七、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜UDP 组播＞

文章目录

[1. 前言](#1. 前言)
[2. 相关简介](#2. 相关简介)
- [2.1 简述](#2.1 简述)
- [2.2 优点](#2.2 优点)
- [2.3 应用](#2.3 应用)
[3. WIZnet以太网芯片](#3. WIZnet以太网芯片)
[4. UDP 组播回环测试](#4. UDP 组播回环测试)
- [4.1 程序流程图](#4.1 程序流程图)
- [4.2 测试准备](#4.2 测试准备)
- [4.3 连接方式](#4.3 连接方式)
- [4.4 相关代码](#4.4 相关代码)
- [4.5 测试现象](#4.5 测试现象)
[5. 注意事项](#5. 注意事项)
[6. 相关链接](#6. 相关链接)

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

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

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：

cpp 复制代码

/* 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：