c++ - 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StackOverflow社区以及LinkedIn ARM小组的人员为我提供帮助！



1.系统概述

我的系统如下：

1.1单片机端


具有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电脑侧🖳


Windows 10（64位）。
可用的以太网端口（互联网通过WiFi，因此未使用此以太网端口）。
Wireshark查看微控制器是否实际发送了UDP数据包。它们的解释将在稍后的Python中完成。首先，我想在Wireshark中查看数据包。


1.3连接
最初，我将核子板直接连接到我的计算机，而没有涉及路由器或交换机。这种设置需要“静态IP配置”。我将配置PC的IP地址为“ 192.168.1.10”，将微控制器配置为“ 192.168.1.20”。我知道这是可行的，因为我之前使用PIC微控制器已经做到了。
但是这种情况有些不同。我在微控制器上运行了一个小的操作系统：mbed-os v5。该操作系统使用Lwip（轻量级IP堆栈）。尽管应该可以配置“静态IP地址”，但是该软件当前不支持该地址。可以在这里找到更多信息：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，因此需要DHCP服务器。微控制器连接到没有IP地址的网络，并广播带有以下问题的数据包：“我应在该网络上使用哪个IP地址？”。如果微控制器没有得到答案，它将多次广播该问题，并最终放弃。
如果网络上连接了DHCP服务器，它将收到问题并交出可用的IP地址。这就是您所需要的。提供这种DHCP服务器的方法有几种：


在Windows PC上安装DHCP服务器。这是使交换机和路由器不被看到的唯一方法。核子板直接连接到PC。当微控制器广播问题时，Windows PC会移交IP地址。之后，可以开始通信。
将Raspberry PI投掷到游戏中。 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。家用路由器具有内置的DHCP服务器。将Windows PC和Nucleo板连接到此路由器的LAN端口。


我决定去第三个选择。下图显示了到我的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，将“ 192.168.1.3”分配给第二个设备，依此类推，一直到“ 192.168.1.254”。但这有点问题。 PC和微控制器如何相互知道IP地址？也许有更聪明的解决方案，但是我已经想出了以下方法。
每个DHCP服务器都有一个带有“保留的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，无论何时该设备要求IP地址，DHCP服务器都会在表中查找并移交给您配置的地址。但是DHCP服务器如何识别设备？它可以通过其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。
这是我将Windows PC和微控制器添加到表中的方式：


步骤1：将计算机连接到路由器的LAN端口之一。打开路由器。
步骤2：确保计算机上的所有WiFi都已断开连接。我遇到了很多问题。 （*）
步骤3：打开浏览器，然后浏览到“ 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（我的路由器的默认登录名是“ admin”，用户名是“ password”）
步骤5：将Windows PC和微控制器板添加到表中。您必须先查找其MAC地址（**）：




2.1断开所有WiFi（*）
这应该是一个简单的步骤，但是Windows使它变得困难。 Windows可能非常顽固，即使您未选中自动连接框，它也会自动重新连接到周围的WiFi网络！要强制Windows收听您的声音，可以使用cmd终端。使用管理员权限打开一个cmd终端。接下来，键入以下命令以查看所有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WiFi配置文件：

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

现在您可以断开该WiFi网络的连接，Windows将不再自动重新连接。

2.2找出您的PC的MAC地址（**）
这就是我找到计算机的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将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

确保您在连接列表中查找正确的项目。 Ethernet adapter Local Area Connection是我的计算机上正确的计算机，因为网卡说明符合预期： Intel(R) Ethernet Connection (2) I219-LM。在此之前，我正在查看列表中的另一项，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

Joel C先生（请参阅下面的答案）通知我，该物品的网卡为 TAP-Windows Adapter V9。显然，这是一个虚拟网卡。那使我浪费很多时间。谢谢Joel C先生帮助我！
还请确保已启用“ DHCP启用”和“自动配置启用”！

2.3找出您的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());

我通过串行端口获得的打印输出是（为了安全起见，我用x替换了一些数字）：

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

3.微控制器代码

这是在微控制器上运行的代码。我的 main.cpp文件是从Mbed-os论坛上的 https://forums.mbed.com/t/udp-receive-with-nucleo-f767zi/1806上找到的代码启发的。

#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);
    }

}

4.结果

4.1 Wireshark结果
在Wireshark中，我可以看到 Local Area Connection上流入的UDP数据包！哈雷！

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()

5.让WIFI与以太网共存

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，您可能需要连接到某些WiFi网络以进行互联网访问。问题在于，任何浏览器都将尝试通过您的以太网端口进行访问-忽略了WiFi。
解决方案是让您的浏览器首先尝试使用WiFi到达IP地址，然后再次尝试通过以太网端口。这是通过“控制面板”中的“接口指标”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TAP连接（例如，虚拟以太网卡）。您实际的以太网连接标记为Local Area Connection；这是您需要使用Wireshark等进行配置和监视的连接。

至于与Mbed-OS相关的其他一切，我个人还没有处理过。