STM32H743-ARM27例程-TCP_Server

实验平台

硬件：银杏科技GT7000双核心开发板-ARM-STM32H743XIH6，银杏科技iToolXE仿真器

软件：最新版本STM32CubeH7固件库，STM32CubeMX v6.10.0，开发板环境MDK v5.35，TCP&UDP测试工具

TCP_Server服务器

在 TCP 通讯场景中，TCP 客户端和 TCP 服务器端的角色可以看作网络传输中的两个关键节点，分别负责发起连接和处理请求。这种基于 TCP（传输控制协议）的通信方式，确保了数据的可靠性和顺序传输，使得应用程序能够在不需要关注底层网络传输细节的情况下，进行稳健的数据交换。

TCP 客户端 是负责发起通信的一方。它通过向服务器端发起连接请求，开始建立一个稳定的通信通道。在 TCP 通讯中，客户端的主要任务是根据特定的 IP 地址和端口号找到服务器，并与之建立连接。当连接建立后，客户端可以向服务器发送请求数据并接收服务器的响应。

TCP 服务器端 则是负责接收连接请求的实体。它会在特定的 IP 地址和端口号上进行监听，等待客户端的连接请求。当一个客户端发起连接时，服务器根据一定的协议规则（例如 TCP 的三次握手过程）来确认和建立连接。之后，服务器会处理来自客户端的请求，可能是发送数据、响应查询或其他应用逻辑的处理。

上一章节我们介绍了互联网到TCP相关知识，并且做了一个TCP客户端模式的实验，本章节我们来介绍下TCP的通信过程，并完成TCP作为服务器模式实验。

TCP通信过程

我们来详细解析 TCP 通信的整个过程。TCP 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，它的核心在于建立连接、传输数据、断开连接这三个阶段。

为了让读者对整个过程有一个宏观的认识，下图清晰地展示了 TCP 通信的完整生命周期，即著名的三次握手、数据传输、四次挥手：

1. 建立连接：三次握手

这个过程确保了通信的双方都同意建立连接，并同步初始序列号。它解决了网络延迟导致的重复分组问题。

第一步：SYN
- 客户端发送一个 TCP 报文段，其中：
  - SYN 标志位置为 1，表示请求建立连接。
  - 序列号字段被设置为一个随机值 x。
- 客户端进入 SYN-SENT 状态。
第二步：SYN-ACK
- 服务器收到 SYN 报文后，如果同意连接，则会回复一个报文段，其中：
  - SYN 标志位和 ACK 标志位都置为 1。
  - 序列号字段被设置为一个随机值 y。
  - 确认号字段被设置为 x + 1，表示"我收到了你的序列号为 x 的包，我期望下一个从 x+1 开始的包"。
- 服务器进入 SYN-RCVD 状态。
第三步：ACK
- 客户端收到服务器的 SYN-ACK 报文后，会再次发送一个确认报文，其中：
  - ACK 标志位置为 1。
  - 序列号为 x + 1（第一步的序列号+1）。
  - 确认号为 y + 1，表示"我收到了你的序列号为 y 的包，我期望下一个从 y+1 开始的包"。
- 客户端进入 ESTABLISHED 状态。
- 服务器收到这个 ACK 后，也进入 ESTABLISHED 状态。

至此，连接建立成功，双方可以开始数据传输。

2. 数据传输

在连接建立后，TCP 通过以下机制来保证数据的可靠传输：

序列号与确认应答
- 每个发送的字节都会被分配一个序列号。接收方在成功收到数据后，会回复一个 ACK 报文，其中的确认号指明了下一个期望接收的字节序列号。例如，发送方发送"序列号=1，数据长度=100"，接收方成功接收后会回复"ACK=101"。
超时重传
- 发送方在发送一个数据段后会启动一个计时器。如果在规定时间内没有收到对应的 ACK 确认，就会认为数据丢失，并重新发送该数据段。
滑动窗口
- 为了提升效率，TCP 不是发送一个包就等待一个确认，而是采用"窗口"机制。窗口大小决定了在需要等待确认之前，可以连续发送多少数据包。这实现了流量控制，防止快的发送方淹没慢的接收方。
拥塞控制
- 为了防止过多的数据注入网络，导致路由器或链路过载，TCP 使用复杂的算法（如慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复）来动态调整其发送速率。

