微波設(shè)備網(wǎng)管系統(tǒng)中Web設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李維花，李 哲，李宥謀

（西安郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710121）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和普及，采用Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)已經(jīng)成為網(wǎng)管系統(tǒng)不可缺少的一部分。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)也逐漸發(fā)展成為計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用的一個(gè)新領(lǐng)域，具有功能強(qiáng)大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高和結(jié)構(gòu)靈巧等優(yōu)點(diǎn)?；谇度胧絎eb的遠(yuǎn)程網(wǎng)管系統(tǒng)，通過Web方式實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端與客戶端的跨平臺(tái)信息交互。目前微波傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理采用基于Web的遠(yuǎn)程網(wǎng)管系統(tǒng)代理的研究和應(yīng)用很少。本文是以ARM7處理器系統(tǒng)為硬件開發(fā)平臺(tái)，在μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用嵌入式Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)微波傳輸系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，使系統(tǒng)具有靈活性、可擴(kuò)展性和通用性[1]。

1 開發(fā)背景

微波通信是一種利用微波傳輸信息的通信手段，數(shù)字微波采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，利用微波信道傳輸數(shù)字信號(hào)[2]。而微波設(shè)備網(wǎng)管系統(tǒng)就是采用微波通信的方式傳輸數(shù)據(jù)，圖1給出了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

該系統(tǒng)分為管理站和被管對(duì)象，其中被管對(duì)象為微波鏈路的設(shè)備，每一個(gè)微波鏈路包括2個(gè)端站，每個(gè)端站含室內(nèi)單元IDU和室外單元ODU，這兩個(gè)單元通過同軸電纜連接，站內(nèi)設(shè)備通過網(wǎng)線（雙絞線）連接，站間設(shè)備通過微波鏈路連接。室內(nèi)單元安裝在機(jī)柜里或門架上，室外單元和天線被安裝在室外的鐵塔或高建筑物上。在室內(nèi)單元IDU的面板上，留有RJ-45接口，方便計(jì)算機(jī)接入對(duì)微波設(shè)備進(jìn)行管理和控制。該系統(tǒng)另外一部分為管理站，即圖1中的PC，管理站內(nèi)嵌瀏覽軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)Web方式（即采用網(wǎng)頁瀏覽的方式通過IP地址遠(yuǎn)程訪問這條鏈路上所接入的設(shè)備）對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理和維護(hù)，即查看設(shè)備參數(shù)、設(shè)置設(shè)備參數(shù)和接收告警信息等。PC機(jī)與IDU通過SNMP協(xié)議通信，不同站點(diǎn)之間的IDU通過ODU之間連接的微波鏈路傳輸信息。IDU內(nèi)部由兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，使用的CPU分別為L(zhǎng)PC2214、SmartARM2200，前者主要運(yùn)行監(jiān)控程序，后者運(yùn)行代理程序，即嵌入式Web服務(wù)器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理。二者通過自定義的串口通信協(xié)議完成信息的交換[3]。

在微波網(wǎng)絡(luò)中，通過在管理站和被管對(duì)象之間采用TCP/IP協(xié)議傳輸網(wǎng)管信息，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的路由選擇，采用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP），實(shí)現(xiàn)微波設(shè)備各參數(shù)的監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)管理站對(duì)被管對(duì)象的遠(yuǎn)程訪問和控制。

1.1 硬件平臺(tái)

對(duì)Web進(jìn)行管理的硬件設(shè)計(jì)主要采用周立功ARM7的SmartARM2200，開發(fā)板帶有多種的存儲(chǔ)資源（PSRAM、NAND Flash、NOR Flash和 EPROM），具有一個(gè) 10 MB的 RTL8019AS作為以太網(wǎng)接口，2個(gè)串口，并支持μC/OS-Ⅱ和μCLinux操作系統(tǒng)。CPU采用32位ARM7芯片LPC2210FBD，其接口豐富。

