三、W5100S/W5500+RP2040之MicroPython开发＜DNS示例＞

1. 前言

  在这个智能硬件和物联网时代，MicroPython和树莓派PICO正以其独特的优势引领着嵌入式开发的新潮流。MicroPython作为一种精简优化的Python 3语言，为微控制器和嵌入式设备提供了高效开发和简易调试的

  当我们结合WIZnet W5100S/W5500网络模块，MicroPython和树莓派PICO的开发潜力被进一步放大。这两款模块都内置了TCP/IP协议栈，使得在嵌入式设备上实现网络连接变得更加容易。无论是进行数据传输、远程控制，还是构建物联网应用，它们都提供了强大的支持。

  本章我们将以WIZnet W5100S为例，以MicroPython的开发方式进行DNS解析示例

2. 相关网络信息

2.1 简介

  DNS，即域名系统，是因特网中的一项核心服务。它是用于实现域名和IP地址相互映射的一个分布式数据库，能够使用户更方便的访问互联网，而不用去记住能够被机器直接读取的IP数串。

  在互联网中，每台计算机都有一个唯一的标识，称为IP地址。然而，IP地址是由数字组成的，不便于人们记忆。因此，我们通常使用域名来访问网站。例如，我们可以通过输入 www.microsoft.com 来访问微软的官方网站，而不需要记住其IP地址。

  当我们在浏览器中输入一个域名时，计算机会向DNS服务器发送一个请求，询问这个域名对应的IP地址是什么。DNS服务器会查找其数据库，找到对应的IP地址并返回给计算机。然后，计算机就可以通过这个IP地址来访问网站。

  总的来说，DNS协议就是一个将域名转换为IP地址的过程，使得人们可以通过易于理解和记忆的域名来访问互联网，而不是复杂的IP地址。这大大提高了互联网的易用性，并且使得网站可以在不影响用户的情况下更改其服务器的IP地址。

2.2 DNS工作过程

1. 客户机提出域名解析请求，并将该请求发送给本地的域名服务器。
2. 当本地的域名服务器收到请求后，就先查询本地的缓存，如果有该纪录项，则本地的域名服务器就直接把查询的结果返回。
3. 如果本地的缓存中没有该纪录，则本地域名服务器就直接把请求发给根域名服务器，然后根域名服务器再返回给本地域名服务器一个所查询域（根的子域）的主域名服务器的地址。
4. 本地域名服务器再向上一步返回的域名服务器发送请求。
5. 主域名服务器查询自己的缓存，如果没有该纪录，则返回相关的下级的域名服务器的地址。重复第四步，直到找到正确的纪录。
6. 本地域名服务器把返回的结果保存到缓存，以备下一次使用，同时还将结果返回给客户机。

2.3 优点

• 易于记忆：人们通常发现记住单词和短语比记住数字更容易。因此，使用域名（例如www.microsoft.com）比使用IP地址（例如207.46.197.32）更方便。
• 灵活性：如果一个网站需要更改其服务器的IP地址，只需要在DNS服务器上更新记录，而无需通知所有用户新的IP地址。用户仍然可以通过同样的域名访问网站。
• 负载均衡：DNS可以将一个域名解析为多个IP地址，这些IP地址对应的服务器可以分担处理用户请求的负载。这样可以提高网站的可用性和性能。
• 安全性：DNSSEC（域名系统安全扩展）是一种用于保护DNS查询结果不被篡改的技术。这可以防止DNS欺骗攻击，提高了DNS的安全性。

2.4 应用

DNS协议可以使我们通过易于理解和记忆的域名来访问互联网，而不是复杂的IP地址。因此，DNS在以下场景中被广泛使用。

• 网页浏览：当我们在浏览器中输入一个URL（如www.microsoft.com）并按下回车键时，计算机会向DNS服务器发送一个请求，询问这个URL对应的IP地址。DNS服务器会查找其数据库，找到对应的IP地址并返回给计算机。然后，计算机就可以通过这个IP地址来访问网站。
• 电子邮件：当我们发送电子邮件时，邮件服务器需要知道收件人邮箱的邮件服务器的IP地址。这是通过查询DNS服务器来完成的。
• 网络电话：当我们使用网络电话（如Skype或VoIP）时，我们的设备需要知道对方设备的IP地址。这也是通过查询DNS服务器来完成的。
• 在线游戏：当我们玩在线游戏时，我们的游戏客户端需要知道游戏服务器的IP地址。这也是通过查询DNS服务器来完成的。
• 云服务：当我们使用云服务（如AWS或Azure）时，我们需要知道云服务器的IP地址。这也是通过查询DNS服务器来完成的。

