TCP Client Multi Socket
本篇文章，我们将详细介绍如何在W5500芯片上面实现TCP通信。使用W5500，我们只需进行简单的socket编程及寄存器读写，便可轻松实现TCP协议应用。接下来我们通过实战例程，为大家讲解如何将W5500上的8个socket同时设置为TCP Client模式，连接同1个服务器进行数据回环测试。
该例程用到的其他网络协议，例如DHCP，请参考相关章节。有关初始化过程，请参考Network Install章节，这里将不再赘述。
TCP协议简介
TCP (Transmission Control Protocol) 是一种面向连接的、可靠的传输层协议，它用于在网络中可靠地传输数据。TCP 是互联网协议族中的核心协议之一，通常与 IP 协议（Internet Protocol）一起使用，形成套接字通信。
TCP协议特点
- 面向连接：在传输数据之前，TCP 需要建立一个连接，保证发送方与接收方能够彼此通信。通过三次握手（Three-Way Handshake）过程来建立连接，确保双方的通信是可靠的。
- 可靠性：TCP 提供可靠的数据传输，确保数据完整并且按顺序到达接收端。如果数据丢失或出错，TCP 会自动重传丢失的数据包。
- 流量控制：TCP 使用流量控制机制来调节数据的发送速度，防止接收方处理不过来导致数据丢失。常用的流量控制方法是滑动窗口（Sliding Window）。
- 拥塞控制：TCP 可以动态调整传输速率，以避免网络拥塞。采用算法如慢启动、拥塞避免、快速重传等。
- 全双工通信：在 TCP 连接建立后，数据可以在两个方向同时进行传输，支持双向通信。
- 有序数据传输：TCP 会对数据包进行编号，确保数据按顺序传输，即使网络发生延迟，接收端也能按顺序接收到数据。
- 字节流服务：TCP 传输的数据是字节流，不关心应用层数据的边界，应用层需要自己解析数据边界。
TCP 与 UDP 的区别
- TCP是可靠的、面向连接的协议，适合需要数据完整性和顺序保证的应用，如网页浏览、文件传输等。
- UDP（User Datagram Protocol）是无连接、不可靠的协议，适合对时效性要求较高且可以容忍丢包的应用，如视频流、在线游戏等。
TCP应用场景
接下来，我们了解下在W5500上，可以使用TCP协议完成哪些操作及应用呢？
- 远程监控和数据采集：嵌入式设备通常用于采集传感器数据，并通过以太网连接上传到远程服务器，TCP协议确保数据传输的可靠性和完整性。
- 设备远程控制：许多嵌入式系统需要通过网络接收控制指令（例如工业自动化中的PLC控制），TCP协议提供了可靠的通信通道。
- 物联网（IoT）：许多物联网设备使用TCP协议与云服务器或其他设备进行通信，传输数据、执行命令等。
- 嵌入式Web服务器：一些嵌入式设备内置Web服务器（例如路由器、网关、传感器设备等），通过TCP协议提供网页接口给用户进行配置和监控。
使用TCP进行数据交互的流程
TCP 连接建立（三次握手）
在开始传输数据之前，TCP 会通过三次握手建立连接：
- 第一次握手：客户端向服务器发送一个带有 SYN 标志的数据包，表示请求建立连接。
- 第二次握手：服务器收到 SYN 数据包后，回复一个带有 SYN 和 ACK 标志的数据包，表示同意建立连接。
- 第三次握手：客户端收到服务器的 SYN+ACK 后，发送一个带有 ACK 标志的数据包，连接建立完成。
数据交互
TCP 连接断开（四次挥手）
当通信结束时，TCP 需要通过四次挥手来断开连接：
- 第一次挥手：客户端发送一个 FIN 数据包，表示数据发送完毕，准备关闭连接。
- 第二次挥手：服务器收到 FIN 数据包后，回复一个 ACK 数据包，表示同意关闭连接。
- 第三次挥手：服务器发送一个 FIN 数据包，表示数据发送完毕，准备关闭连接。
- 第四次挥手：客户端收到服务器的 FIN 数据包后，发送一个 ACK 数据包，连接正式关闭。
TCP的ACK机制、重传机制和Keepalive机制
TCP的ACK机制
ACK 是 TCP 用于确认已成功接收到数据包的机制。在 TCP 通信中，每个数据包都包含一个序列号，接收方用 ACK 来告诉发送方已经成功收到的字节序列。
- ACK 字段：ACK 包含在 TCP 报文头中，表示接收方期望接收的下一个字节的序列号。
- 累积确认：TCP 使用累积确认方式，表示接收方已经连续收到所有数据，直到某个序列号为止。
- 超时重传：如果发送方在超时时间内未收到 ACK，就会重传该数据包。
TCP 的重传机制
TCP 的重传机制保证了数据的可靠传输。以下是常见的重传机制：
-
超时重传：
- 发送方设置一个定时器，当发送的数据包在规定时间内未收到 ACK，则触发重传。
- 超时时间是动态调整的，由 TCP 的往返时间（RTT, Round Trip Time）估算得出。
-
快速重传：
- 当接收方发现数据包丢失时，发送重复的 ACK（称为冗余 ACK），提醒发送方某个数据包未到达。
- 如果发送方连续收到 3 个重复的 ACK，就会立即重传对应的数据包，而不必等待超时。
-
选择性重传（Selective Repeat, SACK）：
- 在累积确认的基础上，TCP 还可以通过 SACK 选项告诉发送方哪些特定的块已收到，哪些未收到。
- 这可以减少不必要的重传，提高效率。
TCP Keepalive 机制
TCP Keepalive 是 TCP 协议的一种可选机制，用于检测长时间空闲的连接是否仍然有效。它的主要作用是：
- 维护连接状态：检测对方主机是否仍在线，避免资源被长期占用。
