Week 5 Wi-Fi通信とネットワークプロトコルの基礎

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Title

AstroCamp／衛星開発ゼミ 電子工作からネットワークへ TCP/IPの基礎と Pico WによるWiFi通信 Raspberry Pi Pico C++ SDK で、PC上のPythonスクリプトと通信する Week5

Agenda

AGENDA 本日お話しすること 00 導入 シリアル通信とネットワーク通信の違い 01 TCP/IPの基礎 階層モデル・WiFiの守備範囲・IPアドレスとポート・TCP／UDP 02 Pico WでWiFi通信 ハード構成・ソフトウェアスタック・C++コードの要点 03 PCと通信する 構成の選択・Pythonサーバとの接続・動作確認 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 02

WhyLayers

導入 TCP/IPは「ネットワーク」を前提にした通信規格 シリアル通信： 1本の線を決まった機器間で独占 ​​ネットワーク： 多数の機器と共有された網 共有ゆえに起きること 同じ電波を何台もの機器が使う ↓ 隣の機器を識別して、電波を分け合う リンク層（WiFi） 共有ゆえに起きること 相手は他人の網の先にいる ↓ 住所で相手を決めて、経路をたどる インターネット層（IP） 共有ゆえに起きること 落ちる・遅れる・混ざる ↓ 宛先のプログラムを分け、確実さを決める トランスポート層（TCP/UDP） TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 03

Section01

01 TCP/IPの基礎 通信の仕事を役割ごとに分けて、「どこへ」「どう届けるか」を決める共通ルール。

Layers

1.1 階層モデル 通信の仕事は4つの層に分業されている アプリケーション層 「何を話すか」— メッセージの中身と意味 HTTP ／ 自作の形式 トランスポート層 「どう届けるか」— 確実に届ける／軽く送る TCP ／ UDP インターネット層 「どこへ届けるか」— 住所を頼りに経路を選ぶ IP（IPアドレス） リンク層 「隣まで運ぶ」— 電波や電線で物理的に伝える WiFi ／ Ethernet 各層は自分の仕事だけを行い、残りは下の層に任せる。 だから電波の仕様を知らなくても通信プログラムが書ける。 TCP＝Transmission Control Protocol／UDP＝User Datagram Protocol／IP＝Internet Protocol TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 05

WifiLink

1.2 リンク層：WiFiとは WiFiが運ぶのは「電波が直接届く1区間」だけ インターネット層（IP） どの機器まで届けるかを決め、区間をつなぎ合わせる — 端から端までを受け持つ Pico W マイコン WiFi（電波） WiFiルータ（AP） AP＝Access Point。2つのリンクを中継する 有線LAN・光 PC・その先の機器 電波が直接届かない相手 リンク層① WiFi ＝ 今日の主役 リンク層② 別の技術でもう1区間 どの区間にもリンク層がある。 ルータより先もIPが直接運ぶのではなく、有線LAN（Local Area Network）や光といった別のリンク層が1区間ずつ運ぶ。区間をどうつなぐかを決めているのがIP。 「WiFiに接続」＝網の輪に参加する手続き。 リンク層の話。あとで出てくるTCPの「接続」とは層も目的も別物。 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 06

IpPort

1.3 インターネット層：IPアドレスとポート 住所（IPアドレス）と部屋番号（ポート）で相手を指定する IPアドレス ＝ どの機器か。 IP（Internet Protocol）。LAN内では 192.168.x.x がルータから自動で配られる （DHCP＝Dynamic Host Configuration Protocol） 。 ポート番号 ＝ どのプログラムか。 0〜65535。同じPCの中のプログラムを区別する。 2つのペアで宛先が決まる。 「192.168.1.10 の 5000番」のように組で指定する。 PC 192.168.1.10 ＝ 住所 :5000 Pythonスクリプト（今日の宛先） :80 Webサーバ :22 SSH ポート ＝ 部屋番号。同じ住所でも部屋ごとに住人（プログラム）が違う。 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 07