1.2 軟件環(huán)境

移植μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，移植lwip輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議棧，使其在SmartARM2200開發(fā)板上運(yùn)行，采用C語言編寫Web服務(wù)器軟件。軟件調(diào)試使用ADS1.2集成仿真環(huán)境，使用相應(yīng)的工程模板。在調(diào)試過程中選用DebugInExRam模式進(jìn)行調(diào)試，軟硬件調(diào)試完成，可選用RelInChip模式燒寫，后一種燒寫方式會(huì)加密芯片，使之無法二次燒寫。如果加密之后需要重新燒寫芯片，就必須使用ISP進(jìn)行解密之后方可燒寫。軟件總體分為應(yīng)用程序、μC/OS-Ⅱ和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議驅(qū)動(dòng)3部分。

1.3 μC/OS-Ⅱ特點(diǎn)

μC/OS-Ⅱ是一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它的絕大部分源碼是用ANSI C編寫，只有一小部分與處理器密切相關(guān)的代碼使用匯編語言編寫，μC/OS-Ⅱ包括3部分，即核心代碼、配置代碼和移植代碼，具有可移植性。μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級(jí)的可剝奪型內(nèi)核，系統(tǒng)中的所有任務(wù)都有一個(gè)唯一的優(yōu)先級(jí)別和自己?jiǎn)为?dú)的任務(wù)棧。絕大多數(shù)μC/OS-Ⅱ的函數(shù)調(diào)用和服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有可確定性，并且μC/OS-Ⅱ還具有可裁剪、穩(wěn)定性和可靠性等特點(diǎn)[4]。

2 嵌入式Web組成

2.1 HTTP協(xié)議簡(jiǎn)介

HTTP協(xié)議（Hypertext TransferProtocol，超文本傳輸協(xié)議）是用于傳送WWW方式的數(shù)據(jù)，也是用于從Web服務(wù)器傳輸超文本到本地瀏覽器的傳送協(xié)議。HTTP協(xié)議采用了請(qǐng)求/響應(yīng)模式?？蛻舳讼蚍?wù)器發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，請(qǐng)求頭包含請(qǐng)求的方法、URI、協(xié)議版本、以及包含請(qǐng)求修飾符、客戶信息和內(nèi)容的類似于MIME的消息結(jié)構(gòu)。服務(wù)器用一個(gè)狀態(tài)行作為響應(yīng)，相應(yīng)的內(nèi)容包括消息協(xié)議的版本，成功或者錯(cuò)誤編碼加上包含服務(wù)器信息、實(shí)體元信息以及可能的實(shí)體內(nèi)容。通常HTTP消息包括客戶端向服務(wù)器的請(qǐng)求消息和服務(wù)器向客戶端的響應(yīng)消息。這兩種類型的消息由1個(gè)起始行、1個(gè)或者多個(gè)頭域、1個(gè)指示頭域結(jié)束的空行和可選的消息體組成。它可以使瀏覽器更加高效，使網(wǎng)絡(luò)傳輸量減少，不僅保證了計(jì)算機(jī)正確快速地傳輸超文本文檔，還確定傳輸文檔的內(nèi)容首先顯示（如文本先于圖形）等。這就是為什么在瀏覽器中看到的網(wǎng)頁地址都是以"http://"開頭的原因[5]。

2.2 HTTP協(xié)議的請(qǐng)求/響應(yīng)模式

HTTP協(xié)議的請(qǐng)求/響應(yīng)模式是：客戶端發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求給服務(wù)器，服務(wù)器接到請(qǐng)求后，給予相應(yīng)的響應(yīng)信息。HTTP服務(wù)器運(yùn)行時(shí)，一直在TCP80端口（系統(tǒng)默認(rèn)）監(jiān)聽，等待連接的出現(xiàn)。一般一個(gè)信息的交換要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟:首先通過申請(qǐng)?zhí)捉幼謥斫⑦B接，其次客戶端向服務(wù)器端發(fā)送請(qǐng)求，然后服務(wù)器端處理完客戶端的請(qǐng)求后，給客戶端發(fā)送響應(yīng)信息，最后通過關(guān)閉套接字來結(jié)束對(duì)話。HTTP協(xié)議具體的請(qǐng)求響應(yīng)過程：

