UDP组播

本篇文章，我们将详细介绍如何在W5500芯片上面实现UDP组播(UDP Multicast)通信。并通过实战例程，为大家讲解如何使用UDP组播进行回环测试。

该例程用到的其他网络协议，例如DHCP、UDP，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。

UDP组播简介

UDP组播是一种数据传输方法，允许数据从一个源发送到多个目标设备，加入了相应组播组的接收者都可以接收到数据。这种方式非常高效，广泛应用于需要将相同数据同时传输给多个接收者的场景，如视频流媒体、实时数据分发和大规模软件更新等。IPv4的组播地址范围为 224.0.0.0 到 233.255.255.255。

UDP组播的特点

• 基于UDP协议：UDP是无连接的协议，提供快速、低开销的数据传输，但不保证数据的可靠性、顺序性或重传。UDP组播继承了这些特性， 因此适合对实时性要求高、对可靠性要求较低的场景。
• 高效数据传输： 发送者只需要发送一份数据，网络设备（如路由器、交换机）负责将数据复制并传输到所有组播成员。这种方式节省了带宽，相比单播更高效。
• 不保证可靠性： 数据可能丢失，接收者需要自己处理数据包丢失问题。
• 动态成员管理： 组播组的成员可以动态加入或离开，无需通知发送者。

UDP组播应用场景

接下来，我们了解下在W5500上，可以使用UDP组播完成哪些操作及应用呢？

• 设备发现与自动配置： 实现设备自动发现和网络配置，如智能家居设备通过组播寻找网关或其他设备。
• 实时数据广播： 用于传感器数据分发、工业控制和车联网中实时数据的高效传输。
• 固件更新与配置分发： 对多个设备同时进行固件升级或统一下发配置，减少网络负担。
• 告警和事件通知： 设备异常时实时向多个监控终端广播告警消息。
• 时间同步： 用于局域网内的多设备时间同步，提升协同效率。
• 测试与调试： 设备开发阶段，利用组播收集状态信息和日志数据

UDP组播环回测试工作流程

1. 接收方通过IGMP协议加入组播组：IGMP（Internet Group Management Protocol）是一种网络层协议，用于管理主机和路由器间的组播组成员关系。 当接收方希望接收某个组播地址的数据时，会通过IGMP向路由器发送加入组播组的请求。
2. 发送方发送测试数据：发送方通过UDP协议将数据包发送到指定的组播地址和端口。所有加入组播组的接收方均可接收到数据包。
3. 接收方回传消息： 接收方在接收到组播数据后，主动回传响应消息到该组播组当中。回传的消息可以用于确认发送成功或测试链路的完整性。

UDP单播、组播和广播的区别

以下是UDP单播、组播和广播的区别：

报文解析

UDP协议报文已经在UDP章节中讲解过了，有关这部分的内容请参考相关章节，这里不再赘述。下面我们来讲解一下设备在加入组播时使用的IGMP报文。

IGMP 加入组播组时发送的报文是IGMP Membership Report报文。其格式如下：

字段解释

1. 类型 (Type)

   值为 0x16（IGMPv2 Membership Report）：表示主机请求加入组播组。

   值为 0x22（IGMPv3 Membership Report）：用于支持 IGMPv3 的精细组播组管理。

2. 校验和 (Checksum)

   计算方法基于标准的 IP 校验和算法。

   用于确保 IGMP 报文的完整性。

3. 组地址 (Group Address)

   组播组的 IP 地址（范围：224.0.0.0 - 239.255.255.255）。

   加入时表示目标的组播地址。

报文示例

|报文原文|
16 00 08 f3 e0 01 01 0b

|报文解析|
Internet Group Management Protocol
    [IGMP Version: 2]
    Type: Membership Report (0x16)	（Type为0x16，表示主机请求加入组播组）
    Max Resp Time: 0.0 sec (0x00)	（最大响应时间为0）
    Checksum: 0x08f3 [correct]	（校验和为0x08f3）
    [Checksum Status: Good]
Multicast Address: 224.1.1.11	（组地址为224.1.1.11）
                  

