LED显示屏网络直连的设计与实现
LED显示屏网络直连的设计与实现
摘要：随着网络普及和速度的提升，网络通信方式被更多的用户采用，即用户通过集线器或网络直连的方式与显示屏通信。其中通过集线器，PC机和显示屏IP可不在同一个网段;而网络直连时，PC机和显示屏的IP地址必须在同一个网段。不管采用哪一种方法，都必须知道两者的IP地址才能进行通信。但在调试过程中，由于LED控制卡太多、放置时间太长或由不同的人进行配置，有时用户可能不知道显示屏的IP地址，这样就很难开展工作了。
随着网络普及和速度的提升，网络通信方式被更多的用户采用，即用户通过集线器或网络直连的方式与显示屏通信。其中通过集线器，PC机和显示屏IP可不在同一个网段;而网络直连时，PC机和显示屏的IP地址必须在同一个网段。不管采用哪一种方法，都必须知道两者的IP地址才能进行通信。但在调试过程中，由于LED控制卡太多、放置时间太长或由不同的人进行配置，有时用户可能不知道显示屏的IP地址，这样就很难开展工作了。另外，出厂配置的IP地址和现场安装的IP地址可能不一样，并且现场安装的显示屏IP地址由于用户千差万别，其IP地址段也不一样。这样一来，在调试过程中，需要反复修改显示屏或PC机的IP地址，带来很大的工作量。因此，基于应用中的这些问题，有用户提出能否采用网络直连的方式，无需知道LED显示屏的IP地址，也不用修改PC机的IP就可实现PC机与LED显示屏网络通信，让用户更方便地调试LED显示屏。通过市场调研，有些软件声称实现了LED显示屏网络直连的方式，但在具体实现上并不能令人满意，例如稳定性、可靠性和时效性等方面并不如意。经过研究，本文提出一种新的网络直连的方法，可以很好地解决这些问题，让用户方便、可靠、高效地调试显示屏。
主要功能需求分析和模型构建
对于网络直连，硬件如图1所示，用网络直连线将PC机和显示屏连接起来，然后手动设置它们的IP地址在同一个网段，即可进行通信了。
但采用这种方式，如果事先不知道显示屏的IP地址，将很难进行通信。为了达到不知道显示屏IP地址也能实现PC机与显示屏直连通信的目的，可借助DHCP服务原理来解决：即设置LED显示屏为某固定IP地址的DHCP服务器，设置PC机网卡为自动获取IP地址的方式，通过DHCP服务功能，自动配置PC机的网卡IP地址，这样网络连接通道就建立了。有些开发商就采用这种方式实现了网络直连，但这种方法存在一些问题：其一，由于UDP通信为不连接通信，其通信可靠性要差一些，容易失败;其二，只能通过操作系统自带的系统完成，没有干预，用户不能设置超时，有时等待时间太长，最长为60秒;其三，DHCP为固定IP方式，在实际应用中显然不太好;其四，退出系统时，不能恢复PC机原有的网卡配置信息。
基于此，经过研究，本文提出一种新的网络直连方法，可以实现网络直连、自动获取IP地址以及实现PC机网卡配置信息保存和恢复等功能，克服当前实现方法的不足，提高可靠性、稳定性和时效性等各方面性能，其系统模型如图2所示，主要功能和工作流程如下：
(1)启动系统时，检索、访问PC机的所有网卡，并保存其网卡配置信息，供退出系统时恢复;(2)启动网络直连进程;(3)广播IP地址请求数据包;(4)返回IP地址数据包;(5)解包，获取PC机和LED显示屏的IP地址，设置PC机的IP地址;(6)返回LED显示屏的IP地址，关闭网络直连，完成通信通道的建立;(7)建立PC机和LED显示屏的通信通道后，即可对显示屏进行读/写参数、发送节目、开关屏等通信控制操作;(8)退出系统时，根据(1)保存的网卡配置信息，恢复PC机网卡的原始状态。
在以上流程中，(2)～(6)是核心过程，它模拟DHCP服务，实现PC机广播请求IP地址，获取PC机IP地址并设置，上传LED显示屏IP地址，完成网络直连通道的建立，是进行网络直连操作时必做的步骤;(1)和(8)是启动和退出系统时所做的保存PC机网卡配置信息和恢复网卡配置信息操作;(7)是在完成网络直连通道后进行的显示屏控制的一般操作。本文重点介绍前两者。
关键功能的设计和实现
2.1保存PC机网卡配置信息