WhyTransport

1.4 トランスポート層：なぜ要るのか シリアルの「当たり前」は、網の中では成り立たない 届かないかもしれない。 ルータは混雑するとパケットを捨てる。IPは「努力して運ぶ」だけで保証しない（ベストエフォート）。 順番が入れ替わるかもしれない。 経路は1本ではない。後から送ったパケットが先に着くこともある。 機器に届いても「誰宛てか」分からない。 IPアドレスが指すのは機器まで。中のどのプログラム宛てかはIPの管轄外。 この3つの穴を埋めるのが トランスポート層 — ポートで宛先プログラムを指定し、届け方の品質を選ぶ TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 08

TcpUdp

1.5 トランスポート層の例：TCPとUDP 穴を全部埋めるTCP、埋めずに軽さを取るUDP TCP Transmission Control Protocol｜つないでから話す — 電話 最初に 接続 の手続きをする 届いたか確認し、 欠けたら再送 送った順に届く（順序保証） その分、手間と遅延が増える UDP User Datagram Protocol｜いきなり送る — はがき 接続の手続きなしで 即送信 届いたかどうかは 分からない 順番が入れ替わることもある 軽くて速い。仕組みが単純 「接続」に注意 — WiFiの接続は リンク層 （網への参加。TCP・UDP共通の前提）、TCPの接続は トランスポート層 （プログラム同士の合意。TCPだけ） TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 09

QuizTcpUdp

1.6 クイズ Q. この用途、TCPとUDPどちらを選ぶ? ① 温度センサの値を1秒ごとにPCへ送り続ける TCP ／ UDP ? ② 設定ファイルをPicoへ転送する（1バイトも欠けてはいけない） TCP ／ UDP ? ③ 動作ログをPCへ送る TCP ／ UDP ? ヒント：欠けたら困るか? 遅れたら困るか? TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 10

QuizAnswer

1.6 クイズの答え A. 欠けて困るならTCP、鮮度が命ならUDP ① センサ値 → UDPが定番。 1秒後に新しい値が来る。1個の欠けより、再送で古い値が遅れて届く方が困る。 ② ファイル転送 → TCP一択。 1バイト欠けても壊れる。全部を順番どおり届ける保証が必要。 ③ ログ → 要件次第。 確実な記録ならTCP、多少欠けてよい速報ならUDP。「欠けたら困るか」で決める。 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 11

Socket

1.7 ソケット 下の層への入口「ソケット」— ファイルのように読み書きする 層の中での位置づけ アプリケーション層 あなたのプログラム ソケット ＝ 下の層を使うための窓口 作るときにTCPかUDPを選ぶ。プログラムとの境目はここ1か所だけ トランスポート層 TCP ／ UDP インターネット層 IP（IPアドレス） リンク層 WiFi ここから下はOS・ライブラリの仕事。プログラムからは見えない 使い方は4ステップ ① 作る TCPかUDPを選んで作る socket() ② 接続する IPアドレスとポートを指定 （TCPのみ） connect() ③ 送る・受け取る バイト列を読み書き send() ／ recv() ④ 閉じる 後片付け close() ファイル操作（open → read/write → close）と同じ発想。C++でもPythonでも共通の流れ TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 12

Section02

02 Pico WでWiFi通信 ハードとソフトの全体像をつかんでから、C++ SDK（Software Development Kit）のコードを読む。

PicoHw

2.1 ハードウェア 無線は専用チップCYW43439の仕事 — RP2040は依頼するだけ Raspberry Pi Pico W 基板 RP2040 マイコン本体。あなたのC++プログラムを実行する SPIで依頼 CYW43439 無線チップ。WiFi (2.4GHz) の電波送受信を担当。オンボードLEDもここ 電波 WiFiルータ LANの外の世界へ 対応は 2.4GHz帯のみ 。5GHz専用のSSID（Service Set Identifier）には接続できない。 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 14

SwStack

2.2 ソフトウェアスタック PCではOSがやる仕事を、Picoでは lwIP が肩代わりする あなたのC++コード 送りたいデータを組み立てる アプリケーション層 pico-sdk（cyw43_arch） 初期化・WiFi接続を数行の関数に つなぎ役 lwIP lightweight IPの略。TCP/IPを実装した軽量ライブラリ。今日の主役 トランスポート層＋インターネット層 CYW43439 ドライバ＋チップ 電波の送受信 リンク層 CMakeで pico_cyw43_arch_lwip_threadsafe_background をリンクすると、この一式がまとめて使える。 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 15