3. 断开连接：四次挥手

当数据传输完毕，任何一方都可以发起关闭连接的请求。由于 TCP 连接是全双工的，每个方向必须单独关闭。

第一步：FIN
- 假设客户端主动关闭连接。它发送一个 TCP 报文段，其中：
  - FIN 标志位置为 1，表示没有数据要发送了。
  - 序列号假设为 u。
- 客户端进入 FIN-WAIT-1 状态。
第二步：ACK
- 服务器收到 FIN 报文后，会立即回复一个 ACK 报文，其中：
  - ACK 标志位置为 1。
  - 确认号为 u + 1。
- 服务器进入 CLOSE-WAIT 状态。此时，从客户端到服务器的连接已经关闭，客户端不能再发送数据，但服务器可能还有数据要发送给客户端。
- 客户端收到这个 ACK 后，进入 FIN-WAIT-2 状态。
第三步：FIN
- 当服务器也准备好关闭连接时，它会发送自己的 FIN 报文，其中：
  - FIN 标志位和 ACK 标志位置为 1。
  - 序列号假设为 v。
  - 确认号仍然为 u + 1。
- 服务器进入 LAST-ACK 状态。
第四步：ACK
- 客户端收到服务器的 FIN 报文后，会发送一个 ACK 报文作为确认，其中：
  - ACK 标志位置为 1。
  - 确认号为 v + 1。
- 客户端进入 TIME-WAIT 状态，并等待一个 2MSL 的时间。
- 服务器收到这个 ACK 后，立即关闭连接，进入 CLOSED 状态。
- 客户端在等待 2MSL 时间后，也正式关闭连接，进入 CLOSED 状态。

TIME-WAIT 状态的作用：

确保最后的 ACK 能到达服务器：如果服务器没有收到第四个 ACK，它会重发第三个 FIN。客户端在 TIME-WAIT 状态下可以再次回复 ACK。

让本次连接的所有报文在网络中消失：防止旧的、延迟的报文段被之后新建的、具有相同四元组（源IP、源端口、目的IP、目的端口）的连接错误地接收。

STM32CubeMX生成工程

我们参考前面章节STM32H743-结合CubeMX新建HAL库MDK工程，打开CubeMX软件，重复步骤不再展示。我们来看配置MPU配置、以太网部分和Lwip部分配置如下图所示：
配置以太网。选用RMII（精简的独立于介质接口）模式。

MPU配置

LWIP配置

选择PHY芯片型号。LAN8742向下兼容LAN8720

实验代码

1. 主函数

cpp 复制代码

int main(void)
{
    MPU_Config();
    SCB_EnableICache();
    SCB_EnableDCache();
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_LWIP_Init();
    MX_USART6_UART_Init();
    
    uart6.initialize(115200);
    uart6.printf("\x0c");
    uart6.printf("GT7000 OK!\r\n");
    HAL_GPIO_WritePin(PHYAD0_GPIO_Port,PHYAD0_Pin,GPIO_PIN_RESET);
    eth_tcps_init();

    while (1)
    {
        MX_LWIP_Process();
    }

}

2. LwIP初始化

cpp 复制代码

void MX_LWIP_Init(void)
{
    /* IP addresses initialization */
    IP_ADDRESS[0] = 192;
    IP_ADDRESS[1] = 168;
    IP_ADDRESS[2] = 0;
    IP_ADDRESS[3] = 11;
    NETMASK_ADDRESS[0] = 255;
    NETMASK_ADDRESS[1] = 255;
    NETMASK_ADDRESS[2] = 255;
    NETMASK_ADDRESS[3] = 0;
    GATEWAY_ADDRESS[0] = 192;
    GATEWAY_ADDRESS[1] = 168;
    GATEWAY_ADDRESS[2] = 0;
    GATEWAY_ADDRESS[3] = 1;

