心跳包就是在客戶端和服務(wù)器間定時通知對方自己狀態(tài)的一個自己定義的命令字，按照一定的時間間隔發(fā)送，類似于心跳，所以叫做心跳包。心跳包在GPRS通信和CDMA通信的應(yīng)用方面使用非常廣泛。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)會定時清理沒有數(shù)據(jù)的路由，心跳包通常設(shè)定在30-40秒之間。所謂的心跳包就是客戶端定時發(fā)送簡單的信息給服務(wù)器端告訴它我還在而已。代碼就是每隔幾分鐘發(fā)送一個固定信息給服務(wù)端，服務(wù)端收到后回復(fù)一個固定信息如果服務(wù)端幾分鐘內(nèi)沒有收到客戶端信息則視客戶端斷開。本次設(shè)計中，心跳包時間間隔為1秒。

一、心跳包觸發(fā)器

設(shè)計一個 1 秒定時器，每隔一秒就產(chǎn)生一個心跳包觸發(fā)脈沖，用于下一步心跳包的組建。

二、心跳包粗略框架

本次以太網(wǎng)的心跳包結(jié)構(gòu)如下所示：

本次發(fā)送 64 個全為0的數(shù)據(jù)，當(dāng)然這個數(shù)據(jù)是自定義的，因此心跳包總長度為118。此外目的/源 MAC 地址、目的/源 IP 地址、目的/源 port 等值可以用參數(shù)的方式先寫好。利用剛剛設(shè)計的心跳包觸發(fā)脈沖，我們就能組建這個心跳包了。表中黃色部分為后面需要校驗(yàn)的值，可以先填0進(jìn)去，后面再覆蓋掉這三處即可。代碼也沒什么說的，用參數(shù)和case語句即可。

點(diǎn)擊電腦 Win + R 鍵，輸入 cmd，再出入 ipconfig -all，按回車鍵，即可看到自己電腦的 MAC 地址等參數(shù)。

三、心跳包填充：IP校驗(yàn)和UDP校驗(yàn)

1、IP校驗(yàn)方法

IP 校驗(yàn)就是把 IP 首部 20byte 按 2byte（即 16bit）分開后相加，結(jié)果如果大于 16’hffff，就將超出 16’hffff 的部分與相加結(jié)果的低 16 位相加，直到最終結(jié)果小于 16’hffff 為止。最后把小于 16’hffff 的結(jié)果取反作為 ip_checksum。高字節(jié)在前，低字節(jié)在后，替換掉前面在心跳包中填充的 0。

(1) 校驗(yàn)和字段清0

假設(shè)有一段以太網(wǎng)包前面沒有對 IP 校驗(yàn)和字段清0，而是賦了別的值，例如 IP 首部為：45 00 00 30 80 4c 40 00 80 06 b5 2e d3 43 11 7b cb 51 15 3d，b5 2e 字段即為 IP 校驗(yàn)和字段，清0后數(shù)據(jù)就變成了：45 00 00 30 80 4c 40 00 80 06 00 00 d3 43 11 7b cb 51 15 3d。

(2) 反碼求和

4500+0030+804c+4000+8006+0000+d343+117b+cb51+153d = 34ace，將超過 16’hffff 的部分（即3）與低 16 位（即4ace）上，結(jié)果為:3+4ace=4ad1，因?yàn)?4ad1 小于 ffff，故作為 Ip_checksum 的反碼。

(3) 取反得最終結(jié)果

將 4ad1 取反得 b52e，這就是本包數(shù)據(jù)最終的 IP 校驗(yàn)和，再將 b52e 填充到對應(yīng)位置即可。

2、UDP校驗(yàn)方法

(1) 校驗(yàn)方法

UDP_checksum 計算稍微復(fù)雜一點(diǎn)，需要加入 IP 偽頭部，將 IP 偽頭部、UDP 首部的 8 個 bytes 和數(shù)據(jù)包部分按 2byte（即 16bit） 分開后相加，結(jié)果如果大于16’hffff，就將超出 16’hffff 的部分與相加結(jié)果的低 16 位相加，直到最終結(jié)果小于 16’hffff 為止。最后把小于 16’hffff 的結(jié)果取反作為 UDP_checksum。高字節(jié)在前，低字節(jié)在后，替換掉前面在心跳包中填充的0。