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

• W5100S/W6100 支持 8bit数据总线接口，网络传输速度会优于W5500。
• 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。
• W5500 拥有比 W5100S更多的 Socket数量以及发送与接收缓存

相较于软件协议栈，WIZnet的硬件协议栈以太网芯片有以下优点：

1. 硬件TCP/IP协议栈：WIZnet的硬件协议栈芯片提供了一种硬件实现的TCP/IP协议栈，这种硬件实现的协议栈比软件实现的协议栈具有更好的性能和稳定性。
2. 不需要额外的嵌入式系统软件栈和内存资源：由于所有的以太网传输和接收操作都由独立的以太网控制器处理，因此不需要额外的嵌入式系统软件栈和内存资源。
3. 抵抗网络环境变化和DDoS攻击：与易受网络环境变化和DDoS攻击影响的软件TCP/IP协议栈相比，硬件协议栈芯片能够提供更稳定的以太网性能。
4. 适用于低规格的嵌入式系统：即使在低规格的嵌入式系统中，使用WIZnet的硬件协议栈芯片也可以比使用软件TCP/IP协议栈的高规格系统显示出更高效的互联网应用操作性能。

4. DNS解析示例讲解以及使用

4.1 程序流程图

4.2 测试准备

软件：

• Thonny

硬件：

• W5100S IO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
• 网线

4.3 连接方式

• 通过数据线连接PC的USB口
• 当使用W5100S/W5500 IO模块连接RP2040时
  • RP2040 GPIO 16 <----> W5100S/W5500 MISO
  • RP2040 GPIO 17 <----> W5100S/W5500 CS
  • RP2040 GPIO 18 <----> W5100S/W5500 SCK
  • RP2040 GPIO 19 <----> W5100S/W5500 MOSI
  • RP2040 GPIO 20 <----> W5100S/W5500 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dns.py文件。

第一步：可以看到在w5x00_init()函数中，进行了SPI的初始化。以及将spi相关引脚和复位引脚注册到库中，后续则是激活网络，并使用DHCP配置网络地址信息，当DHCP失败时，则配置静态网络地址信息。当未配置成功时，会打印出网络地址相关寄存器的信息，可以帮助我们更好的排查问题。

第二步：然后是进行DNS解析操作，并将解析的IP地址打印。

#import library
import usocket
from machine import Pin,SPI
import network
import time

#LED define
led = Pin(25, Pin.OUT)

"""
W5x00 chip initialization.
 
param: None
returns: None

"""
def w5x00_init():
    spi=SPI(0,2_000_000, mosi=Pin(19),miso=Pin(16),sck=Pin(18))
    nic = network.WIZNET5K(spi,Pin(17),Pin(20)) #spi,cs,reset pin
    nic.active(True)
    
    try:
        #DHCP
        print("\r\nConfiguring DHCP")
        nic.ifconfig('dhcp')
    except:
        #None DHCP
        print("\r\nDHCP fails, use static configuration")
        nic.ifconfig(('192.168.1.20','255.255.255.0','192.168.1.1','8.8.8.8'))#Set static network address information
    
    #Print network address information
    print("IP         :",nic.ifconfig()[0])
    print("Subnet Mask:",nic.ifconfig()[1])
    print("Gateway    :",nic.ifconfig()[2])
    print("DNS        :",nic.ifconfig()[3],"\r\n")
    
    #If there is no network connection, the register address information is printed
    while not nic.isconnected():
        time.sleep(1)
        print(nic.regs())
        
"""
DNS Domain Name Resolution.
 
param: domain name
returns: IP Address

"""    
def dns_query(domain):
    ip = usocket.getaddrinfo(domain, 80,0, usocket.SOCK_STREAM)
    return ip[0][4][0]

def main():
    print("WIZnet chip DNS example");
    domain = "www.wiznet.io"
    
    w5x00_init()
    ip = dns_query(domain)
    print("IP address of %s is %s"%(domain,ip))

    while True:
        led.value(1)
        time.sleep(1)
        led.value(0)
        time.sleep(1)

if __name__ == "__main__":
    main()

4.5 烧录验证

要测试以太网示例，必须将开发环境配置为使用Raspberry Pi Pico。

• 所需的开发环境
  • Thonny
• 如果你必须编译MicroPython，则必须使用Linux或Unix环境。

将代码复制到Thonny之后，选择运行环境为Raspberry Pi Pico，然后点击运行即可。

5. 注意事项

• 如果采用的是WIZnet的W5500来实现本章的示例，则只需烧录W5500的固件并运行示例程序即可。

6. 相关链接

WIZnet官网

本章例程链接

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