三十、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜PPPoE＞

1 前言

  PPPoE是一种在以太网上传输点对点协议（PPP）的方法。它是一种链路层协议，将PPP会话封装在以太网帧中，以便在以太网上传输。

  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。本教程将介绍W5100S/W5500以太网PPPOE应用的基本原理、使用步骤、应用实例以及注意事项，帮助读者更好地掌握这一技术。

2 简介

2 .1 什么是PPPoE？

  PPPoE（以太网上的点对点协议）是将点对点协议（PPP）封装在以太网（Ethernet）框架中的一种网络隧道协议。它允许在以太网广播域中的两个以太网接口间创建点对点隧道。由于协议中集成PPP协议，所以实现出传统以太网不能提供的身份验证、加密以及压缩等功能，也可用于缆线调制解调器（cable modem）和数字用户线路（DSL）等以以太网协议向用户提供接入服务的协议体系。

2.2 PPPoE的优点

  pppoe的优势主要包括：

1. 方便用户使用和管理：PPPoE继承了以太网的快速和简便特点，同时具备PPP的强大功能，用户使用拨号网络模式，方便易用。
2. 允许多个用户共享高速数据接入链路：PPPoE通过简单桥接接入设备连接远端接入设备，并可以利用以太网的共享性连接多个用户主机，允许多个用户共享一个高速数据接入链路。
3. 动态服务选择：PPPoE终端用户可同时接入多个ISP，这种动态服务选择的功能可以使ISP容易创建和提供新的业务。
4. 兼容性强：PPPoE兼容现有所有的XDSL Modem 和DSLAM，可与ISP现有接入结构相融合。
5. 提供独立的接入控制和计费：PPPoE对每个用户进行独立的接入控制和计费，方便用户使用和管理。

2.3 PPPoE数据交互原理

PPPoE的交互过程包括以下步骤：

1. PPPoE客户端通过广播发送PADI报文，以请求所需的服务。
2. 所有在服务范围内的PPPoE服务器收到PADI报文后，将其中请求的服务与自己能够提供的服务进行比较，如果可以提供，则单播回复一个PADO报文。
3. PPPoE客户端在可能收到的多个PADO报文中选择一个合适的PADO报文，然后向所选择的接入集中器发送PPPoE有效发现请求分组（PADR）。
4. 接入集中器收到PADR报文后准备开始PPP会话，它发送一个PPPoE有效发现会话确认PADS报文。当主机收到PADS报文确认后，双方就进入PPP会话阶段。

2.4 PPPOE应用场景

PPPoE的应用场景包括但不限于以下几种：

1. 宽带接入：PPPoE可以用于各种宽带接入方式，如DSL、LAN、HFC等，使得用户可以通过以太网接口进行网络连接，并实现安全、高速、稳定的上网体验。
2. 小区组网建设：在小区组网建设中，PPPoE可以用于实现小区内的网络连接和数据传输，提高网络管理和安全性。
3. 移动通信：PPPoE可以应用于移动通信网络中，实现在不同网络之间的无缝连接和数据传输，提高网络性能和管理效率。
4. 远程办公和在线游戏：PPPoE可以用于实现远程办公和在线游戏等功能，保证数据传输的稳定性和实时性。

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 PPPOE示例概述以及使用

4.1 流程图

  程序的运行框图如下所示：

4.2 准备工作核心

软件

• Visual Studio Code
• WIZnet UartTool

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
• 支持拨号的路由器

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 GPIO0（UART0 TX） <----> USB_TTL_RX
  • RP2040 GPIO1（UART0 RX） <----> USB_TTL_TX

• 使用模块连接RP2040 进行接线时

  • RP2040 GPIO16 <----> W5100S MISO
  • RP2040 GPIO17 <----> W5100S CS
  • RP2040 GPIO18 <----> W5100S SCK
  • RP2040 GPIO19 <----> W5100S MOSI
  • RP2040 GPIO20 <----> W5100S RST

