mbed-os 5 上的 Lwip 无法建立正确的以太网连接

Question

我的目标是将 UDP 数据包从微控制器（核板）发送到 PC - 就这么简单。 更新：我成功地达到了目标。我将在这里解释我是如何做到的，以及我最初偶然发现的问题。非常感谢 * 社区和 LinkedIn ARM 组的人们帮助我！

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1.系统概述

我的系统如下：

1.1 微控制器端

• 带有 STM32F767ZI 微控制器的 Nucleo_F767ZI 板。该板有一个以太网连接器。
• Mbed-OS 5 操作系统。
• lwip 库（它是 Mbed-OS 5 操作系统的一部分）。

1.2 PC 端 ????

• Windows 10，64 位。
• 免费以太网端口（互联网通过 WiFi，这就是未使用此以太网端口的原因）。
• Wireshark 查看微控制器是否真的发送了 UDP 数据包。稍后将在 Python 中对它们进行解释。首先，我想在 Wireshark 中查看数据包。

1.3 连接
最初，我将核板直接连接到我的计算机，而不涉及路由器或交换机。这样的设置需要“静态 IP 配置”。我会将 PC 配置为具有 IP 地址“192.168.1.10”，将微控制器配置为具有“192.168.1.20”。我知道这可以工作，因为我以前用 PIC 微控制器做过。
但这种情况有点不同。我在微控制器上运行了一个小操作系统：mbed-os v5。该操作系统使用 Lwip（轻量级 IP 堆栈）。虽然应该可以配置“静态 IP 地址”，但该软件目前不支持它。更多信息可以在这里找到：https://developer.mbed.org/questions/74145/EthernetInterfaceinit-mbed-os-5x-not-wor/。由于无法在微控制器上配置静态 IP 地址，因此您需要一个 DHCP 服务器。微控制器在没有 IP 地址的情况下连接到网络，并广播一个带有以下问题的数据包：“我应该在这个网络上使用什么 IP 地址？”。如果微控制器没有得到答案，它会广播几次问题，最终放弃。
如果有 DHCP 服务器连接到网络，它会收到问题并交出一个空闲的 IP 地址。所以这就是你需要的。有几种方法可以提供这样的 DHCP 服务器：

• 在您的 Windows PC 上安装 DHCP 服务器。这是将交换机和路由器排除在外的唯一方法。核板直接连接到 PC。当微控制器广播问题时，Windows PC 会交出一个 IP 地址。之后，就可以开始通信了。
• 将 Raspberry PI 放入游戏中。 Raspberry PI 应该运行 DHCP 服务器。将三个设备（Windows PC、Raspberry PI 和 Nucleo 板）连接到交换机。
• 买一个简单的路由器。家用路由器内置了 DHCP 服务器。将 Windows PC 和 Nucleo 板连接到此路由器的 LAN 端口。

我决定选择第三个选项。下图显示了与我的 Netgear R7000 路由器的连接：

 

2.路由器设置

路由器内部的 DHCP 服务器会将 IP 地址分发给与其连接的所有设备。我的路由器会将 IP 地址“192.168.1.2”分配给第一个设备，“192.168.1.3”分配给第二个设备，依此类推，直到“192.168.1.254”。但这有点问题。 PC 和微控制器如何知道彼此的 IP 地址？也许有更聪明的解决方案，但我想出了以下方法。
每个 DHCP 服务器都有一个带有“保留 IP 地址”的表。在此表中，您可以添加设备并为其分配静态 IP 地址。因此，每当该设备请求 IP 地址时，DHCP 服务器都会查看表并移交您配置的地址。但是 DHCP 服务器如何识别设备呢？它可以通过 MAC 地址识别设备。每个设备都有一个全球唯一的 6 字节 MAC 地址。 这就是我将 Windows PC 和微控制器添加到桌面的方式：

• 步骤 1：将计算机连接到路由器的 LAN 端口之一。打开路由器。
• 第 2 步：确保计算机上的所有 WiFi 都已断开连接。我在这方面遇到了很多问题。 (*)
• 第三步：打开浏览器，浏览“192.168.1.1”。这是我的路由器主页。您的路由器可能会有所不同。
• 第 4 步：登录（我的路由器默认登录名是“admin”作为用户名，“password”作为密码）
• 步骤 5：将 Windows PC 和微控制器板添加到表中。您必须先查找他们的 MAC 地址(**)：

