第4章网络协议基础

第4章：网络协议基础

做低延迟交易，说白了就是跟网络协议打交道。你想想看，行情数据从交易所出来，经过网线、交换机、网卡，最后到你的FPGA逻辑，这一路上每一层协议都在“扒皮”。今天我就带你把这些协议扒个干净。

以太网帧是网络通信的“最小单元”。我刚开始做FPGA网络处理时，第一件事就是对着逻辑分析仪看帧结构。嗯，这东西其实不复杂。

标准以太网帧结构（IEEE 802.3）

这里有个坑。我曾经在项目中遇到一个奇怪的问题：FPGA收到的帧总是丢包。查了半天，发现是前导码处理不对。很多FPGA的MAC核会自动剥离前导码，但如果你自己写RGMII接口，就得手动处理这7个字节。说白了，前导码就是给接收端“热身”用的，别把它当数据存起来。

ARP协议解决的是“我知道你IP，但不知道你MAC”的问题。在低延迟交易场景下，ARP其实是个麻烦事——它会产生广播风暴。

我个人习惯的做法是：在FPGA里做一个ARP缓存表，把交易对手的MAC地址硬编码进去。为什么？因为交易链路是固定的，不需要动态学习。你想想看，每次行情来了还要先发个ARP请求，那延迟就上去了。

ARP报文结构

我记得有一次调试，发现FPGA发的ARP请求没人理。后来一查，是目标MAC地址填错了。ARP应答里目标MAC是广播地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF），但请求里目标MAC得填全0。这种细节，文档上写得很清楚，但实际做起来就容易忘。

IP协议负责把数据包从源地址送到目的地址。在FPGA里处理IP，核心就是解析头部、校验和计算。

IPv4头部（20字节固定部分）

校验和计算是FPGA的强项。用流水线做，一个时钟周期就能算完。我一般用补码求和再取反的方式，注意每16位累加一次，最后把进位加回去。嗯，这里有个细节：IP校验和只覆盖头部，UDP校验和才覆盖数据。别搞混了。

UDP是低延迟交易的首选。为什么？因为它简单、无状态、延迟低。说白了就是“发出去就不管了”。

UDP头部（8字节）

在FPGA里解析UDP，我建议直接按字节流处理。收到以太网帧后，先剥掉MAC头（14字节），再剥掉IP头（20字节），剩下的就是UDP头+数据。整个过程用状态机控制，非常简单。

注意：UDP校验和在低延迟场景下经常被设为0。为什么？因为计算校验和需要遍历整个数据包，这会增加延迟。但如果你做的是金融交易，数据完整性很重要，我建议还是算一下。我曾经见过因为UDP校验和错误导致订单数据损坏的案例，那损失可不小。

TCP协议在低延迟交易里用得少，但也不是完全不用。比如一些管理通道、配置通道会用TCP。TCP的核心是可靠传输，但代价是延迟高。

TCP头部比UDP复杂得多，有20字节固定部分，还有可选字段。关键字段包括：

在FPGA里实现TCP协议栈，说实话挺麻烦的。状态机要处理连接建立、数据传输、连接释放、重传、拥塞控制……我建议除非必要，否则别在FPGA里做完整的TCP。用UDP+应用层确认机制，延迟更低，实现也更简单。

我的建议：交易链路用UDP，管理通道用TCP。这样既保证了低延迟，又保留了管理功能的可靠性。我在一个项目中就是这么做的，效果很好。

下面这张图展示了网络协议栈在FPGA处理中的层次关系。从物理层到应用层，每一层都有对应的处理模块。

这张图我画了很多次。每次给团队新人讲网络协议处理，我都会先让他们看这张图。你想想看，从网线进来的数据，先经过物理层恢复时钟和位同步，然后数据链路层做MAC过滤和CRC校验，网络层解析IP头部，传输层处理UDP/TCP，最后应用层才拿到真正的交易数据。每一层都有延迟，每一层也都有优化的空间。

避坑指南：我曾经在项目中遇到一个问题——FPGA收到的UDP包校验和总是错。查了两天，发现是IP头部的总长度字段填错了。UDP校验和计算时要用到IP头部里的总长度，如果这个值不对，校验和肯定算不对。所以，写FPGA代码时，一定要确保每个字段的值都是正确的，别想当然。

好了，网络协议基础就讲到这里。这些协议看起来简单，但实际在FPGA里实现时，每个细节都可能成为性能瓶颈。下一章我们会深入讲如何在FPGA里高效实现这些协议的解析和生成。

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