(2) UDP結(jié)構(gòu)

UDP_checksum 的組成如圖所示。

可以看到，IP 偽頭部包含了 IP 源地址，IP 目的地址，一個字節(jié)的 0，協(xié)議號和 UDP_len ，在前面做的千兆以太網(wǎng)圖像傳輸項目中 IP 源地址，IP 目的地址，協(xié)議號都是固定的，而通過上一篇博客設(shè)計的 UDP_len 為：UDP首部 8byte + 數(shù)據(jù)長度 64byte = 8+64='h0048。在設(shè)計的時候可以先單獨(dú)將 IP 偽頭部計算出來。

3、計算的時序安排

ip_checksum 和 udp_checksum 計算完成，該數(shù)據(jù)填充的位置已經(jīng)經(jīng)過，那么就沒辦法將數(shù)據(jù)填充到原來填充 0 的位置了，但我們想要將其組成完整的以太網(wǎng)包，這一步是不可避免的，那么我們該怎么解決呢？我們可以考慮一下，建立一個足夠大的 RAM ，在計算 ip_checksum 和 udp_checksum 的同時將前面心跳包數(shù)據(jù)存儲到 RAM 中，當(dāng)這一包數(shù)據(jù)全部計算完再將 RAM 中的數(shù)據(jù)讀出。當(dāng)讀出到要填充 ip_checksum 和 udp_checksum 的位置時，將計算出的兩個值取反后填充到對應(yīng)位置即可。

4、時序圖

四、心跳包填充：CRC校驗(yàn)

1、CRC校驗(yàn)范圍

CRC校驗(yàn)另起一段，是因?yàn)橐人阃昵懊娴?ip 校驗(yàn)值和 UDP 校驗(yàn)值才行。CRC校驗(yàn)時必須先去除幀頭（即前面的7個55和1個d5），還得去掉幀尾（即后面4個數(shù)據(jù)，前面我們直接在這填了0）。當(dāng) CRC 校驗(yàn)值計算完成后，即可將其填充至數(shù)據(jù)的末尾 4 位即可。

2、CRC校驗(yàn)方法

（1）CRC校驗(yàn)初始值和空閑值都設(shè)置為 32‘hffffffff，即全 1 狀態(tài)。

（2）計算結(jié)果需高低位對調(diào)，因?yàn)槲覀冇嬎銜r是先從高位輸入的，所以最后高低位需要對調(diào)。

（3）最后結(jié)果取反，高低位對調(diào)后的結(jié)果再取反，即可得到 CRC 的校驗(yàn)值。

3、CRC校驗(yàn)部分代碼
always @(posedge sclk) begin
if(rst) begin
crc32_value end
else if(crc_en) begin
crc32_value[ 0] crc32_value[ 1] crc32_value[ 2] crc32_value[ 3] crc32_value[ 4] crc32_value[ 5] crc32_value[ 6] crc32_value[ 7] crc32_value[ 8] crc32_value[ 9] crc32_value[10] crc32_value[11] crc32_value[12] crc32_value[13] crc32_value[14] crc32_value[15] crc32_value[16] crc32_value[17] crc32_value[18] crc32_value[19] crc32_value[20] crc32_value[21] crc32_value[22] crc32_value[23] crc32_value[24] crc32_value[25] crc32_value[26] crc32_value[27] crc32_value[28] crc32_value[29] crc32_value[30] crc32_value[31] end
end

4、時序圖

由于這次 CRC 校驗(yàn)值是在末尾，因此不需要用到 RAM 也來得及填充。

至此，我們組建了以太網(wǎng)發(fā)送的心跳包，下一步就可以發(fā)送了。

編輯：hfy