- 释放死连接：如果连接已经失效（如网络中断或对方主机崩溃），Keepalive 可以及时释放资源。
- 防止中间设备超时关闭连接：一些 NAT、路由器或防火墙可能会在连接长时间不活动时自动关闭，Keepalive 可防止这种情况。
用法：需要在W5500的Sn_KPALVTR寄存器中设置对应socket的Keepalive时间，然后在该socket成功连接服务器后发送一条数据来激活Keepalive。
实现过程
接下来，我们看看如何在代码中实现同时开启8个socket进行回环测试。
步骤1：首先需要在主函数中调用multi_tcpc_socket()函数。
while (1)
{
multi_tcpc_socket(ethernet_buf, dest_ip, dest_port);
}步骤2：进入multi_tcpc_socket函数
multi_tcpc_socket()函数有三个参数：ethernet_buf作为数据缓冲区，用于在客户端和服务器之间的数据传输。dest_ip代表目标服务器的 IP 地址。dest_port是目标服务器的端口号。
multi_tcpc_socket()函数内容如下：
int32_t multi_tcpc_socket(uint8_t *buf, uint8_t *destip, uint16_t destport)
{
int32_t ret; // return value for SOCK_ERRORs
uint16_t size = 0, sentsize = 0;
// Socket Status Transitions
// Check the W5500 Socket n status register (Sn_SR, The 'Sn_SR' controlled by Sn_CR command or Packet send/recv status)
switch (getSn_SR(socket_sn))
{
case SOCK_ESTABLISHED:
if (getSn_IR(socket_sn) & Sn_IR_CON) // Socket n interrupt register mask; TCP CON interrupt = connection with peer is successful
{
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
printf("%d:Connected to - %d.%d.%d.%d : %d\r\n", socket_sn, destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], destport);
#endif
setSn_IR(socket_sn, Sn_IR_CON); // this interrupt should be write the bit cleared to '1'
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Data Transaction Parts; Handle the [data receive and send] process
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
if ((size = getSn_RX_RSR(socket_sn)) > 0) // Sn_RX_RSR: Socket n Received Size Register, Receiving data length
{
if (size > DATA_BUF_SIZE)
size = DATA_BUF_SIZE; // DATA_BUF_SIZE means user defined buffer size (array)
ret = recv(socket_sn, buf, size); // Data Receive process (H/W Rx socket buffer -> User's buffer)
buf[size] = 0x00;
printf("%d:rece from %d.%d.%d.%d:%d data:%s\r\n", socket_sn, destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], destport, buf);
if (ret <= 0)
return ret; // If the received data length <= 0, receive failed and process end
size = (uint16_t)ret;
sentsize = 0;
// Data sentsize control
while (size != sentsize)
{
ret = send(socket_sn, buf + sentsize, size - sentsize); // Data send process (User's buffer -> Destination through H/W Tx socket buffer)
if (ret < 0) // Send Error occurred (sent data length < 0)
{
close(socket_sn); // socket close
return ret;
}
sentsize += ret; // Don't care SOCKERR_BUSY, because it is zero.
