LED顯示屏網(wǎng)絡直連的設計與實現(xiàn)
LED顯示屏網(wǎng)絡直連的設計與實現(xiàn)
摘要：隨著網(wǎng)絡普及和速度的提升，網(wǎng)絡通信方式被更多的用戶采用，即用戶通過集線器或網(wǎng)絡直連的方式與顯示屏通信。其中通過集線器，PC機和顯示屏IP可不在同一個網(wǎng)段;而網(wǎng)絡直連時，PC機和顯示屏的IP地址必須在同一個網(wǎng)段。不管采用哪一種方法，都必須知道兩者的IP地址才能進行通信。但在調試過程中，由于LED控制卡太多、放置時間太長或由不同的人進行配置，有時用戶可能不知道顯示屏的IP地址，這樣就很難開展工作了。
隨著網(wǎng)絡普及和速度的提升，網(wǎng)絡通信方式被更多的用戶采用，即用戶通過集線器或網(wǎng)絡直連的方式與顯示屏通信。其中通過集線器，PC機和顯示屏IP可不在同一個網(wǎng)段;而網(wǎng)絡直連時，PC機和顯示屏的IP地址必須在同一個網(wǎng)段。不管采用哪一種方法，都必須知道兩者的IP地址才能進行通信。但在調試過程中，由于LED控制卡太多、放置時間太長或由不同的人進行配置，有時用戶可能不知道顯示屏的IP地址，這樣就很難開展工作了。另外，出廠配置的IP地址和現(xiàn)場安裝的IP地址可能不一樣，并且現(xiàn)場安裝的顯示屏IP地址由于用戶千差萬別，其IP地址段也不一樣。這樣一來，在調試過程中，需要反復修改顯示屏或PC機的IP地址，帶來很大的工作量。因此，基于應用中的這些問題，有用戶提出能否采用網(wǎng)絡直連的方式，無需知道LED顯示屏的IP地址，也不用修改PC機的IP就可實現(xiàn)PC機與LED顯示屏網(wǎng)絡通信，讓用戶更方便地調試LED顯示屏。通過市場調研，有些軟件聲稱實現(xiàn)了LED顯示屏網(wǎng)絡直連的方式，但在具體實現(xiàn)上并不能令人滿意，例如穩(wěn)定性、可靠性和時效性等方面并不如意。經(jīng)過研究，本文提出一種新的網(wǎng)絡直連的方法，可以很好地解決這些問題，讓用戶方便、可靠、高效地調試顯示屏。
主要功能需求分析和模型構建
對于網(wǎng)絡直連，硬件如圖1所示，用網(wǎng)絡直連線將PC機和顯示屏連接起來，然后手動設置它們的IP地址在同一個網(wǎng)段，即可進行通信了。
但采用這種方式，如果事先不知道顯示屏的IP地址，將很難進行通信。為了達到不知道顯示屏IP地址也能實現(xiàn)PC機與顯示屏直連通信的目的，可借助DHCP服務原理來解決：即設置LED顯示屏為某固定IP地址的DHCP服務器，設置PC機網(wǎng)卡為自動獲取IP地址的方式，通過DHCP服務功能，自動配置PC機的網(wǎng)卡IP地址，這樣網(wǎng)絡連接通道就建立了。有些開發(fā)商就采用這種方式實現(xiàn)了網(wǎng)絡直連，但這種方法存在一些問題：其一，由于UDP通信為不連接通信，其通信可靠性要差一些，容易失敗;其二，只能通過操作系統(tǒng)自帶的系統(tǒng)完成，沒有干預，用戶不能設置超時，有時等待時間太長，最長為60秒;其三，DHCP為固定IP方式，在實際應用中顯然不太好;其四，退出系統(tǒng)時，不能恢復PC機原有的網(wǎng)卡配置信息。
基于此，經(jīng)過研究，本文提出一種新的網(wǎng)絡直連方法，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡直連、自動獲取IP地址以及實現(xiàn)PC機網(wǎng)卡配置信息保存和恢復等功能，克服當前實現(xiàn)方法的不足，提高可靠性、穩(wěn)定性和時效性等各方面性能，其系統(tǒng)模型如圖2所示，主要功能和工作流程如下：
(1)啟動系統(tǒng)時，檢索、訪問PC機的所有網(wǎng)卡，并保存其網(wǎng)卡配置信息，供退出系統(tǒng)時恢復;(2)啟動網(wǎng)絡直連進程;(3)廣播IP地址請求數(shù)據(jù)包;(4)返回IP地址數(shù)據(jù)包;(5)解包，獲取PC機和LED顯示屏的IP地址，設置PC機的IP地址;(6)返回LED顯示屏的IP地址，關閉網(wǎng)絡直連，完成通信通道的建立;(7)建立PC機和LED顯示屏的通信通道后，即可對顯示屏進行讀/寫參數(shù)、發(fā)送節(jié)目、開關屏等通信控制操作;(8)退出系統(tǒng)時，根據(jù)(1)保存的網(wǎng)卡配置信息，恢復PC機網(wǎng)卡的原始狀態(tài)。
在以上流程中，(2)～(6)是核心過程，它模擬DHCP服務，實現(xiàn)PC機廣播請求IP地址，獲取PC機IP地址并設置，上傳LED顯示屏IP地址，完成網(wǎng)絡直連通道的建立，是進行網(wǎng)絡直連操作時必做的步驟;(1)和(8)是啟動和退出系統(tǒng)時所做的保存PC機網(wǎng)卡配置信息和恢復網(wǎng)卡配置信息操作;(7)是在完成網(wǎng)絡直連通道后進行的顯示屏控制的一般操作。本文重點介紹前兩者。
關鍵功能的設計和實現(xiàn)
2.1保存PC機網(wǎng)卡配置信息