实现过程

接下来，我们在W5500上实现UDP 组播回环测试。

UDP通信已经在硬件层面实现，因此我们只需要在主循环中调用udp_multicast()组播功能的函数即可，如下所示：

while (1)
{
  udp_multicast(SOCKET_ID, ethernet_buf, Multicast_mac, Multicast_IP, Multicast_port);
}

udp_multicast需要传入5个参数，分别是socket号，socket缓存,组播MAC地址,组播IP地址,组播端口号。 udp_multicast函数内容如下：

int32_t udp_multicast(uint8_t sn, uint8_t *buf, uint8_t *multicast_mac, uint8_t *multicast_ip, uint16_t 
multicast_port)
{
int32_t  ret;
uint16_t size, sentsize;
uint8_t  destip[4];
uint16_t destport, port = 50000;
switch (getSn_SR(sn))
{
case SOCK_UDP:
    if ((size = getSn_RX_RSR(sn)) > 0)
    {
        if (size > DATA_BUF_SIZE) size = DATA_BUF_SIZE;
        ret      = recvfrom(sn, buf, size, destip, (uint16_t *)&destport);
        buf[ret] = 0x00;
        printf("recv from [%d.%d.%d.%d][%d]: %s\r\n", destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], 	 
destport, buf);
        if (ret <= 0)
        {
#ifdef _MULTICAST_DEBUG_
            printf("%d: recvfrom error. %ld\r\n", sn, ret);
#endif
            return ret;
        }
        size     = (uint16_t)ret;
        sentsize = 0;
        while (sentsize != size)
        {
            ret = sendto(sn, buf + sentsize, size - sentsize, destip, destport);
            if (ret < 0)
            {
#ifdef _MULTICAST_DEBUG_
                printf("%d: sendto error. %ld\r\n", sn, ret);
#endif
                return ret;
            }
            sentsize += ret; // Don't care SOCKERR_BUSY, because it is zero.
        }
    }
    break;
case SOCK_CLOSED:
#ifdef _MULTICAST_DEBUG_
    printf("%d:Multicast Loopback start\r\n", sn);
#endif
    setSn_DIPR(sn, multicast_ip);
    setSn_DPORT(sn, multicast_port);
    setSn_DHAR(sn, multicast_mac);
    if ((ret = socket(sn, Sn_MR_UDP, port, Sn_MR_MULTI)) != sn)
        return ret;
#ifdef _MULTICAST_DEBUG_
    printf("%d:Opened, UDP组播 Socket\r\n", sn);
    printf("%d:Multicast Group IP - %d.%d.%d.%d\r\n", sn, multicast_ip[0], multicast_ip[1], 
multicast_ip[2], multicast_ip[3]);
    printf("%d:Multicast Group Port - %d\r\n", sn, multicast_port);
#endif
    break;
default:
    break;
}
return 1;
}

程序进入到udp_multicast函数后会执行一个状态机，根据Socket的状态来执行对应的操作。 当Socket处于SOCK_CLOSED状态时，函数会初始化Socket并加入组播组，然后打印Socket的状态和组播组的信息。

当Socket处于SOCK_UDP状态时，函数会检查是否有数据接收，如果有则将数据打印出来并发送回源地址。函数成功执行后返回1。

运行结果

烧录例程运行后，首先进行了PHY链路检测，然后是DHCP获取网络地址结果，最后是进行UDP组播回环测试，如下图所示：

接下来，我们将打开一个支持加入 UDP 组播功能的网络调试工具。在使用该工具时，首先要完成必要的配置操作，具体包括设置监听组播和发送消息的相关参数。当完成上述配置后，我们向组播组发送消息，此时可以观察到串口会打印出我们所发送的消息，同时在网络调试工具的组播接收区域会收到相应的回环消息，组播回环测试流程得以正常运行。

可以看到组播接收区收到了两条消息，一条是PC端发往组播的消息，一条是回环的消息。

总结

本文介绍了在W5500芯片上实现UDP组播的原理、应用场景及回环测试方法，并通过实战代码展示了其具体实现过程。 下一篇文章将聚焦DNS例程，讲解其工作原理及实现方法，帮助大家更深入地理解网络通信。敬请期待！