镜像"：收到什么，原样发回去。仿真 TB 里依旧用环回法（gmii_rxd = gmii_txd），并把报文类型 defparam 改成 8'h08 模拟请求包，分别测了 20 字节和 28 字节两种数据长度。

48.5 下载验证

管脚分配与 ARP 实验完全相同。验证步骤充满仪式感：

1. 电脑 IP 设为 192.168.1.102，网线接 GE_PL 网口，下载程序；
2. 命令行执行 ping 192.168.1.10，看到回复即成功；

1. 进阶玩法——用 Wireshark 抓包：第 47 行是电脑发的 ICMP 请求，第 48 行是开发板回的应答；点开应答包能看到源 IP 192.168.1.10、目的 IP 192.168.1.102，数据段正是那串 "abcdefghijklm nopqrstuvwabcdefghi"。

初学者容易踩的坑

1. 校验和覆盖顺序：先算校验和（此时字段置 0），算完再填入首部数组，顺序反了结果必错。
2. 奇数长度数据：校验和按 16 位累加，数据长度为奇数时最后一个字节要高位补零拼接，漏了这一步 ping 会"请求超时"。
3. TTL/协议字段写死错值：协议字段必须是 1（ICMP），写成 17（UDP）电脑会当 UDP 包丢弃。
4. 协议切换死锁：ARP 应答触发条件里没有判断 icmp_tx_busy 的话，两个模块会同时往 GMII 总线送数据，发出垃圾包。
5. Type 值不切换：应答包 Type 必须是 0，如果原样返回 8，电脑会认为这是又一个请求而不是应答。
6. FIFO 时钟选择：虽然本实验收发同钟，但要清楚这是"侥幸"——换成千兆/百兆混合场景就必须用异步 FIFO。

小结 & 下一步

本章是以太网协议栈的重要一跃：

• 掌握 IP 首部 20 字节逐字段含义，以及"分组累加→折叠进位→取反"的校验和算法；
• 理解 ICMP 回显请求/应答的配对机制（标识符+序列号+镜像数据）；
• 学会双协议共存的系统架构：协议解析并行、发送总线串行复用；
• 收包的同时旁路计算校验和，发送时直接复用，省去二次遍历。

至此开发板已经会"回答"了，但都是被动应答。下一章 UDP 测试实验，我们将实现主动、大批量的用户数据收发——这才是真正应用级通信的开端。