用來調試顯示屏的PC機，一般是一機多用，在調試顯示屏的同時，還用來辦公、上網(wǎng)，其網(wǎng)卡IP地址可能是固定的或自動獲取的。在做網(wǎng)絡直連時，可能會改變其IP地址，為了不影響用戶的工作，退出時需要自動恢復其IP地址。而要做到這一點，可在啟動LED控制軟件時，讀取當前網(wǎng)卡配置信息，如IP地址、網(wǎng)卡名、MAC地址、網(wǎng)卡類型、是否是自動配置IP地址等等，將這些信息放入一個鏈表中保存，同時設置一個標識，記錄用戶在調試顯示屏的過程中，是否使用過網(wǎng)絡直連操作，待退出系統(tǒng)時使用。
在Windows操作系統(tǒng)中，可使用IPHelper接口來讀取網(wǎng)卡信息，它是一套用于管理本地網(wǎng)絡設置的API，通過它使用IP_ADAPTER_INFO結構，可以方便地提取上述網(wǎng)卡配置信息，保存到鏈表中。
2.2借鑒DHCP服務原理，構建網(wǎng)絡直連通道
要實現(xiàn)PC機和LED顯示屏網(wǎng)絡直連通信，必須解決兩個關鍵問題：其一，讓PC機和LED顯示屏在同一個網(wǎng)段;其二，知道LED顯示屏的IP地址。
除此之外，還要解決多網(wǎng)卡、無線網(wǎng)卡對網(wǎng)絡直連的干擾等現(xiàn)象。借鑒DHCP原理，主要解決思路如下：
(1)在PC機端設計一個網(wǎng)絡直連控制進程;(2)需要網(wǎng)絡直連時，啟動該進程，通過Windows相關網(wǎng)絡API函數(shù)和注冊表信息，確定與LED顯示屏連接的非無線網(wǎng)卡，將其MAC地址放入構建請求IP地址的UDP數(shù)據(jù)包中，然后廣播出去，同時啟動內部UDP包捕獲子進程;(3)LED顯示屏收到請求IP地址的UDP包后，根據(jù)本身IP地址，構造一個PC機的IP地址，將其廣播出去，為了不引起混亂，這里構建的是偽DHCP包，正常的Windows客戶端收到該UDP包時，并不會自動改變其IP地址;(4)網(wǎng)絡直連控制進程的UDP包捕獲子進程接收到分配的IP地址的UDP包后，解包得到PC機的IP地址和LED顯示屏的IP地址;(5)設置PC機網(wǎng)卡IP地址，上傳LED顯示屏的IP地址給控制軟件，成功后，關閉網(wǎng)絡直連控制進程，完成網(wǎng)絡直連通道的建立。
這個網(wǎng)絡直連的過程涉及三個系統(tǒng)：(1)網(wǎng)絡直連控制進程，它構建請求IP地址UDP數(shù)據(jù)包并廣播出去，同時監(jiān)控目標網(wǎng)卡的68端口，捕獲返回的UDP數(shù)據(jù)包，解析出PC機的IP地址和LED顯示屏的IP地址，然后設置PC機的IP地址，將LED顯示屏的IP地址提交給主進程，完成網(wǎng)絡直連的任務;(2)LED顯示屏DHCP服務子進程，它接收PC機的IP地址請求，構建并設置自身IP地址，并返回PC機的IP地址的偽DHCP包;(3)LED控制軟件，當用戶選擇網(wǎng)絡直連方式時，啟動網(wǎng)絡直連控制子進程，實現(xiàn)網(wǎng)絡直接通道的建立，完成后，關閉該進程。
2.3恢復PC機網(wǎng)卡的配置信息
退出系統(tǒng)時，根據(jù)2.1保存的是否使用過網(wǎng)絡直連的標識進行判斷，如果沒有使用過網(wǎng)絡直連方式，則無需執(zhí)行網(wǎng)絡IP恢復功能;否則將執(zhí)行恢復功能，還原2.1保存的網(wǎng)卡配置，恢復網(wǎng)卡IP地址可使用netshinterfaceipset命令。
同時，為了加快處理速度并提高成功率，可按禁用網(wǎng)卡、設置網(wǎng)卡IP地址、再啟用網(wǎng)卡的步驟實施：
(1)使用Windows的SetupAPI相關接口API函數(shù)禁用目標網(wǎng)卡;(2)恢復目標網(wǎng)卡IP設置，根據(jù)靜態(tài)IP地址和動態(tài)IP地址，分別用不同的命令：
a.恢復靜態(tài)IP地址命令。
netshinterfaceipsetaddressname=“本地連接”
source=STaticaddr=192.168.1.19mask=255.
255.255.0gateway=none.
b.恢復動態(tài)IP地址命令。
netshinterfaceipsetaddress“本地連接”dhcp
(3)使用SetupAPI相關接口API函數(shù)啟用目標網(wǎng)卡，這樣就完成了網(wǎng)卡配置信息的恢復。
結論
本文針對LED顯示屏調試過程中對網(wǎng)絡直連的需求，提出一種網(wǎng)絡直連的方法，系統(tǒng)在啟動時自動保存網(wǎng)卡配置信息，使用網(wǎng)絡直連進程構建網(wǎng)絡直連通道，退出系統(tǒng)時自動恢復網(wǎng)卡配置信息，使用戶無需知道LED顯示屏的IP地址，也不用修改PC機的IP地址，便可實現(xiàn)PC機與LED顯示屏的網(wǎng)絡通信。該方法在LED導航者軟件中使用，其可靠性、穩(wěn)定性和時效性得到了用戶的認可，取得了良好的效果。實踐證明，該方法可為類似的應用提供一種可供借鑒的解決方案。