README.md · gc0094/rk3399 USB RNIDS gagnet实战

# rk3399 USB RNIDS/gagnet实战

任务目的：实现开发基于rk3399开发板的usb虚拟网卡功能。

任务描述：开发基于rk3399开发板的cartographer激光SLAM建图模块，需要定制价格最低、最小化的rk3399开发板，删除板上以太网卡和无线网卡，在不改变网络通讯程序的基础上，使用usb虚拟网卡进行数据传输。因此需要实现满足以上要求的最低价解决方案。

## 1. 现有解决方案对比分析

经过调研，发现AX88179和RTL8153（USB转网口芯片）两种方法能满足任务要求。本报告中的数据来源于[AX88179](https://www.asix.com.tw/products.php?op=pItemdetail&PItemID=131;71;112)和[RTL8153官方文档](https://www.realtek.com/en/products/communications-network-ics/item/rtl8153)

### 1.1 基本参数

| 项目名                                | AX88179                                        | RTL8153           |
| ------------------------------------- | ---------------------------------------------- | ----------------- |
| 传输速率                              | 10/100/1000Mbps                                | 10/100/1000Mbps   |
| USB支持                               | USB 3.0\2.0\1.1                                | USB 3.0\2.0\1.1   |
| 支持协议                              | IPv4(IP/TCP/UDP/ICMP/IGMP)IPv6(TCP/UDP/ICMPv6) | IPv4/IPv6/TCP/UDP |
| 电源管理（不同方式）                  | 支持                                           | 支持              |
| Crossover Detection & Auto-Correction | 包含                                           | 包含              |
| Wake-on-LAN                           | 支持                                           | 支持              |
| IEEE 802.3x  | 兼容                                   | 兼容                      |
| IEEE 802.3   | 兼容                                   | 兼容                      |
| IEEE 802.3u  | 兼容                                   | 兼容                      |
| IEEE 802.3ab | 兼容                                   |                           |
| IEEE 802.1P  | Layer 2 Priority Encoding and Decoding | Layer 2 Priority Encoding |
| IEEE 802.1Q  | VLAN tagging and 2 VLAN ID filtering   | VLAN tagging              |
| IEEE 802.3az | 兼容                                   | IEEE 802.3az-2010         |

### 1.2 电源管理

**AX88179**

Advanced Power Management Features

- Supports power management offload (ARP & NS)
- Supports dynamic power management to reduce power dissipation during idle or light trafficUSB转网口芯片
- Supports AutoDetach power saving
- Supports advanced link down power saving when Ethernet cable is unplugged

**RTL8153**

Intel CPPM (Converged Platform Power Management)

- Supports L1 with 3ms BESL (USB 2.0)
- Dynamic LTM messaging (USB 3.0)
- Supports U1/U2 (USB 3.0)
- Supports selective suspend

对比小结：两种USB转网口的芯片在大体的功能上没有很大的区别。相关功能从参数上来说较为一致。但部分功能如电源管理实现方式不同。由于USB转网卡芯片方案需要在开发板上集成网卡芯片，增大了开销和工作难度，因此我们选择AX88179方案。

**本小节参考文档**

1. [AX88179官方文档](https://www.asix.com.tw/products.php?op=pItemdetail&PItemID=131;71;112)
2. [RTL8153官方文档](https://www.realtek.com/en/products/communications-network-ics/item/rtl8153)

## 2. USB OTC模式

[RK3399-USB模块中的控制器和PHY](https://blog.csdn.net/kris_fei/article/details/80893535)中提到的RK3399的USB OTG配置如下

1. 接到USB2.0 PHY实现USB2.0 OTG的兼容。
2. 接到TypeC PHY实现USB3.0 OTG。
3. xHCI Host Controller实现Host功能
4. DWC3实现Device模式功能

USB3.0 OTG具有USB3.0 OTG功能，且向下兼容USB2.0 OTG功能，理论传输速率为5Gbps。USB3.0 HOST控制器为XHCI，集成于DWC3 OTG IP中，不用单独配置dts，只需要配置DWC3，并且设置DWC3的dr_mode属性为OTG，即可以enable XHCI控制器。

```
dr_mode = “otg”
```

或者

```
dr_mode = “host”
```

USB3.0 OTG使用Synopsys方案，即XHCI扩展的DWC3控制器，Host功能在XHCI框架下实现，而Device功能由DWC3扩展部分实现。

配置说明见`Documentation/devicetree/bindings/usb/dwc3-rockchip.txt`

Driver代码路径如下

1. drivers/usb/dwc3/*
2. drivers/usb/host/xhci*

`drivers/usb/dwc3` 目录下的文件主要包括厂商引导驱动，Host Device通用DWC3控制器驱动和Device驱动，其中 文件名带厂商名字的为产商引导驱动，RK驱动文件名为dwc3-rockchip.c，core.c是DWC3控制器核心驱动，负责 加载XHCI驱动初始化XHCI控制器、加载Device驱动和初始化DWC3 Device控制器，gadget.c是DWC3 Device驱动 文件，主要实现控制器相关的Device初始化、中断处理和数据传输等功能。

