TCP Client

本篇文章，我们将详细介绍如何在W5500芯片上面实现TCP通信，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，为大家讲解如何使用W5500进行TCP Client模式的数据回环测试。

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：

1. 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。
2. 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。
3. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

1. 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。
2. 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。
3. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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，我们一起来看看如何在W5500上实现TCP客户端模式，连接服务器进行回环测试。

步骤1：开启TCP Keepalive功能

在W5500中，KeepAlive的时间单元为5秒，这里我们设置6个单元，则W5500会30秒发送1次KeepAlive报文给服务器进行保活：

/* Enable keepalive,Parameter 2 is the keep alive time, with a unit of 5 seconds */
setSn_KPALVTR(SOCKET_ID, 6); // 30s keepalive

步骤2：在主循环中运行TCP Client回环测试程序

while (1)
{
    loopback_tcpc(SOCKET_ID, ethernet_buf, dest_ip, dest_port);
}

loopback_tcpc()函数的四个传参分别为，SOCKET ID，TCP协议缓存数组，目标服务器IP地址，目标服务器端口号。示例的目标服务器IP地址和端口号为：192.168.1.20:8080。

loopback_tcpc()函数内容如下：

/**
* @brief   tcp client loopback test
* @param   sn:         socket number
* @param   buf:        Data sending and receiving cache
* @param   destip:     Destination IP address
* @param   destport:   Destination port
* @return  value for SOCK_ERRORs,return 1:no error
*/
int32_t loopback_tcpc(uint8_t sn, uint8_t *buf, uint8_t *destip, uint16_t destport)
{
    int32_t  ret; // return value for SOCK_ERRORs
    uint16_t size = 0, sentsize = 0;

    // Destination (TCP Server) IP info (will be connected)
    // >> loopback_tcpc() function parameter
    // >> Ex)
    uint8_t  dip[4] = {192, 168, 0, 214};
    uint16_t dport  = 5000;
    getSn_DIPR(sn, dip);
    dport = getSn_DPORT(sn);
    // Port number for TCP client (will be increased)
    static uint16_t any_port = 50000;

    // 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(sn))
    {
    case SOCK_ESTABLISHED:
        if (getSn_IR(sn) & Sn_IR_CON) // Socket n interrupt register mask; TCP CON interrupt = connection with peer is successful
        {
#if KEEPALIVE_ENABLE == 1
            // We need to send a packet of data to activate keepalive
            ret = send(sn, (uint8_t *)"", 1); // Data send process
            if (ret < 0)                      // Send Error occurred (sent data length < 0)
            {
                close(sn);                    // socket close
                return ret;
            }
#endif
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
            printf("%d:Connected to - %d.%d.%d.%d : %d\r\n", sn, destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], destport);
#endif
            setSn_IR(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(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(sn, buf, size); // Data Receive process (H/W Rx socket buffer -> User's buffer)
            buf[size] = 0x00;
            printf("rece from %d.%d.%d.%d:%d data:%s\r\n", dip[0], dip[1], dip[2], dip[3], dport, 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(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(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", sn);
#endif
        if ((ret = disconnect(sn)) != SOCK_OK)
            return ret;
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
        printf("%d:Socket Closed\r\n", sn);
#endif
        break;

    case SOCK_INIT:
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
        printf("%d:Try to connect to the %d.%d.%d.%d : %d\r\n", sn, destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], destport);
#endif
        if ((ret = connect(sn, destip, destport)) != SOCK_OK)
            return ret; //	Try to TCP connect to the TCP server (destination)
        break;

    case SOCK_CLOSED:
        close(sn);
        if ((ret = socket(sn, Sn_MR_TCP, any_port++, 0x00)) != 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", sn);
        printf("%d:Socket opened\r\n", sn);
#endif
        break;
    default:
        break;
    }
    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。

  请注意:

  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。

运行结果

烧录例程运行后，首先进行了PHY链路检测，然后是通过DHCP获取网络地址并打印网络地址信息，最后则是TCP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。

接下来我们打开一个网络调试工具，例如SocketTester，设置为TCP Server模式，选择PC的IP地址和需要进行TCP通讯的端口号，然后点击”Listen”开始侦听。接着我们就能看到W5500的连接信息了，最后向W5500发送数据进行回环测试。

总结

本文介绍在 W5500 芯片上实现 TCP 客户端模式进行数据回环测试的方法。阐述 TCP 协议概念、特点、与 UDP 区别、应用场景及相关机制。展示实现过程，包括开启 Keepalive 功能，在主循环运行测试程序。烧录例程后进行 PHY 链路检测、获取网络地址，再借助网络调试工具测试。

下一篇将讲解在该芯片上实现 TCP 服务器模式监听端口进行数据回环测试，解析相关原理及步骤。敬请期待！