解析LED显示屏网络直连的设计与实现

【中国数字视听网讯】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。

1 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。

2 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IP Helper 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netsh interface ip set 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。

netsh interface ip set address name=“本地连接”

source=STatic addr=192.168.1.19 mask=255.

255.255.0 gateway=none.

b. 恢复动态IP 地址命令。

netsh interface ip set address“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。

3 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。

（编辑：daisy）