• 通过PC和设备都通过网线连接路由器LAN口

4.4 主要代码概述

  我们使用的是WIZnet官方的ioLibrary_Driver库。该库支持的协议丰富，操作简单，芯片在硬件上集成了TCP/IP协议栈，该库又封装好了TCP/IP层之上的协议，我们只需简单调用相应函数即可完成协议的应用。

第一步：pppoe.c文件中加入对应的库文件。

第二步：定义PPPOE配置需要的宏。

第三步：设置PPPOE连接的ID和密码（ID和密码是通过路由器管理界面设置PPPOE的用户时进行获取）以及对应的数据长度。

第四步：网络信息的配置,使用静态获取IP模式。

第五步：主函数先是定义了一个变量接收PPPOE运行函数的返回值，然后定义一个数组用来获取拨号获取到的参数变量，下来是对串口和SPI进行初始化，然后写入W5100S的网络配置参数，主循环直接PPPOE进行拨号，判断是否拨号成功，成功则打印获取到的IP，失败则打印配置好的静态IP

#include 
#include "pico/stdlib.h"
#include "pico/binary_info.h"
#include "hardware/spi.h"

#include "wizchip_conf.h"
#include "bsp_spi.h"
#include "PPPoE.h"
#include "socket.h" // Use socket

#define DATA_BUF_SIZE 2048
uint8_t gDATABUF[DATA_BUF_SIZE];

uint8_t pppoe_id[6] = "W5100S";
uint8_t pppoe_id_len = 6;
uint8_t pppoe_pw[7] = "WIZnet";
uint8_t pppoe_pw_len = 6;
uint8_t pppoe_ip[4] = {
    0,
};
uint16_t pppoe_retry_count = 0;

/* 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_STATIC};                     // Configured dhcp model,NETINFO_DHCP:use dhcp; NETINFO_STATIC: use static ip.

wiz_NetInfo get_info;

int main()
{
    int32_t ret = 0;
    uint8_t str[15];
    struct repeating_timer timer; // Define the timer structure

    /* MCU init */
    stdio_init_all();              // Initialize the main control peripheral
    wizchip_initialize();          // Initialize the chip interface
    wizchip_setnetinfo(&net_info); // Configure once first

    printf("wiznet chip PPPOE example.\r\n");

    while (1)
    {
        ret = ppp_start(gDATABUF); // ppp start function
        if (ret == PPP_SUCCESS || pppoe_retry_count > PPP_MAX_RETRY_COUNT)
        {
            break; // PPPoE Connected or connect failed by over retry count
        }
            
    }
    if (ret == PPP_SUCCESS) // 1 : success
    {

        printf("\r\n<<<< PPPoE Success >>>>\r\n");
        printf("Assigned IP address : %d.%d.%d.%d\r\n", pppoe_ip[0], pppoe_ip[1], pppoe_ip[2], pppoe_ip[3]);

        printf("\r\n==================================================\r\n");
        printf("    AFTER PPPoE, Net Configuration Information        \r\n");
        printf("==================================================\r\n");

        getSHAR(str);
        printf("MAC address  : %x:%x:%x:%x:%x:%x\r\n", str[0], str[1], str[2], str[3], str[4], str[5]);
        getSUBR(str);
        printf("SUBNET MASK  : %d.%d.%d.%d\r\n", str[0], str[1], str[2], str[3]);
        getGAR(str);
        printf("G/W IP ADDRESS : %d.%d.%d.%d\r\n", str[0], str[1], str[2], str[3]);
        getSIPR(str);
        printf("SOURCE IP ADDRESS : %d.%d.%d.%d\r\n\r\n", str[0], str[1], str[2], str[3]);
    }
    else // failed
    {
        printf("\r\n<<<< PPPoE Failed >>>>\r\n");
        wizchip_setnetinfo(&net_info);        // Configuring Network Information
        print_network_information(&get_info); // Read back the configuration information and print it
    }

    while (1)
    {
    }
}

4.5 结果演示

5 注意事项

• 注意使用PPPOE进行拨号时，要用到带有拨号功能的路由器，并进入路由器管理界面开启PPPOE功能，获取到ID和密码并将其写入到代码中。
• 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。

​ (3)在wol.c文件宏定义处，将_WIZCHIP_ 宏定义修改为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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