### 2.1  USB OTC在Linux下的实现方法

参考文档：

1. [OTG口在Linux的使用(H3)](http://git.linux-sunxi.cn/osi/orangepi/kai-shi-ru-keng/otgkou-zai-linux-de-shi-752828-h3.html)
2. [SEP6200平台上Linux内核的USB OTG驱动设计](https://www.ixueshu.com/document/f21b7d05519c5911237132d7bd1a8317318947a18e7f9386.html)

主要提供的实现方法如下： ![img](https://gitee.com/mr7_jacky/usb-otc-vs-vnc/raw/master/src/usb-otg.png)

最大带宽 = 5Gbps

**实现方法**

参考[让Linux支持usb虚拟网卡](https://blog.csdn.net/qq_31878855/article/details/80742593)

USB作为device端插入PC，在PC中会出现对用的SUB虚拟网卡，可以像普通网卡一样传递数据，socket编程。

**1. 需求**

Linux下支持usb虚拟网卡，需要Linux内核支持UDC（usb 设备控制器）驱动和 Ethernet Gadget （ CDC Ethernet ）驱动，cdc是usb的设备通讯类，Ethernet Gadget 驱动支持将多个以太网帧分组为一个USB传输。平台还需要支持rndis（Remote Network Driver Interface Specification），基于USB实现RNDIS实际上就是TCP/IP over USB，就是在USB设备上跑TCP/IP，让USB设备看上去像一块网卡。

**2. 步骤**

1. 首先关闭USB的host功能，打开usb gadget功能。
2. 进入到USB gadget support，打开USB Peripheral Controller，Anyka usb device Port， udc driver support(usb-otg)对应平台的UDC设备控制，让USB控制器运行在device模式。
3. 打开Ethernet Gadget 和RNDIS驱动支持。
4. 编译最后生成两个ko。udc.ko和g_ether.ko。
5. 将两个ko放入文件系统烧录到板上并加载ko，先加载udc.ko再加载g_ether.ko。
   - insmod /usr/modules/udc.ko
   - insmod /usr/modules/g_ether.ko
6. 启动网卡 ifconfig usb0 192.168.0.1 up (IP地址随意)
7. 插入电脑 出现如下设备，该设备为usb虚拟网卡。
8. 配置IP为同一网段，互ping。

## 3. rk3399 USB RNIDS/gagnet实战

### 3.1 开发环境

开发板：     toybrick rk3399proD

操作系统： Ubuntu 18.04

这方面的教程少之又少，在本人无数次踩坑下终于搞定。感兴趣的小伙伴可以打开[官方教程链接](http://t.rock-chips.com/wiki.php?mod=view&id=26)体验下想找教程却没有教程然后砸电脑未遂的心情。

### 3.2 实现原理

在toybrick rk3399prod里面，Linux kernel和rootfs（根文件系统）是分开地址存放的，rootfs是在kernel之上运行的。Linux下所有的驱动和最基础的指令都存放在kernel里面，各个厂商根据自己的特性在kernel上开发自己的操作系统（例如fedora和ubuntu）。这款板子可以在不用重新编译内核的情况下更换操作系统，本文讲解如何编译驱动到kernel里面，支持多种操作系统。
我用的rootfs链接(ubuntu)：[百度云网盘提取码：q9my](https://pan.baidu.com/s/1qU5noFQWEZ_M3hlIlAlcAA)

### 3.3 编译过程

首先，rk3399pro是A53+A7的芯片，需要特殊的gcc编译器，然后再编译。

```bash
git clone https://github.com/friendlyarm/prebuilts.git -b master --depth 1
cd prebuilts/gcc-x64
cat toolchain-6.4-aarch64.tar.gz* | sudo tar xz -C /
```

然后再编辑你的.bashrc，把下面的东西加到`～/bashrc`的底部。

```bash
export PATH=/opt/FriendlyARM/toolchain/6.4-aarch64/bin:$PATH
export GCC_COLORS=auto
```

接下来，需要下载linux-kernel源码，由于官方给的源码太多坑，我把自己修改后的直接上传到gitee供国人下载，方便快捷。

```bash
git clone -b kernel-joybrick https://gitee.com/harryzhangabc/ros_bridge-and-catographer-setup.git
```

这里介绍下如何给驱动添加USB RNIDS/gagnet网络功能。

```bash
cd /path/to/your/ros_bridge-and-catographer-setup/dir/
make menuconfig
```

然后把下面的几个选项操作成如下方式

```
<M>   USB Gadget Drivers
<M>     USB functions configurable through configfs
<M>     Ethernet Gadget (with CDC Ethernet support)
[*]       RNDIS support (NEW)
```