}
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
break;
case SOCK_CLOSE_WAIT:
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
printf("%d:CloseWait\r\n", socket_sn);
#endif
if ((ret = disconnect(socket_sn)) != SOCK_OK)
return ret;
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
printf("%d:Socket Closed\r\n", socket_sn);
#endif
break;
case SOCK_INIT:
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
printf("%d:Try to connect to the %d.%d.%d.%d : %d\r\n", socket_sn, destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], destport);
#endif
if ((ret = connect(socket_sn, destip, destport)) != SOCK_OK)
return ret; // Try to TCP connect to the TCP server (destination)
break;
case SOCK_CLOSED:
close(socket_sn);
if ((ret = socket(socket_sn, Sn_MR_TCP, any_port++, 0x00)) != socket_sn)
{
if (any_port == 0xffff)
any_port = 50000;
return ret; // TCP socket open with 'any_port' port number
}
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
printf("%d:TCP client loopback start\r\n", socket_sn);
printf("%d:Socket opened\r\n", socket_sn);
#endif
break;
default:
break;
}
if (socket_sn < _WIZCHIP_SOCK_NUM_)
{
socket_sn++;
}
else
{
socket_sn = 0;
}
return 1;
}在这个程序中，会运行TCP Client状态机，基于不同的的SOCKET的状态执行对应的操作，SOCKET的状态变化如下图所示：
-
SOCK_CLOSED：当前SOCKET未打开，配置连接服务器及连接端口号后打开SOCKET，打开成功后SOCKET会进入SOCK_INIT状态。
在W5500异常断开服务器时，服务器并不知道我们已经掉线了，所以继续使用上一次连接的端口进行连接时会被服务器拒绝连接，所以这里在连接失败后会将连接端口自动加1。如果是在一些特定的场景下，服务器只允许客户端使用固定端口连接，这里就不能使用连接端口自动加1的操作。 - SOCK_INIT:SOCKET执行连接服务器操作，如果连接成功，SOCKET状态改为SOCK_ESTABLISHED；连接失败，SOCKET状态改为关闭状态。
- SOCK_ESTABLISHED：首先清除连接成功中断，并发送1包数据激活KeepAlive，然后读取Sn_RX_RSR（空闲接收缓存寄存器）寄存器的值，当收到服务器数据时，Sn_RX_RSR寄存器的值会大于0，此时我们将接收到的数据打印并将数据回环发送。
- SOCK_CLOSE_WAIT：当服务器主动断开连接时，SOCKET状态改为SOCK_CLOSE_WAIT状态，这是一个半关闭状态，可以进行关闭前最后的数据传输。使用disconnect()函数彻底断开连接时，SOCKET状态将改为SOCK_CLOSED状态。
执行完状态机后，会自动切换到下一个socket，这样就能实现同时开启8个socket进行TCP Client模式的数据回环测试了。
运行结果
请注意:
测试实例需要PC端和W5500处于同一网段。
烧录例程运行后，首先进行了PHY链路检测，然后打印设置的网络地址信息，最后则是TCP_Client_Multi_Socket数据回环测试。当服务器未开启时，会一直打印打开socket和连接服务器提示消息。
总结
本文讲解了如何在 W5500 芯片上使用 8 个 socket 实现 TCP 客户端模式，同时连接 1 个服务器进行数据回环测试，通过实战例程展示了从初始化 socket 到建立连接、数据交互及处理连接关闭的完整过程。文章详细介绍了 TCP 协议的概念、特点、与 UDP 的区别、应用场景、数据交互流程、ACK 机制、重传机制和 Keepalive 机制，帮助读者理解其在可靠数据传输中的实际应用价值。
下一篇文章将讲解如何在 W5500 上实现多路 Socket 设置为 TCP 服务器模式，并监听同一个端口进行测试，解析该功能的核心原理及应用，同时讲解在 W5500 上实现该功能的具体步骤与要点，敬请期待！