2.1 断开所有 WiFi (*)
这应该是一个简单的步骤，但 Windows 使它变得困难。 Windows 可能非常顽固，并会自动重新连接到周围的 WiFi 网络，即使您取消选中了 自动连接 框！要强制 Windows 听你的，你可以使用 cmd 终端。打开具有管理员权限的 cmd 终端。接下来，键入以下命令以查看您的所有 WiFi 配置文件：

> netsh wlan show profiles

将以下命令应用于您的 PC 顽固连接到的那些 WiFi 配置文件：

> netsh wlan set profileparameter name="someWifiName" connectionmode=manual

现在您可以断开与该 WiFi 网络的连接，Windows 将不再自动重新连接。

2.2 查找您的 PC 的 MAC 地址 (**)
这就是我找到计算机 MAC 地址的方式。请记住，一台计算机可以有多个 MAC 地址。用于以太网端口的端口与用于无线连接的端口不同！在 Windows cmd 终端中键入 ipconfig /all。我得到以下输出：

# Note: this is the correct item!
# --------------------------------
Ethernet adapter Local Area Connection:

   Media State . . . . . . . . . . . : Media disconnected
   Connection-specific DNS Suffix  . :
   Description . . . . . . . . . . . : Intel(R) Ethernet Connection (2) I219-LM
   Physical Address. . . . . . . . . : C8-xx-xx-xx-xx-01   # Replaced some numbers by x for security :-)
   DHCP Enabled. . . . . . . . . . . : Yes
   Autoconfiguration Enabled . . . . : Yes

确保您查看的是连接列表中的正确项目。 Ethernet adapter Local Area Connection 对我的电脑来说是正确的，因为网卡描述符合预期：Intel(R) Ethernet Connection (2) I219-LM。之前，我在查看列表中的另一个项目，标记为Ethernet adapter Ethernet：

# Note: this is the wrong item!
# ------------------------------
Ethernet adapter Ethernet:

   Media State . . . . . . . . . . . : Media disconnected
   Connection-specific DNS Suffix  . :
   Description . . . . . . . . . . . : TAP-Windows Adapter V9
   Physical Address. . . . . . . . . : 00-xx-xx-xx-xx-F7
   DHCP Enabled. . . . . . . . . . . : No
   Autoconfiguration Enabled . . . . : Yes

先生。 Joel C（见下面他的回答）通知我该项目的网卡是TAP-Windows Adapter V9。显然这是一个虚拟网卡。这让我浪费了很多时间。感谢 Joel C 先生帮助我！
另请确保 DHCP Enabled 和 Autoconfiguration Enabled 已开启！

2.3 查找 Nucleo 板的 MAC 地址 (**)
我使用以下代码找到了我的 Nucleo 板的 MAC 地址：

#include "lwip-interface/EthernetInterface.h"

//1. Make an ethernet object
EthernetInterface eth;

//2. Try to connect
eth.connect();            // <- This line will not work now,
                          //    but at least it will help you to find out your
                          //    own MAC-address.

//3. Print the MAC-address
logger.printf("Controller MAC Address is: %s\r\n", eth.get_mac_address());

我通过串口得到的打印输出是（出于安全考虑，我用 x 替换了一些数字）：

Controller MAC Address is: 00:xx:xx:xx:xx:40

 

3.单片机代码

这是在微控制器上运行的代码。我的 main.cpp 文件的灵感来自于 Mbed-os 论坛 https://forums.mbed.com/t/udp-receive-with-nucleo-f767zi/1806 上的代码。

#include <string>
using std::string;
#include "mbed.h"
#include "lwip-interface/EthernetInterface.h"

static Serial logger(USBTX, USBRX);
static DigitalOut led1(LED1);

// IP addresses
#define IP_COMPUTER  "192.168.1.10"     // Make sure these IP addresses correspond to the
#define IP_NUCLEO    "192.168.1.20"     // table of 'reserved IP addresses' you have setup in
                                        // your routers DHCP server!