WifiCode

2.3 コード① WiFi接続 WiFi接続は実質3関数 — 初期化・STAモード・接続 #include "pico/cyw43_arch.h" int main () { // ① 無線チップを初期化 if ( cyw43_arch_init ()) return -1; // ② 子機（ステーション）モードに cyw43_arch_enable_sta_mode (); // ③ 接続を待つ（最大30秒） if ( cyw43_arch_wifi_connect_timeout_ms ( "MyHomeWiFi" , "password" , CYW43_AUTH_WPA2_AES_PSK, 30000)) { return -1; // 失敗 } // ここに来ればIPアドレス取得済み } 接続完了まで待つ関数。 戻り値0で成功。IPアドレスはDHCPで自動取得される。 まだLANに参加しただけ。 データの送受信はこの後のTCP／UDPで行う。 抜粋。CMakeLists.txtで pico_cyw43_arch_lwip_threadsafe_background のリンクが必要。 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 16

RawApi

2.4 lwIPの流儀 lwIPは「呼んで待つ」ではなく「起きたら呼ばれる」— コールバック方式 自分から呼ぶ関数 tcp_connect(...) 接続を依頼 tcp_write(...) 送信データを渡す lwIPから呼ばれる関数（事前に登録） on_connected(...) 接続が完了したとき on_recv(...) データが届いたとき GPIO割り込みハンドラと同じ発想 —「イベントが起きたら、登録した関数が呼ばれる」 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 17

TcpCode

2.5 コード② TCPクライアント 接続を依頼し、完了したら送る — TCPクライアントの骨格 // ① PCB（≒ソケット）を作り、コールバックを登録 struct tcp_pcb *pcb = tcp_new (); tcp_recv (pcb, on_recv); // 受信時に呼ばれる // ② サーバ（PC）へ接続を依頼 tcp_connect (pcb, &server_ip, 5000, on_connected); // ③ 接続完了で lwIP から呼ばれる err_t on_connected ( void *arg, struct tcp_pcb *pcb, err_t err) { tcp_write (pcb, "hello from pico\n" , 16, TCP_WRITE_FLAG_COPY); tcp_output (pcb); // 送信を確定 return ERR_OK; } PCBがソケットの役。 PCB＝Protocol Control Block（接続を管理する台帳）。作る→接続→送受信→閉じる、の流れは第1章と同じ。 writeとoutputはセット。 writeはバッファに積むだけ。outputで送信を促す。 抜粋。エラー処理・切断処理（tcp_close）は省略。 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 18

UdpCode

2.6 コード③ UDP送信 UDPは「詰めて、投函する」だけ — 接続もコールバックも不要 // ① PCBを作り、宛先（PC）を用意 struct udp_pcb *pcb = udp_new (); ip_addr_t dest; ipaddr_aton ( "192.168.1.10" , &dest); // ② データをpbuf（lwIPのバッファ）に詰める const char *msg = "temp=25.4\n" ; struct pbuf *p = pbuf_alloc (PBUF_TRANSPORT, strlen (msg), PBUF_RAM); memcpy (p->payload, msg, strlen (msg)); // ③ 投函 — 届いたかの確認はしない udp_sendto (pcb, p, &dest, 5000); pbuf_free (p); // 忘れるとメモリ枯渇 TCPよりずっと短い。 接続手続きがないぶんコードも単純。定期送信のセンサ向き。 pbuf_freeを忘れない。 マイコンはメモリが少ない。解放漏れは送信失敗に直結。 抜粋。1秒ごとに②③を繰り返せば計測ノードになる。 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 19