用来调试显示屏的PC机，一般是一机多用，在调试显示屏的同时，还用来办公、上网，其网卡IP地址可能是固定的或自动获取的。在做网络直连时，可能会改变其IP地址，为了不影响用户的工作，退出时需要自动恢复其IP地址。而要做到这一点，可在启动LED控制软件时，读取当前网卡配置信息，如IP地址、网卡名、MAC地址、网卡类型、是否是自动配置IP地址等等，将这些信息放入一个链表中保存，同时设置一个标识，记录用户在调试显示屏的过程中，是否使用过网络直连操作，待退出系统时使用。
在Windows操作系统中，可使用IPHelper接口来读取网卡信息，它是一套用于管理本地网络设置的API，通过它使用IP_ADAPTER_INFO结构，可以方便地提取上述网卡配置信息，保存到链表中。
2.2借鉴DHCP服务原理，构建网络直连通道
要实现PC机和LED显示屏网络直连通信，必须解决两个关键问题：其一，让PC机和LED显示屏在同一个网段;其二，知道LED显示屏的IP地址。
除此之外，还要解决多网卡、无线网卡对网络直连的干扰等现象。借鉴DHCP原理，主要解决思路如下：
(1)在PC机端设计一个网络直连控制进程;(2)需要网络直连时，启动该进程，通过Windows相关网络API函数和注册表信息，确定与LED显示屏连接的非无线网卡，将其MAC地址放入构建请求IP地址的UDP数据包中，然后广播出去，同时启动内部UDP包捕获子进程;(3)LED显示屏收到请求IP地址的UDP包后，根据本身IP地址，构造一个PC机的IP地址，将其广播出去，为了不引起混乱，这里构建的是伪DHCP包，正常的Windows客户端收到该UDP包时，并不会自动改变其IP地址;(4)网络直连控制进程的UDP包捕获子进程接收到分配的IP地址的UDP包后，解包得到PC机的IP地址和LED显示屏的IP地址;(5)设置PC机网卡IP地址，上传LED显示屏的IP地址给控制软件，成功后，关闭网络直连控制进程，完成网络直连通道的建立。
这个网络直连的过程涉及三个系统：(1)网络直连控制进程，它构建请求IP地址UDP数据包并广播出去，同时监控目标网卡的68端口，捕获返回的UDP数据包，解析出PC机的IP地址和LED显示屏的IP地址，然后设置PC机的IP地址，将LED显示屏的IP地址提交给主进程，完成网络直连的任务;(2)LED显示屏DHCP服务子进程，它接收PC机的IP地址请求，构建并设置自身IP地址，并返回PC机的IP地址的伪DHCP包;(3)LED控制软件，当用户选择网络直连方式时，启动网络直连控制子进程，实现网络直接通道的建立，完成后，关闭该进程。
2.3恢复PC机网卡的配置信息
退出系统时，根据2.1保存的是否使用过网络直连的标识进行判断，如果没有使用过网络直连方式，则无需执行网络IP恢复功能;否则将执行恢复功能，还原2.1保存的网卡配置，恢复网卡IP地址可使用netshinterfaceipset命令。
同时，为了加快处理速度并提高成功率，可按禁用网卡、设置网卡IP地址、再启用网卡的步骤实施：
(1)使用Windows的SetupAPI相关接口API函数禁用目标网卡;(2)恢复目标网卡IP设置，根据静态IP地址和动态IP地址，分别用不同的命令：
a.恢复静态IP地址命令。
netshinterfaceipsetaddressname=“本地连接”
source=STaticaddr=192.168.1.19mask=255.
255.255.0gateway=none.
b.恢复动态IP地址命令。
netshinterfaceipsetaddress“本地连接”dhcp
(3)使用SetupAPI相关接口API函数启用目标网卡，这样就完成了网卡配置信息的恢复。
结论
本文针对LED显示屏调试过程中对网络直连的需求，提出一种网络直连的方法，系统在启动时自动保存网卡配置信息，使用网络直连进程构建网络直连通道，退出系统时自动恢复网卡配置信息，使用户无需知道LED显示屏的IP地址，也不用修改PC机的IP地址，便可实现PC机与LED显示屏的网络通信。该方法在LED导航者软件中使用，其可靠性、稳定性和时效性得到了用户的认可，取得了良好的效果。实践证明，该方法可为类似的应用提供一种可供借鉴的解决方案。