1）用戶在瀏覽器的地址欄中輸入要訪問的頁面地址并回車觸發(fā)這個(gè)申請(qǐng)。Web瀏覽器將用戶輸入的URL分解，從中提取有用的信息。例如:當(dāng)用戶輸入http://202.117.132.174/時(shí)，將其分解后，Web瀏覽器得到如下信息:使用超文本傳輸協(xié)議（HTTP）從一臺(tái) IP地址為202.117.132.174的 Internet主機(jī)（或服務(wù)器）上的某個(gè)目錄下獲取一個(gè)名為login.html的文件。

2）當(dāng)用戶輸入域名時(shí)，例如：www.baidu.com Web瀏覽器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置查詢Internet上的域名服務(wù)器（DomainName Server）來獲取相應(yīng)的IP地址。域名服務(wù)器上有一個(gè)數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)了許多Internet服務(wù)器的域名及其相應(yīng)的IP地址。在這里www.baidu.com對(duì)應(yīng)的IP地址是202.108.22.5。

3）Web瀏覽器取得IP地址后，使用所獲取的IP地址與相應(yīng)的諸如lighthttpd的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行通信來確認(rèn)Web服務(wù)器是否處于可用狀態(tài)。所用的通信協(xié)議為超文本傳輸協(xié)議。

4）當(dāng)服務(wù)器處理完瀏覽器請(qǐng)求后，即向?yàn)g覽器發(fā)出相應(yīng)的文件請(qǐng)求（某個(gè)目錄下的login.html文件）。服務(wù)器收到請(qǐng)求后即檢查該目錄下的指定文件，根據(jù).html或.htm的后綴意識(shí)到這是HTML文件。若該HTML文件存在則發(fā)送該文件，否則發(fā)送文件未找到的回應(yīng)信息。

5）當(dāng)所要求的文件（login.html）到達(dá)瀏覽器后，瀏覽器開始解碼。若瀏覽器發(fā)現(xiàn)其中有嵌入對(duì)象信息時(shí)，如嵌入的圖像，則向服務(wù)器發(fā)送圖像文件請(qǐng)求信息（image.gif），服務(wù)器收到圖像文件請(qǐng)求信息后，開始查找相應(yīng)的文件，找到后即發(fā)送該文件。對(duì)于超文本文件中的每一個(gè)嵌入對(duì)象，這個(gè)過程將被重復(fù)一次。當(dāng)所有的對(duì)象都傳送完畢后，此時(shí)瀏覽器中就會(huì)有一個(gè)完整的超文本頁面展現(xiàn)在用戶面前。

從以上過程可以看出，一個(gè)超文本頁面的獲取并非通過瀏覽器與服務(wù)器之間的一次突發(fā)的通信完成的，而是通過瀏覽器與服務(wù)器之間的多次交互來完成的。盡管上述過程看起來比較復(fù)雜，但它并不占用大量的計(jì)算機(jī)資源，不會(huì)影響使用計(jì)算機(jī)同時(shí)處理其他。

3 嵌入式Web在系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

3.1 微波設(shè)備網(wǎng)管系統(tǒng)的Web體系結(jié)構(gòu)

微波設(shè)備網(wǎng)管系統(tǒng)的Web是基于B/S模式的，系統(tǒng)的管理目標(biāo)包括鏈路的傳輸容量、IDU的序列號(hào)、ODU的序列號(hào)、ODU的工作頻段、ODU的發(fā)射功率等。微波設(shè)備服務(wù)器采用嵌入式技術(shù)，通過Web方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)器端與客戶端的信息交互?？蛻舳耸褂脼g覽器對(duì)微波設(shè)備進(jìn)行管理，通信采用的是TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

本刊訊（記者 張麗鳳）為全面貫徹習(xí)近平總書記脫貧攻堅(jiān)重要指示精神，深入落實(shí)省委省政府打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃，更好地完成省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳產(chǎn)業(yè)扶貧任務(wù)，12月8～9日，由河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蛋肉雞創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席辦主辦，蛋雞高效養(yǎng)殖崗、肉雞高效養(yǎng)殖崗、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)崗承辦的河北省蛋肉雞產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系扶貧工作座談會(huì)在石家莊召開。

