七、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜UDP 组播＞

1. 前言

  UDP组播是一种基于UDP协议的通信方式，它允许一台计算机通过发送单个UDP数据包来同时向多个目标发送信息。这种通信方式在需要高效、实时的数据传输的应用中非常有用，比如视频直播、在线游戏等。
  本章节将进行UDP组播回环测试。

  W5100S/W5500是一款集成全硬件 TCP/IP 协议栈的嵌入式以太网控制器，同时也是一颗工业级以太网控制芯片。在以太网应用中使用 W5100S/W5500 让用户可以更加方便地在设备之间实现远程连接和通信。

2. 相关简介

2.1 简述

  UDP组播是一种基于UDP协议的通信方式，也称为多播。它允许一台计算机通过发送单个UDP数据包来同时向多个目标发送信息，而不需要像单播模式那样对每个目标单独发送数据包。

  组播地址是一种特殊的IP地址，范围从224.0.0.0到239.255.255.255，它们被划分为不同的类型，包括局部链接多播地址、预留多播地址和管理权限多播地址。使用组播时，需要在发送方和接收方之间建立对等关系，并使用特定的组播协议来确保数据的传输可靠性和顺序性。

  组播MAC地址：为了在本地物理网络上实现组播信息的正确传输，需要在链路层使用组播MAC地址。以太网传输IPv4单播报文的时候，目的MAC地址使用的是接收者的MAC地址。但是在传输组播数据时，其目的地不再是一个具体的接收者，而是一个成员不确定的组，所以要使用IPv4组播MAC地址，即IPv4组播地址映射到链路层中的地址。IANA规定，IPv4组播MAC地址的高24位为0x01005e，第25位为0，低23位为IPv4组播地址的低23位，映射关系如下图所示：

  在组播中，发送方将数据包发送到特定的组播组地址，这个地址不属于任何特定的一台计算机，而是属于一组计算机。只有订阅了这个组播组地址的计算机才能接收到这个数据包。这种通信方式可以有效地节省网络带宽，因为发送方只需要发送一个数据包，而不是对每个接收方都发送一个数据包。

  相比之下，单播模式是点对点的通信方式，每个发送方都需要单独向接收方发送数据包。在某些情况下，如果需要向多个接收方发送相同的数据包，那么单播模式会浪费大量的网络带宽。

  总的来说，UDP组播是一种非常高效的通信方式，适用于需要向多个接收者同时发送相同数据的场景，如视频直播、在线游戏、多用户协作等。

2.2 优点

• 节省带宽：由于UDP组播允许发送方只需发送一个数据包，就可以到达多个接收方，因此可以显著节省带宽，特别是在接收方较多的情况下。
• 高效传输：相对于单播模式，UDP组播可以在网络中快速传输数据包，因为它可以在一个网络路径上同时发送到多个接收方。
• 实时性：UDP组播适用于实时通信，因为它可以立即将数据包发送到所有订阅了组播组的接收方，而无需等待接收方确认。
  可扩展性：通过使用组播地址，可以实现一对多的通信，适用于大规模的数据分发和实时应用

2.3 应用

• 多媒体广播：多媒体广播应用，如电视和电台广播，通过UDP组播将音频和视频数据传输到多个接收者。
• 多用户游戏：多用户游戏通过UDP组播将游戏数据传输到多个客户端，实现多人在线游戏。
• 实时协作：像在线会议这样的实时协作应用，可以使用UDP组播将音频、视频和其他协作数据传输到所有参会者。
• 分布式系统：UDP组播可以用于分布式系统，将数据从一个节点发送到其他节点，实现数据同步和状态报告等功能。
• 网络监控：网络监控应用可以通过UDP组播将监控数据发送到多个接收者，例如实时流量监控、网络安全监控等。
• 视频会议：多人在线的视频会议，每个用户都可以共享到音频、视频数据。

3. WIZnet以太网芯片

WIZnet 主流硬件协议栈以太网芯片参数对比

Model	Embedded Core	Host I/F	TX/RX Buffer	HW Socket	Network Performance
W5100S	TCP/IPv4， MAC & PHY	8bit BUS, SPI	16KB	4	Max 25Mbps
W6100	TCP/IPv4/IPv6, MAC & PHY	8bit BUS, Fast SPI	32KB	8	Max 25Mbps
W5500	TCP/IPv4, MAC & PHY	Fast SPI	32KB	8	Max 15Mbps

