十三、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜FTP Server＞

1. 前言

  在当今的信息化时代，互联网已经成为人们生活、工作不可或缺的一部分。FTP服务器作为互联网上的一种重要应用，在文件传输和共享方面发挥着重要作用。FTP即文件传输协议（File Transfer Protocol），它定义了一组标准过程，使得用户可以在网络上发送和接收文件。FTP服务器则是一种提供FTP服务的计算机系统，它可以使得其他计算机通过FTP协议与服务器进行通信，实现文件的上传、下载、删除等操作。
  本章节将用 W5100S/W5500 + 树莓派RP2040 进行FTP Server 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

  FTP服务器是一种在互联网上提供文件存储和访问服务的计算机系统。它使用FTP协议，即专门用来传输文件的协议，允许其他计算机通过FTP协议与服务器进行通信，实现文件的上传、下载、删除等操作。

  FTP服务器通常由一个支持FTP协议的服务器软件和一个或多个提供文件服务的计算机组成。FTP服务器软件可以使用不同的操作系统和配置，如Windows、Linux、Unix等。

  在FTP服务器上，用户可以通过账户和密码进行身份验证，并获得对服务器上文件的访问权限。FTP服务器可以设置不同的访问级别和权限，以保护文件的安全性和完整性。

  FTP服务器通常使用TCP协议进行通信，因为TCP协议可以提供可靠的数据传输。FTP协议有两个端口：一个数据端口和一个命令端口（也称为控制端口）。命令端口用于发送FTP命令，而数据端口用于传输文件数据。

  总之，FTP服务器是一种方便、可靠的文件传输方式，可以用于个人和企业之间的文件共享和传输。

2.2 原理

  FTP 协议是基于 TCP 协议的应用层协议，FTP使用客户端-服务器模型，FTP服务器一般运行在 20 和 21 两个端口。一条是数据连接，用于数据传送；另一条是控制连接，用于传送控制信息（命令和响应）。这种将命令和数据分开传送的思想大大提高了FTP的效率。

  FTP 的数据传输有两种连接，分别为主动模式和被动模式：

​ 主动模式下，客户端随机打开一个大于 1024 的 N 端口向服务器的命令端口（21端口）发起连接，同时开放 N+1 端口监听，并告知服务器，让服务器从自己的数据端口（20端口）主动连接客户端指定的数据端口 N+1 ；对于客户端的防火墙来说，数据传输通道是从外部到内部的连接，可能会被阻塞；

​ 被动模式下，客户端随机打开两个大于 1024 的本地端口 N 和 N+1 ，第一个端口向服务器的命令端口（21端口）发起连接，提交PASV命令后，服务器会返回信息告知客户端自己随机开放的一个大于1024 的数据端口 P，然后客户端用 N+1 端口连接服务器指定的数据端口 P ；这样就解决了主动模式下，服务器连接客户端建立数据通道时可能被客户端防火墙阻塞的问题。

2.3 优点

• 网络覆盖范围广：FTP完全基于网络，覆盖范围广，操作更加灵活，能让更多的人知晓和获益。
• 用户权限管理完善：FTP服务器提供基于账号和密码的访问授权机制，可以确保数据的安全性，也可以设置用户权限，以免误操作。
• 数据传输安全性高：FTP服务器可以使用SSL、SSH2进行安全性加密，保证数据不被非法截取，安全性高。
• 数据传输速度快：FTP服务器支持数据断点续传和并发传输，可以在保证数据完整性的同时，实现各个部门之间快速、高效、无障碍的文件共享。

2.4 应用

• 文件共享和传输：FTP服务器最基本的应用就是实现文件的共享和传输。用户可以将文件上传到FTP服务器上，也可以从服务器上下载需要的文件，实现了文件的共享和传输。
• 软件和应用程序的安装与更新：FTP服务器可以用于软件和应用程序的安装与更新。开发人员可以将更新的软件或应用程序上传到FTP服务器上，用户可以通过访问服务器来下载和安装新的软件或应用程序。
• 网站维护与开发：FTP服务器还可以用于网站的维护与开发。开发人员可以通过FTP服务器上传网站文件，对网站进行更新和维护。同时，用户也可以通过FTP服务器下载网站文件，进行网站的开发和建设。
• 数据备份与恢复：FTP服务器可以用于数据备份与恢复。用户可以将重要的数据上传到FTP服务器上，以防止数据丢失。同时，如果数据出现损坏或丢失，用户也可以通过从FTP服务器上下载备份的数据来进行恢复。