為了便于管理遠(yuǎn)程的微波設(shè)備，通過Internet建立Web服務(wù)器，然后對(duì)一級(jí)一級(jí)的微波設(shè)備站建立相應(yīng)的代理服務(wù)，再在這些微波設(shè)備上建立相應(yīng)的Web服務(wù)。具體的通信過程為：接入Internet的Web服務(wù)器響應(yīng)客戶端發(fā)送的信息，通過64 KB的通信信道傳送，微波設(shè)備站通過代理查看是不是總站向自己發(fā)送的信息，如果不是就向下一級(jí)傳送，是則開始查看是給哪個(gè)部件發(fā)送的信息。

3.2 嵌入式Web的Socket通信

基于B/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，用戶需要通過瀏覽器管理遠(yuǎn)程設(shè)備。對(duì)于微波設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控中的Socket通信有2種信息:一種是查看微波設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，要求快速和高效，因此采用無連接的UDP Socket通信;另一種是微波設(shè)備參數(shù)信息，要求高可靠性和安全性，因此采用面向連接的TCP Socket通信。客戶端可根據(jù)微波設(shè)備的IP地址建立TCP連接，由控制設(shè)備監(jiān)聽這個(gè)連接請(qǐng)求，若連接成功，則接收客戶端發(fā)送的設(shè)備參數(shù)設(shè)定值。編寫TCP通信任務(wù)時(shí)分為服務(wù)器和客戶機(jī)2種方式。前者需要監(jiān)聽連接，只有在與客戶機(jī)建立連接后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。后者是主動(dòng)連接服務(wù)器，也是在連接成功后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖3為TCP通信時(shí)服務(wù)器端和客戶機(jī)端通信的函數(shù)應(yīng)用過程[6]。

服務(wù)器端主函數(shù)的工作過程：初始化μC/OS-Ⅱ，創(chuàng)建TCP/IP初始化任務(wù)，硬件資源的初始化 （設(shè)置網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)，RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片的初始化， 初始化 ARP、TCP、UDP），啟動(dòng)μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)，創(chuàng)建服務(wù)器任務(wù)，進(jìn)入服務(wù)器。

3.3 處理HTTP協(xié)議頭

圖3 TCP通信時(shí)SOCKET API函數(shù)的應(yīng)用Fig.3 Application of SOCKET API function when TCP communicated

HTTP協(xié)議頭包括一個(gè)起始行、零個(gè)或多個(gè)消息頭域、一個(gè)標(biāo)示頭域結(jié)束的實(shí)體行和一個(gè)可能存在的消息體。本程序主要解析協(xié)議頭的起始行，這種處理思路也符合嵌入式系統(tǒng)硬件對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度要求。請(qǐng)求方式?jīng)Q定了對(duì)請(qǐng)求URL所指定的資源進(jìn)行操作的方式，GET方法讀取URL指定的資源，一般用來向服務(wù)器傳輸少量且透明的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總量被限制在255個(gè)字符以內(nèi)，而POST方法可傳輸大量數(shù)據(jù)，與HTML的表單特性相配合以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)交互控制。當(dāng)建立連接開始時(shí)，客戶端發(fā)送GET請(qǐng)求方法給服務(wù)器端，以訪問服務(wù)器端的網(wǎng)頁。POST作為請(qǐng)求方法時(shí)，首先和Web服務(wù)器建立連接，成功后瀏覽器將HTML表單中的值發(fā)送給Web服務(wù)器，服務(wù)器端的程序通過判斷用戶的信息來確定是否讓其進(jìn)入系統(tǒng)主頁面。在每次連接成功后，服務(wù)器端程序會(huì)返回以狀態(tài)碼200開頭的響應(yīng)消息，消息的起始行為：HTTP/1.1 200 OK。當(dāng)用戶請(qǐng)求一個(gè)服務(wù)器端不存在的文件時(shí)，服務(wù)器返回以狀態(tài)碼404開頭的響應(yīng)消息。