接着在该目录下编译内核。

```bash
./make.sh linux prod
```

编译完成后会生成boot_linux.img文件，把这个文件烧入到3399pro对应的区域中[烧写教程](http://t.rock-chips.com/wiki.php?mod=view&id=14)，只要烧这个文件，其他的都不用管。
当然你想偷懒的话可以用我编译好的:D[百度网盘提取码:pt7p](https://pan.baidu.com/s/1xrQr29kcJ-dr1g5A8dfVOg)
最后看下你编译好的文件，有几个驱动模块文件需要手动复制到3399pro里面手动加载

```
drivers/usb/gadget/function/u_ether.ko
drivers/usb/gadget/function/usb_f_ecm_subset.ko
drivers/usb/gadget/function/usb_f_ecm.ko
drivers/usb/gadget/function/usb_f_rndis.ko
drivers/usb/gadget/legacy/g_ether.ko
drivers/usb/gadget/libcomposite.ko
```

然后在设备上，依次加载上述模块

```
insmod libcomposite.ko
insmod u_ether.ko
insmod usb_f_rndis.ko
insmod usb_f_ecm.ko
insmod usb_f_ecm_subset.ko
insmod g_ether.ko
```

注意： 要先加载 libcomposite.ko 和 u_ether.ko，后面的模块才可以加载进去。

**IP地址设置**

用数据线连接 PC 机和设备的 OTG 接口，在 PC 机中执行 lsusb 命令可以查看到 USB 以太网设备，即说明连接成功。

```bash
firefly@Desktop:~$ lsusb
Bus 002 Device 003: ID 09da:5814 A4Tech Co., Ltd.
Bus 002 Device 002: ID 8087:0024 Intel Corp. Integrated Rate Matching Hub
Bus 002 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub
Bus 001 Device 005: ID 04f2:b2ea Chicony Electronics Co., Ltd Integrated Camera [ThinkPad]
Bus 001 Device 004: ID 0a5c:21e6 Broadcom Corp. BCM20702 Bluetooth 4.0 [ThinkPad]
Bus 001 Device 003: ID 147e:1002 Upek Biometric Touchchip/Touchstrip Fingerprint Sensor
Bus 001 Device 002: ID 8087:0024 Intel Corp. Integrated Rate Matching Hub
Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub
Bus 004 Device 001: ID 1d6b:0003 Linux Foundation 3.0 root hub
Bus 003 Device 003: ID 0525:a4a2 Netchip Technology, Inc. Linux-USB Ethernet/RNDIS Gadget
Bus 003 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub
```

**在设备中 IP 的设置**

输入执行 ifconfig -a 命令，可以查看到以下信息：

```bash
root@firefly:~# ifconfig -a

# eth0 是有线网卡
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 168.168.100.48  netmask 255.255.0.0  broadcast 168.168.255.255
        inet6 fe80::1351:ae2f:442e:e436  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 8a:4f:c3:77:94:ac  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 9759  bytes 897943 (897.9 KB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 236  bytes 35172 (35.1 KB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
        device interrupt 42  base 0x8000

...

# usb0 是虚拟的 usb 网卡
usb0: flags=4098<BROADCAST,MULTICAST>  mtu 1500
        ether 4a:81:b1:34:d2:ad  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
```

然后给 usb0 网卡自定义一个适当的 IP，注意要设置 usb0 的 IP 和有线网卡 eth0 的 IP 不在同一网段！！

```bash
ifconfig usb0 192.168.1.101
```

ubuntu下的IP设置如下

```bash
# 先查看 USB 虚拟网卡
firefly@Desktop:~$ ifconfig
enp0s20u2i1: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.2.90  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.2.255
        inet6 fe80::871c:b87e:1327:7fd4  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 46:fe:6e:97:ee:a6  txqueuelen 1000  (以太网)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 1  bytes 54 (54.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
...

# 设置 USB 网卡的 IP 地址和设备的 usb0 的 IP 地址在同一网段
firefly@Desktop:~$ sudo ifconfig enp0s20u2i1 192.168.1.100

#设置默认网关：要设置为设备 usb0 的 ip 地址，因为后面要通过 usb0 来进行流量的转发
firefly@Desktop:~$ sudo route add default gw 192.168.1.101
```

设置完设备和 PC 机的 IP 后，互相是可以 ping 通的，PC 机也可以用 ssh 命令登录到设备。

配置过程中要注意以下几点：
1. 对应好上述步骤中自己设备上的各个 IP 地址,注意设备上的 USB 虚拟网卡 IP 和有线网络 IP 不在同一网段;
2. PC 机虚拟 USB 网卡的网关要设置为设备虚拟 USB 网卡的 IP 地址;
3. 设备上的虚拟网卡 IP 地址、IP 转发功能、流量转发规则等设置会在设备重启后恢复，然后大家可以自行查找资料如何开机自动设置这些配置。

### 4. 参考链接

1. USB 以太网设置 http://wiki.t-firefly.com/zh_CN/Firefly-RK3399/ubuntu_manual.html#usb-yi-tai-wang 
2. 如何烧写固件 http://t.rock-chips.com/wiki.php?mod=view&id=14
3. 编译 FriendlyCore/FriendlyDesktop/Lubuntu/EFlasher的内核源代码 http://wiki.friendlyarm.com/wiki/index.php/NanoPC-T4/zh

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