1. W5100S/W6100 支持 8bit数据总线接口，网络传输速度会优于W5500。
2. W6100 支持IPV6，与W5100S 硬件兼容，若已使用W5100S的用户需要支持IPv6，可以Pin to Pin兼容。
3. W5500 拥有比 W5100S更多的 Socket数量以及发送与接收缓存

4. UDP 组播回环测试

4.1 程序流程图

4.2 测试准备

软件：

• Visual Studio Code
• WIZnet UartTool
• SocketTester

硬件：

• W5100SIO模块 + RP2040 树莓派Pico开发板 或者 WIZnet W5100S-EVB-Pico开发板
• Micro USB 接口的数据线
• TTL 转 USB
• 网线

4.3 连接方式

• 通过数据线连接PC的USB口（主要用于烧录程序，也可以虚拟出串口使用）
• 通过TTL串口转USB，连接UART0 的默认引脚：
  • RP2040 GPIO 0（UART0 TX） <----> USB_TTL_RX
  • RP2040 GPIO 1（UART0 RX） <----> USB_TTL_TX
• 使用模块连接RP2040进行连线时
  • RP2040 GPIO 16 <----> W5100S MISO
  • RP2040 GPIO 17 <----> W5100S CS
  • RP2040 GPIO 18 <----> W5100S SCK
  • RP2040 GPIO 19 <----> W5100S MOSI
  • RP2040 GPIO 20 <----> W5100S RST
• 通过网线直接连接PC网口（或：PC和设备都通过网线连接交换机或路由器LAN口）

4.4 相关代码

  我们直接打开udp_multicast.c文件（路径：examples/udp_multicast/udp_multicast.c）看下具体实现：

  可以看到这里是以dhcp模式配置网络信息的，因此在主控和W5100S初始化完成后，会进行DHCP初始化，然后增加一个定时器初始化，用来做DHCP过程中的计时以进行超时处理；接着进入DHCP配置网络信息，成功则直接进入循环调用回环测试函数，失败则用我们初始化的静态网络信息进行配置，然后再进入循环调用回环测试函数，如下所示：

/* Network information to be configured. */
wiz_NetInfo net_info = {
    .mac = {0x00, 0x08, 0xdc, 0x1e, 0xed, 0x2e}, // Configured MAC address
    .ip = {192, 168, 1, 10},                     // Configured IP address
    .sn = {255, 255, 255, 0},                    // Configured subnet mask
    .gw = {192, 168, 1, 1},                      // Configured gateway
    .dns = {8, 8, 8, 8},                         // Configured domain address
    .dhcp = NETINFO_DHCP};                       // Configured dhcp model,NETINFO_DHCP:use dhcp; NETINFO_STATIC: use static ip.

wiz_NetInfo get_info;
static uint8_t ethernet_buf[ETHERNET_BUF_MAX_SIZE] = {
    0,
};                                 // Send and receive cache
static uint8_t multicast_mac[6]= {0x01,0x00,0x5e,0x01,0x01,0x0b};   // multicast mac address
static uint8_t multicast_ip[4]  = {224, 1, 1, 11};  // multicast ip address
static uint16_t multicast_port  = 30000; // multicast port
static uint8_t dhcp_get_ip_flag = 0;         // Define the DHCP acquisition flag

int main()                                                          
{   
    struct repeating_timer timer; // Define the timer structure

    /* MCU init */
    stdio_init_all();     // Initialize the main control peripheral
    wizchip_initialize(); // Initialize the chip interface

    /*dhcp init*/
    DHCP_init(SOCKET_ID, ethernet_buf);                                   // DHCP initialization
    add_repeating_timer_ms(1000, repeating_timer_callback, NULL, &timer); // Add DHCP 1s Tick Timer handler

    printf("wiznet chip tcp server example.\r\n");
    network_init(&net_info); // Configuring Network Information
    print_network_information(&get_info);   // Read back the configuration information and print it

    while(true)
    {
        multicast_loopback(SOCKET_ID, ethernet_buf, multicast_mac, multicast_ip, multicast_port);   // Multicast loopback test
    }
}

  跳进回环测试里面看下其具体实现： 该函数有这几个参数，socket端口号、数据收发缓存、组播MAC地址、组播IP地址、组播端口；根据实际需要填入参数。其整体通过一个switch状态机轮询socket状态，根据不同进行相应的处理，依次完成了初始化、打开socket端口、收到数据后回传的操作 ；其中本地端口直接在函数内初始化了。如下所示：