HTTP的請(qǐng)求報(bào)文（實(shí)測(cè)）：

1）一般的POST請(qǐng)求報(bào)文

3.4 HTTP協(xié)議的解析

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，增加數(shù)據(jù)安全性，在網(wǎng)頁中加入基本認(rèn)證機(jī)制。當(dāng)客戶端請(qǐng)求受基本認(rèn)證機(jī)制保護(hù)的網(wǎng)頁時(shí)，服務(wù)器端即要求用戶認(rèn)證，只有認(rèn)證成功，瀏覽器才能獲得正確的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)。HTTP1.1支持基本認(rèn)證機(jī)制，允許服務(wù)器在返回Web之前要求用戶輸入正確的用戶名和密碼。因此，為了在不增加嵌入式Web服務(wù)器硬件配置、消耗過多資源的前提下提高系統(tǒng)的安全性，在微波網(wǎng)管Web服務(wù)器程序中加入了基本認(rèn)證機(jī)制。

當(dāng)客戶端請(qǐng)求受基本認(rèn)證機(jī)制保護(hù)的Web頁時(shí)，服務(wù)器要求用戶認(rèn)證，或證明自己獲得了接收資源的授權(quán)。服務(wù)器完成這項(xiàng)工作的方法是，返回一個(gè)帶40狀態(tài)碼的HTTP頭和一個(gè)指定所需認(rèn)證類型的Web認(rèn)證字段。收到請(qǐng)求基本認(rèn)證的消息頭后，客戶端的瀏覽器會(huì)顯示一個(gè)窗口，要求輸入正確的用戶名和密碼。用戶輸完所要求的信息并單擊OK按鈕后，瀏覽器發(fā)送包含用戶名和密碼的認(rèn)證請(qǐng)求，該請(qǐng)求采用POST的請(qǐng)求方法。如果用戶名和密碼正確，則進(jìn)入系統(tǒng)主頁面；否則，服務(wù)器返回以狀態(tài)碼404為起始行的響應(yīng)消息。

3.5 嵌入式Web服務(wù)器測(cè)試

首先完成將嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ移植到SmartARM2200開發(fā)板上，其次將精簡(jiǎn)了的TCP/IP協(xié)議棧移植到該操作系統(tǒng)中，并在其上加上嵌入式Web服務(wù)器，這部分主要工作是對(duì)TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，對(duì)SmartARM2200開發(fā)板上的RTL8019AS網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動(dòng)代碼進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使之適用于上層軟件。最后在ADS集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯和調(diào)試，使用網(wǎng)線和并口線將SmartARM2200開發(fā)板與PC相連接，使用H-JTAG進(jìn)行燒寫。運(yùn)行程序，由于Web服務(wù)器不能主動(dòng)發(fā)送告警信息，所以只能通過客戶端請(qǐng)求查看，因此在IE瀏覽器的地址欄中輸入http://202.117.132.174/，進(jìn)行Web服務(wù)器的測(cè)試，進(jìn)入登錄界面，輸入用戶名和密碼經(jīng)過用戶認(rèn)證后，彈出設(shè)備狀態(tài)指示的頁面，直觀顯示告警信息，如圖4所示。通過網(wǎng)頁直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行基本信息的查詢、設(shè)置，以及實(shí)時(shí)反應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)信息。

4 結(jié) 論

以微波設(shè)備網(wǎng)管系統(tǒng)為背景，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器管理模型，該模型基于TCP/IP通信協(xié)議以及HTTP協(xié)議，實(shí)用性強(qiáng)，便于移植推廣。利用嵌入式的Web技術(shù)使該網(wǎng)管系統(tǒng)控制管理遠(yuǎn)程設(shè)備更加方便，提高了系統(tǒng)的通用性和可維護(hù)性，并為設(shè)備的遠(yuǎn)程配置管理和系統(tǒng)維護(hù)帶來便利。采用通用瀏覽器界面對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行管理，瀏覽器運(yùn)行的平臺(tái)和服務(wù)器運(yùn)行的平臺(tái)相互獨(dú)立，從而實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的遠(yuǎn)程管理。

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