// Ethernet settings
const int PORT_T = 50000;
const int PORT_R = 50001;
EthernetInterface eth;

static void udp_tx_thread_func();
static void udp_rx_thread_func();
static Thread udp_tx_thread;
static Thread udp_rx_thread;


int main()
{
    // 1. Initialize the serial logger
    logger.baud(115200);
    logger.printf("\r\n\r\nApplication started\r\n");

    // 2. Initialize and start the UDP connection
    eth.connect();
    logger.printf("Controller MAC Address is: %s\r\n", eth.get_mac_address());
    logger.printf("Controller IP Address is:  %s\r\n", eth.get_ip_address());
    Thread::wait(200);

    udp_tx_thread.start(udp_tx_thread_func);
    udp_rx_thread.start(udp_rx_thread_func);



    while (true)
    {
        led1 = !led1;
        Thread::wait(500);
    }
}

//------------------ Ethernet --------------------------------------------------

static void udp_tx_thread_func()
{
    UDPSocket socket(&eth);
    SocketAddress sock_addr(IP_COMPUTER, PORT_T);
    static uint32_t out_buffer[3];


    while(true)
    {
        Thread::wait(100);

        // Send 3 values of 32-bit each
        out_buffer[0] = 150500;
        out_buffer[1] = 255300;
        out_buffer[2] = 54;


        int ret = socket.sendto(sock_addr, &out_buffer[0], 12);    // 3 values of 32-bit equals 12 bytes
        //logger.printf("sendto return: %d\r\n", ret);
    }
}

static void udp_rx_thread_func()
{
    UDPSocket socket(&eth);
    SocketAddress sock_addr;
    int bind = socket.bind(PORT_R);
    logger.printf("bind return: %d\n", bind);

    char buffer[256];
    while(true)
    {
        //logger.printf("\nWait for packet...\n");
        int n = socket.recvfrom(&sock_addr, buffer, sizeof(buffer));
        buffer[n] = '\0';
        //logger.printf("Packet from \"%s\": %s\n", sock_addr.get_ip_address(), buffer);

        Thread::wait(500);
    }

}

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4.结果

4.1 Wireshark 结果
在 Wireshark 中，我可以看到流入 Local Area Connection 的 UDP 数据包！万岁！

4.2 Python 代码
捕获 UDP 数据包的 python 代码如下所示：

import sys
import os
import socket
import dataprocessing.datastruct as datastruct


    def main():
        # 1. Configure the IP address
        # -----------------------------
        myAddr = ('192.168.1.10', 50000)

        # 2. Create a UDP socket
        # -----------------------
        sock = None
        try:
            sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
            sock.settimeout(1.5)
            sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
            sock.bind(myAddr)
            print('UDPsock @: ' + str(sock.getsockname()))
            sys.stdout.flush()

        except Exception as e:
            print('Could not bind to the UDP socket.')
            print(e)
            sys.stdout.flush()

        while (true):
            try:
                data, address = sock.recvfrom(256)  # buffer size is 256 bytes
                bytedata = bytearray(data)

                # Each 32-bit number is cut in 8-bit pieces. Bring them back together.
                value_01 = bytedata[0] + 256*bytedata[1] + 65536*bytedata[2] + 16777216*bytedata[3]
                value_02 = bytedata[4] + 256*bytedata[5] + 65536*bytedata[6] + 16777216*bytedata[7]
                value_03 = bytedata[8] + 256*bytedata[9] + 65536*bytedata[10] + 16777216*bytedata[11]

                print("Value 01: %d", value_01)
                print("Value 02: %d", value_02)
                print("Value 03: %d", value_03)

            except socket.error as err:
                print(err)

    if __name__== '__main__':
        print("")
        print("Start UDP catcher")
        print("-----------------")
        main()

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5.让 WIFI 和以太网共存

来自微控制器的 UDP 数据包流入您的以太网端口（通过路由器）。同时，您可能希望连接到某个 WiFi 网络以访问 Internet。问题是任何浏览器都会尝试通过您的以太网端口访问 - 忽略 WiFi。
解决方案是让您的浏览器首先尝试使用 WiFi 访问 IP 地址，然后再尝试通过以太网端口。这是通过控制面板中的“接口度量”完成的。稍微增加这个数字：

Answer 1

您标记为Ethernet 的连接实际上是一个TAP 连接（例如，虚拟以太网卡）。您的实际以太网连接标记为Local Area Connection；这就是您需要使用 Wireshark 等配置和观看的连接。

至于其他与 Mbed-OS 相关的事情，我个人没有处理过。