/**
 * @brief   UDP Multicast loopback test
 * @param   sn: Socket Number
 * @param   buf: Data sending and receiving cache
 * @param   multicast_mac: Multicast MAC address
 * @param   multicast_ip:  Multicast IP address
 * @param   multicast_port:Multicast port
 * @return  value for SOCK_ERRORs,return 1:no error
*/
int32_t multicast_loopback(uint8_t sn, uint8_t* buf, uint8_t* multicast_mac, uint8_t* multicast_ip, uint16_t multicast_port)
{
   int32_t  ret;
   uint16_t size, sentsize;
   uint8_t destip[4];
   uint16_t destport, port=50000;
   
   switch(getSn_SR(sn))
   {
      case SOCK_UDP :
         if((size = getSn_RX_RSR(sn)) > 0)
         {
            if(size > DATA_BUF_SIZE) size = DATA_BUF_SIZE;
            ret = recvfrom(sn, buf, size, destip, (uint16_t*)&destport);
            buf[ret]=0x00;
            printf("recv from [%d.%d.%d.%d][%d]: %s\r\n",destip[0],destip[1],destip[2],destip[3],destport,buf);
            if(ret <= 0)
            {
#ifdef _MULTICAST_DEBUG_
               printf("%d: recvfrom error. %ld\r\n",sn,ret);
#endif
               return ret;
            }
            size = (uint16_t) ret;
            sentsize = 0;
            while(sentsize != size)
            {
               ret = sendto(sn, buf+sentsize, size-sentsize, destip, destport);
               if(ret < 0)
               {
#ifdef _MULTICAST_DEBUG_
                  printf("%d: sendto error. %ld\r\n",sn,ret);
#endif
                  return ret;
               }
               sentsize += ret; // Don't care SOCKERR_BUSY, because it is zero.
            }
         }

         break;
      case SOCK_CLOSED:
#ifdef _MULTICAST_DEBUG_
         printf("%d:Multicast Loopback start\r\n",sn);
#endif
         setSn_DIPR(0, multicast_ip);
         setSn_DPORT(0, multicast_port);
         setSn_DHAR(0, multicast_mac);
         if((ret = socket(sn, Sn_MR_UDP, port, Sn_MR_MULTI)) != sn)
            return ret;
#ifdef _MULTICAST_DEBUG_
         printf("%d:Opened, UDP Multicast Socket\r\n", sn);
         printf("%d:Multicast Group IP - %d.%d.%d.%d\r\n", sn, multicast_ip[0], multicast_ip[1], multicast_ip[2], multicast_ip[3]);
         printf("%d:Multicast Group Port - %d\r\n", sn, multicast_port);
#endif
         break;
      default :
         break;
   }
   return 1;
}

4.5 测试现象

​ 硬件连接无误后，编译烧录程序（具体可参考第一章节），打开WIZ UartTool，选择对应的COM口，填入参数：波特率115200，8位数据位，1位停止位，无校验位，无流控，填完参数后点击open打开，观察串口打印的信息以获取设备运行状态；打开网络调试工具SocketTester，在左列填入参数：选择UDP模式，本地IP填入电脑IP，端口随机，但尽量不要使用特殊端口；下边的远程IP和端口填入对应的组播IP和端口，然后直接发送信息，可以看到数据成功发送后串口这边收到的来自组播成员（192.168.1.2:8080）的数据，也即设备作为组播成员成功收到了电脑发给播组的数据；如下图所示：

为了更直接的了解其交互过程，这里通过wireshark抓包工具抓包分析，每次向播组发送数据后，设备作为播组成员收到后都进行了回传，如下图所示：

5. 注意事项

• 组播MAC地址和组播IP地址的映射关系
• 如果想用WIZnet的W5500来实现本章的示例，我们只需修改两个地方即可：

1. 在library/ioLibrary_Driver/Ethernet/下找到wizchip_conf.h这个头文件，将_WIZCHIP_ 宏定义修改为W5500。

2. 在library下找到CMakeLists.txt文件，将COMPILE_SEL设置为ON即可，OFF为W5100S，ON为W5500。

   6. 相关链接

   WIZnet官网

   WIZnet官方库链接

   本章例程链接