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一、理論學習
TCP/IP 五層模型
兩個裝置間要完成正確的通訊，相互相容的硬體和軟體是必不可少的，這就是我們要說的網路通訊協議。為了實現網路通訊的標準化，普及網路應用，國際標準化組織(ISO)將整個乙太網通訊結構制定了OSI(Open System Interconnection)模型，譯為開放式系統互聯。OSI定義了網路互連的七層框架（物理層、資料鏈路層、網路層、傳輸層、會話層、表示層、應用層），即OSI開放互連繫統參考模型。每個層功能不同，網路通訊中各司其職，整個模型包括硬體和軟體定義。OSI模型只是是理想分層，一般的網路系統只是涉及其中幾層。
在一定程度上參考了OSI模型後，產生了TCP/IP 協議。TCP/IP（Transmission ControlProtocol/Internet Protocol，傳輸控制協議/網際協議）是指能夠在多個不同網路間實現資訊傳輸的協議簇。TCP/IP協議不僅僅指的是TCP和IP兩個協議，而是指一個由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等協議構成的協議簇，只是因為在TCP/IP協議中TCP協議和IP協議最具代表性，所以被稱為TCP/IP協議。TCP/IP五層模型，具體見下圖。
在TCP/IP五層參考模型中，資料鏈路層又被分為LLC層(邏輯鏈路層)和MAC層(媒體介質訪問層)。目前，對於普通的接入網路終端的裝置，LLC層和MAC層是軟、硬體的分界線。如PC的網路卡主要負責實現參考模型中的MAC子層和物理層，在PC的軟體系統中則有一套龐大程式實現了LLC層及以上的所有網路層次的協議。
乙太網
本文的主角乙太網是指遵守IEEE 802.3標準組成的區域網，由IEEE 802.3標準規定的主要是位於參考模型的物理層(PHY)和資料鏈路層中的介質訪問控制子層(MAC)。
- 物理層：在物理層，由IEEE 802.3標準規定了乙太網使用的傳輸介質、傳輸速度、資料編碼方式和衝突檢測機制，物理層一般是透過一個PHY晶片實現其功能的。物理層中，介紹一下MII/RGMII介面。MII（Media Independent Interface（介質無關介面）或稱為媒體獨立介面，它是IEEE-802.3定義的乙太網行業標準，用以連線乙太網MAC層和PHY晶片，後逐步擴充套件為：MII、RMII、SMII、GMII、RGMII等。
MII：百兆乙太網介面，單邊沿取樣；
RMII：百兆乙太網介面，MII的線路簡化版，雙邊沿取樣；
GMII：千兆乙太網介面，單邊沿取樣；
RGMII：千兆乙太網介面，GMII的線路簡化版，雙邊沿取樣。 - MAC子層：MAC子層是屬於資料鏈路層的下半部分，它主要負責與物理層進行資料交接，如是否可以傳送資料，傳送的資料是否正確，對資料流進行控制等。它自動對來自上層的資料包加上一些控制訊號，交給物理層。接收方得到正常資料時，自動去除MAC控制訊號，把該資料包交給上層（注意：這裡描述的資料流方向是MAC子層——>物理層）。MAC資料包格式如下。
（1）前導欄位(7Byte)，也稱報頭，內容為連續7個位元組的0x55。
（2）幀起始定界符(SFD，1Byte)：用於區分前導段與資料段的，內容為0xD5。
（3）MAC地址(6Byte)：MAC地址由48位數字組成，它是網路卡的實體地址。
（4）資料包型別(2Byte)：本區域可以用來描述本MAC資料包是屬於TCP/IP協議層的IP包、ARP包還是SNMP包，也可以用來描述本MAC資料包資料段的長度。如果該值被設定大於0x0600，不用於長度描述，而是用於型別描述功能，表示與乙太網幀相關的MAC客戶端協議的種類。
（5）資料段(46-1500Byte)：資料段是MAC包的核心內容，其長度可以從0~1500位元組間變化。由於協議要求MAC資料包長度至少為64位元組，當資料段的位元組少於46位元組時，會自動填上無效資料。