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	8 bit BUS, SPI	16 KB	4	Max 25 Mbps
W6100	TCP/IPv4/IPv6, MAC & PHY	8 bit BUS, Fast SPI	32 KB	8	Max 25 Mbps
W5500	TCP/IPv4, MAC & PHY	Fast SPI	32 KB	8	Max 15 Mbps

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

4. FTP Server运行测试

4.1 程序流程图

4.2 测试准备

软件：

• Visual Studio Code
• WIZnet UartTool
• FileZilla

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

​ 打开ftp_server.c文件（路径：examples/ftp_server/ftp_server.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，然后进行ftp server初始化后再进入循环调用测试函数运行ftp server，如下所示：

/* Network information to be configured. */
wiz_NetInfo net_info = {
    .mac = {0x00, 0x08, 0xdc, 0x11, 0x22, 0x33}, // 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.

static uint8_t ethernet_buf[ETHERNET_BUF_MAX_SIZE] = {
    0,
}; // Send and receive cachestatic 
static uint8_t uart_buf[ETHERNET_BUF_MAX_SIZE] = {
    0,
};
static uint8_t local_ip[4];
static uint8_t breakout_flag = 0; // Define the DHCP acquisition flag

int main()
{
    struct repeating_timer timer; // Define the timer structure
    wiz_NetInfo get_info;
    /* 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 ftp server example.\r\n");
    network_init(&net_info);              // Configuring Network Information
    print_network_information(&get_info); // Read back the configuration information and print it

    getIPfromDHCP(local_ip); // Get the local IP address
    ftpd_init(local_ip);

    while (true)
    {
        ftpd_run(ethernet_buf); // Run FTP Server
    }
}

  ftpd_init初始化函数需要传入本地IP，ftpd_run运行函数需要传入一个数据收发缓存，根据ftp协议，需要运行两个socket分别作为命令端口和数据端口，所以初始化需要以TCP模式开启两个socket端口，如下所示：

void ftpd_init(uint8_t * src_ip)
{
	ftp.state = FTPS_NOT_LOGIN;
	ftp.current_cmd = NO_CMD;
	ftp.dsock_mode = ACTIVE_MODE;

	ftp.ID_Enable = STATUS_USED;
	ftp.PW_Enable = STATUS_USED;

	if(ftp.ID_Enable == STATUS_USED)
	{
		strcpy(ftp.username, ftp_ID);
		printf(" FTP ID[%d]:%s \r\n", strlen(ftp.username), ftp.username);
	}
	if(ftp.PW_Enable == STATUS_USED)
	{
		strcpy(ftp.userpassword, ftp_PW);
		printf(" FTP PW[%d]:%s \r\n", strlen(ftp.userpassword), ftp.userpassword);
	}
	


	local_ip.cVal[0] = src_ip[0];
	local_ip.cVal[1] = src_ip[1];
	local_ip.cVal[2] = src_ip[2];
	local_ip.cVal[3] = src_ip[3];
	local_port = 35000;
	
	strcpy(ftp.workingdir, "/");

	socket(CTRL_SOCK, Sn_MR_TCP, IPPORT_FTP, 0x0);
    socket(CTRL_SOCK1, Sn_MR_TCP, IPPORT_FTP, 0x0);
}

4.5 测试现象

​ 硬件连接无误后，编译烧录程序，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FTP Server连接调试工具 filezilla 后，根据串口打印的信息，依次填入主机、用户名、密码，端口不填默认是21（21端口用于在FTP客户端和服务端之间传输控制流，20端口则是传输数据流），填写完成后点击快速连接，可以看到登陆成功后，列出读取成功的目录列表，如下图所示：

5. 注意事项

• W5100S 和 W5500 socket端口数量不一样，使用多个时注意端口号
• 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

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