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TCP Server Multi Socket

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2025/02/17 更新

本篇文章，我们将详细介绍如何在W55MH32芯片上面实现TCP通信。使用W55MH32的TOE引擎，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TOE引擎上的8个socket同时设置为TCP Server模式，让多个客户端连接进行数据回环测试。

该例程用到的其他网络协议，例如DHCP，请参考相关章节。有关W55MH32的初始化过程，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W55MH32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。
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TCP 3次握手示意图
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TCP 4次挥手示意图

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：在W55MH32的TOE引擎中，需要在Sn_KPALVTR寄存器中设置Keepalive时间，然后在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，我们在W55MH32上实现TCP服务器，允许多个设备连接进行数据通信。

步骤1：在主循环中调用multi_tcps_socket()函数： 


while (1)
{
  multi_tcps_socket(ethernet_buf, local_port);
}

步骤2：进入multi_tcps_socket()函数

multi_tcps_socket()函数的两个传参分别为交互的缓存数组以及本地端口号，函数具体内容如下： 


int32_t multi_tcps_socket(uint8_t *buf, uint16_t localport)
{
    int32_t  ret;
    uint16_t size = 0, sentsize = 0;

#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
    uint8_t  destip[4];
    uint16_t destport;
#endif

    switch (getSn_SR(socket_sn))
    {
    case SOCK_ESTABLISHED:
        if (getSn_IR(socket_sn) & Sn_IR_CON)
        {
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
            getSn_DIPR(socket_sn, destip);
            destport = getSn_DPORT(socket_sn);

            printf("%d:Connected - %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);
        }
        if ((size = getSn_RX_RSR(socket_sn)) > 0) // Don't need to check SOCKERR_BUSY because it doesn't not 
occur.
        {
            if (size > DATA_BUF_SIZE)
                size = DATA_BUF_SIZE;
            ret = recv(socket_sn, buf, size);

            if (ret <= 0)
                return ret; // check SOCKERR_BUSY & SOCKERR_XXX. For showing the occurrence of SOCKERR_BUSY.
            size      = (uint16_t)ret;
            sentsize  = 0;
            buf[size] = 0x00;
            printf("%d:rece data:%s\r\n", socket_sn, buf);
            while (size != sentsize)
            {
                ret = send(socket_sn, buf + sentsize, size - sentsize);
                if (ret < 0)
                {
                    close(socket_sn);
                    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:Listen, TCP server loopback, port [%d]\r\n", socket_sn, localport);
#endif
        if ((ret = listen(socket_sn)) != SOCK_OK)
            return ret;
        break;
    case SOCK_CLOSED:
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
        printf("%d:TCP server loopback start\r\n", socket_sn);
#endif
        if ((ret = socket(socket_sn, Sn_MR_TCP, localport, 0x00)) != socket_sn)
            return ret;
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
        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 Server 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：

Blog Image
  • 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W55MH32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打开成功，开始监听端口，当有客户端进行连接时，SOCKET状态改为SOCK_ESTABLISHED。
  • 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：当客户端主动断开连接时，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，这样就能实现最多8个设备连接W55MH32进行回环数据测试了

运行结果

请注意:

测试实例需要PC端和W55MH32处于同一网段。

烧录例程运行后，首先可以看到进行了PHY链路检测，然后打印了设置的网络地址信息，如下图所示：

Blog Image

接下来则是初始化8个socket，并监听同一个端口

Blog Image

我们打开8个SocketTester网络调试工具，设置为TCP Client模式，输入W55MH32的IP地址和端口后进行连接，然后就能看到W55MH32打印客户端连接信息了，最后用SocketTester向W55MH32发送数据进行回环测试。

Blog Image

总结

本文讲解了如何在 W55MH32 芯片上使用 8 个 socket 实现 TCP 服务器模式，让多个客户端连接进行数据回环测试，通过实战例程展示了从初始化 socket 到监听端口、处理客户端连接、数据交互及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。

下一篇文章将聚焦 W55MH32 的上位机搜索和配置功能，解析其核心原理及在设备管理中的应用，同时讲解实现上位机搜索和配置 W55MH32 功能的具体步骤与要点，敬请期待！

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Andy

W5500 技术支持专家

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