（6）校驗和域(4Byte)： MAC 資料包的尾部是校驗和域，它儲存了 CRC 校驗序列，用於檢錯。 - IP協議：MAC資料包位於TCP/IP協議的資料鏈路層，當MAC資料包經過資料鏈路層到達網路層時，前導碼、幀起始界定符、目的MAC地址、源MAC地址、型別/長度以及校驗位元組均被去除，只有有效資料傳入了網路層（注意：這裡描述的資料流方向是物理層——>MAC子層）。網路層互聯主要負責主機間或與路由器、交換機間對分組資料的路由選擇和傳遞。要實現這一功能，就需要相關協議。常用的網路層協議就是IP協議。所以傳入網路層的資料包並不完全是需要傳輸的有效資料，他的前面還包含著 20位元組的IP協議首部。IP資料包格式如下圖。
（1）版本（4bit）：該欄位定義IP協議版本。
（2）首部長度（4bit）：該欄位定義資料包協議頭長度，表示協議頭部具有32位字長的數量。協議頭最小值為5，最大值為15。
（3）服務型別（8bit）：該欄位定義上層協議對處理當前資料包所期望的服務質量。
（4）總長度（16bit）：該欄位定義整個IP資料包的位元組長度，包括協議頭部和資料。其最大值為 65535 位元組。乙太網協議對能夠封裝在一個幀中的資料有最小值和最大值的限制（46~1500個位元組）。
（5）標識（16bit）：該欄位包含一個整數，用於識別當前資料包。
（6）標記（3bit）：該欄位由3位欄位構成，其中最低位（MF）控制分段，存在下一個分段置為1，否則置0代表該分段是最後一個分段。中間位（DF）指出資料包是否可進行分段，如果為1則機器不能將該資料包進行分段。第三位即最高位保留不使
（7）分段偏移（13bit）；生存時間（8bit）；
（8）協議（8bit）：該欄位指出在IP處理過程完成之後，有哪種上層協議接收匯入資料包。UDP為'd17。
（9）首部校驗和（16bit）：該欄位幫助確保 IP 協議頭的完整性。對IP首部中每個16bit進行二進位制反碼求和，將計算結果再取反碼，若結果為0，透過檢驗，否則，不透過檢驗。
（10）源地址（32bit）：源主機IP地址。
（11）目的地址（32bit）：目標主機IP地址。 - UDP協議：網路層在接收到資料包後，取下資料包的IP首部，將剩餘有效資料包傳送到傳輸層。傳輸層有兩種傳輸協議：基於位元組流的TCP協議、基於報文流的UDP協議。兩種協議各有優缺點，應用於不同場景。TCP協議是面向連線的流傳輸協議，可以保證資料傳輸的完整、有序，是可靠協議，常用在對資料完整性和正確性要求較高的場合，如檔案傳輸。佔用資源較UDP多，速度較UDP慢；UDP協議則是一種無連線的傳輸層協議，提供面向事務的簡單不可靠資訊傳送服務，因為無需連線，傳輸速度較TCP快，佔用資源量較TCP少，適合實時資料的傳輸，如視訊通話。本文采用較為簡單的UDP協議。若傳輸層使用UDP協議，那麼傳入傳輸層的資料包為UDP資料包，前8各位元組為UDP首部。UDP資料包格式，具體見下圖。
（1）源埠號(16Byte)：源主機的應用程式使用的埠號。
（2）目的埠號(16Byte)：目的主機的應用程式使用的埠號。
（3）UDP長度(16Byte)：是指UDP頭部和UDP資料的位元組長度。因為UDP頭部長度是8位元組，所以欄位的最小值為8。
（4）UDP 校驗和(16Byte)：該欄位提供了與TCP校驗欄位同樣的功能；該欄位是可選的。
綜上，我們可以知道，如果是接收PC端傳入板卡的乙太網資料資訊（MAC子層——>物理層），首先需要將接收到的RGMII資料轉化為GMII資料，然後對MAC資料包、IP資料包、UDP資料包的資料進行處理，並提取出有效資料。若是板卡將資料傳回PC端（物理層——>MAC子層），就要將有效資料按照乙太網資料包格式進行打包，然後將GMII資料轉化為RGMII資料傳送。
二、程式設計
要想進行程式設計，首先要做的就是對乙太網資料包的資訊由具體的瞭解。