Section03

03 PCと通信する 受け手はPythonの標準ライブラリで10行。組み合わせて通信を成立させる。

ServerClient

3.1 サーバとクライアント 「先に待つ側」がサーバ、「話しかける側」がクライアント クライアント 送りたいときに connect() で話しかける。今日のPicoはこちら 話しかける サーバ 先にポートを開けて待ち受ける（例：5000番）。今日のPC（Python）はこちら 先にサーバが待っていないと、話しかけても「誰も出ない」。起動は必ずサーバが先。 通信は「待つ側」がいないと始まらない。 網の相手は、こちらの都合では聞いていない。だから先に「待つ係」を決めておく。線が常設のシリアルには無かった概念。 機械の種類ではなく、プログラムの役割。 ソケットを使うプログラム同士の分担で、アプリケーション側の概念。IPやWiFiなど下の層は両者を対等に扱い、この区別を知らない。 役割はいつでも入れ替えられる。 同じPCがサーバにもクライアントにもなれる。どちらを待つ側にするかは次のスライドで選ぶ。 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 21

Architecture

3.2 構成の選択 どちらを「待つ側」にするか — 正解は用途で決まる 前提：PicoとPCは同じルータの下（同じLAN）にいる。待つ側＝サーバ、話しかける側＝クライアント。 案A：PCが待つ Pico＝クライアント ／ PC＝サーバ Picoは 起きたら送るだけ 。データを集める用途に自然 待つ側のIPが必要 → PCのIPは ipconfigですぐ分かる 接続を始められるのは Pico側だけ 。 （接続後は双方向に送り合える） 案B：Picoが待つ Pico＝サーバ ／ PC＝クライアント PCから 好きなタイミングで問い合わせ ・操作できる 複数の端末から同じPicoへアクセスする用途に自然 PicoのIPはDHCPで変わりうる → 固定IP等の工夫が必要 以降のコード例は案Aで進める。関数の使い方は構成を入れ替えても同じ。 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 22

PyTcp

3.3 コード④ PC側（TCP） 受け手のTCPサーバはPython標準ライブラリで10行 import socket srv = socket. socket (socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) # TCP srv. bind (( "0.0.0.0" , 5000)) # 5000番で受付 srv. listen (1) conn, addr = srv. accept () # Picoの接続を待つ print ( "connected:" , addr) while True : data = conn. recv (1024) # 受信を待つ if not data: break # 切断された print (data. decode ()) conn. close () 流れは第1章のソケットのまま。 作る → 待つ（bind/listen/accept）→ 読み書き → 閉じる。 "0.0.0.0" ＝ どの口でも受付。 このPCが持つすべてのネットワーク口で5000番を開く。 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 23

PyUdp

3.4 コード⑤ PC側（UDP） UDP受信は接続なし — bindしてrecvfromするだけ import socket sock = socket. socket (socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) # UDP sock. bind (( "0.0.0.0" , 5000)) while True : # 届いたデータと送り主が返る data, addr = sock. recvfrom (1024) print (addr, data. decode ()) listenもacceptもない。 接続という概念がないため、開いたらすぐ受信できる。 送り主のアドレスも分かる。 recvfromが (データ, 送信元) を返す。複数のPicoの受け口を1つにできる。 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 24

Steps

3.5 動作確認 「待つ側が先」— サーバを起動してからPicoを動かす ① PCのIPを調べる ipconfig ／ ip addr。Picoのコードの宛先に書く ② サーバを起動 python server.py — 待つ側を先に動かす ③ ビルド＆書き込み cmake＋make → BOOTSELを押しながら接続、UF2をコピー ④ 受信を確認 PCのターミナルに hello from pico が表示されれば成功 $ python server.py connected: ( '192.168.1.23' , 54321) hello from pico TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 25

Summary

まとめ 全体像：データは層を下り、網を渡り、層を上る Pico W（送る側） PC（受け取る側） あなたのC++コード アプリケーション層 "temp=25.4" というデータを作る lwIP トランスポート＋インターネット層 TCP／UDPで包み、宛先（IP・ポート）を付ける CYW43439 リンク層 電波にのせて送り出す ルータ 宛先IPを見て中継 Pythonスクリプト アプリケーション層 recv() にデータが現れる OSのTCP/IP トランスポート＋インターネット層 包みを開け、ポート5000番の部屋へ届ける WiFiアダプタ リンク層 電波から受け取る 送る側は層を下り、受け取る側は層を上る。 今日の内容はすべてこの図の中にある。 TCP/IPの基礎とPico WによるWiFi通信 26