    /* Initilialize the LwIP stack without RTOS */
    lwip_init();

    /* IP addresses initialization without DHCP (IPv4) */
    IP4_ADDR(&ipaddr, IP_ADDRESS[0], IP_ADDRESS[1], IP_ADDRESS[2], IP_ADDRESS[3]);
    IP4_ADDR(&netmask, NETMASK_ADDRESS[0], NETMASK_ADDRESS[1] , NETMASK_ADDRESS[2], NETMASK_ADDRESS[3]);
    IP4_ADDR(&gw, GATEWAY_ADDRESS[0], GATEWAY_ADDRESS[1], GATEWAY_ADDRESS[2], GATEWAY_ADDRESS[3]);

    /* add the network interface (IPv4/IPv6) without RTOS */
    netif_add(&gnetif, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, &ethernetif_init, &ethernet_input);

    /* Registers the default network interface */
    netif_set_default(&gnetif);

    /* We must always bring the network interface up connection or not... */
    netif_set_up(&gnetif);

    /* Set the link callback function, this function is called on change of link status*/
    netif_set_link_callback(&gnetif, ethernet_link_status_updated);

    /* Create the Ethernet link handler thread */
}

3. 作为服务器端连接相关函数

cpp 复制代码

//--------------------------- Include ---------------------------//
#include "eth_tcps.h"
#include "tcp.h"
#include <string.h>
//--------------------- Function Prototype ----------------------//
void eth_tcps_init(void);
err_t tcp_loopback_accept(void *arg, struct tcp_pcb *newpcb, err_t err);
err_t tcp_loopback_recv(void *arg, struct tcp_pcb *tpcb, struct pbuf *p, err_t err);
//TCP初始化
void eth_tcps_init(void)
{
  struct tcp_pcb *pcb = NULL;
	
  pcb = tcp_new();																	//创建一个新的TCP协议控制块
	
  tcp_bind(pcb, IP_ADDR_ANY, TCP_SERVER_PORT);				//给TCP协议控制块绑定端口号和IP地址
	
  pcb = tcp_listen(pcb);														//将连接的状态设置为侦听
	
  tcp_accept(pcb, tcp_loopback_accept);   					  //指定LISTENing连接连接到其他主机时的回调函数

}
//TCP监听
err_t tcp_loopback_accept(void *arg, struct tcp_pcb *newpcb, err_t err)
{
  tcp_recv(newpcb, tcp_loopback_recv);							//初始化LwIP的tcp_recv回调功能  
  return ERR_OK;
}
//TCP接收
err_t tcp_loopback_recv(void *arg, struct tcp_pcb *tpcb, struct pbuf *p, err_t err)
{
  if (p != NULL) 
  {
		tcp_recved(tpcb, p->tot_len);				//TCP数据接收
		
		tcp_write(tpcb, p->payload, p->tot_len, 1);	//将接收到的数据加入到发送缓冲队列中
			
		memset(p->payload, 0, p->tot_len);
		pbuf_free(p);							    //释放ptr
    
  } 
  else if (err == ERR_OK) 
  {
    return tcp_close(tpcb);
  }
  return ERR_OK;
}

实验现象

1、打开控制面板-->网络和Internet-->网络和共享中心-->更改适配器设置-->以太网属性

2、Internet协议版本4，选择使用下面的IP地址，然后更改IP地址，IP地址与代码中的设置的一致。

3、打开测试工具，点击创建连接，弹出设置端口的窗口，设置为60001

STM32H743-ARM27例程-TCP_Server

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