基于SMTP-POP3協(xié)議的嵌入式遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

成凱麗，葉瑋瓊，許林

（湖南工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，湖南株洲412007）

基于SMTP-POP3協(xié)議的嵌入式遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

成凱麗，葉瑋瓊，許林

（湖南工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，湖南株洲412007）

介紹了利用SMTP和POP3協(xié)議實(shí)現(xiàn)嵌入式遠(yuǎn)程控制的方法。在PXA270處理器為核心的硬件平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的SMTP Server和POP3 Server，完成郵件的解析與構(gòu)造等，從而使系統(tǒng)完成控制命令的發(fā)送、控制程序的遠(yuǎn)程更新、用戶口令的遠(yuǎn)程更新、控制結(jié)果的反饋等。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

遠(yuǎn)程控制；SMTP協(xié)議；POP3協(xié)議

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信、控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，信息交互溝通的重要性在工業(yè)控制領(lǐng)域不斷凸顯，工業(yè)自動(dòng)化水平也隨之不斷提高。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的方式越來越多，常用的方式有基于WEB、GSM短消息、GPRS、電話網(wǎng)、SMTP協(xié)議等[1]。通過郵件方式實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程控制具有控制命令發(fā)送免費(fèi)，遠(yuǎn)程控制端免開發(fā)、可移動(dòng)的特點(diǎn)，而往常以這種方式實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程控制只是簡(jiǎn)單地利用SMTP協(xié)議來完成控制命令的發(fā)送，課題組在PXA270平臺(tái)上使用簡(jiǎn)化的SMTP,POP3兩種協(xié)議，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制命令的發(fā)送和控制結(jié)果的反饋，并根據(jù)郵件解析得到的不同主題字來完成設(shè)備控制、用戶口令和設(shè)備控制程序遠(yuǎn)程更新多項(xiàng)功能。該系統(tǒng)對(duì)那些比較危險(xiǎn)、操作不方便、無人值守的設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控具有實(shí)際意義和價(jià)值。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)首先要實(shí)現(xiàn)的是中央控制器的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備端和控制端的通信。課題組采用的是在以PXA270處理器為核心平臺(tái)上，引入SMTP Server和POP3 Server實(shí)現(xiàn)嵌入式SMTP-POP3服務(wù)器，通過連接Internet，實(shí)現(xiàn)對(duì)郵件的處理和控制結(jié)果的反饋，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)控制設(shè)備，使傳統(tǒng)控制設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橐訲CP/IP為底層通信協(xié)議的遠(yuǎn)程控制設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制端和設(shè)備端的通信?？刂贫丝梢允荘C機(jī)、手機(jī)等，只要它們可以連接Internet并具有郵件收發(fā)工具（Outlook,Foxmail），就可以實(shí)現(xiàn)郵件的免費(fèi)收發(fā)，隨時(shí)隨地對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。控制命令的傳送和控制結(jié)果的反饋都是以郵件的形式呈現(xiàn)的，同時(shí)出于對(duì)安全問題和控制設(shè)備的擴(kuò)展性問題的考慮，該設(shè)計(jì)還具有用戶口令的安全驗(yàn)證和遠(yuǎn)程更新、設(shè)備控制程序遠(yuǎn)程更新的功能。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制結(jié)構(gòu)圖Fig. 1Control structure

系統(tǒng)硬件的核心是I n t e l公司開發(fā)的基于ARMv5E的Xscale構(gòu)架的處理器PXA270，最高頻率可達(dá)624 MHz。其外圍控制器眾多，可實(shí)現(xiàn)豐富的外圍接口功能。它包含的SpeedStep技術(shù)，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需要的主頻，真正實(shí)現(xiàn)低功耗，并支持嵌入式Linux和Wince操作系統(tǒng)。正是由于其具有可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定、接口豐富、功耗低等特點(diǎn)，適合在工控領(lǐng)域中運(yùn)用。硬件結(jié)構(gòu)包含了實(shí)現(xiàn)SMTP Server,POP3 Server的嵌入式微處理器PXA270，64 MB的FLASH，64 MB的SDRAM，電源管理芯片，以太網(wǎng)接口，現(xiàn)場(chǎng)總線控制模塊，通用I/O控制模塊，串口等。

2 SMTP,POP3協(xié)議及客戶端功能分析

2.1 SMTP/ESMTP協(xié)議

SMTP是一種基于TCP協(xié)議的電子郵件傳輸協(xié)議。ESMTP是對(duì)SMTP協(xié)議的擴(kuò)展，它與SMTP的區(qū)別僅僅是服務(wù)器會(huì)要求用戶提供用戶名和密碼來進(jìn)行身份驗(yàn)證。它們都是一種基于命令/應(yīng)答模式的鎖步交互協(xié)議（文中采用ESMTP協(xié)議），在設(shè)計(jì)中表現(xiàn)為客戶端給出字符串命令，SMTP服務(wù)器端給出應(yīng)答信息，直到客戶端命令為QUIT，服務(wù)器端回復(fù)221，結(jié)束鎖步交互。在本研究中實(shí)現(xiàn)的是協(xié)議的最小命令集，客戶端用到的主要連接命令包括：HELO/HLHO,AUTHLOGIN,MAIL FROM,RCPT TO,DATE,RSET,QUIT。服務(wù)器響應(yīng)的數(shù)字代碼主要有：220（服務(wù)準(zhǔn)備好）、250（請(qǐng)求的命令成功完成）、334（等待用戶輸入驗(yàn)證信息），235（用戶認(rèn)證成功）、354（發(fā)送郵件內(nèi)容）、221（服務(wù)關(guān)閉）、500（命令不識(shí)別）[2]。

2.2 POP3協(xié)議

POP3協(xié)議允許用戶從服務(wù)器上把郵件存儲(chǔ)到本地主機(jī)上，同時(shí)根據(jù)客戶端的操作刪除或保存郵件服務(wù)器上的郵件。POP3服務(wù)器則是遵循POP3協(xié)議的接收郵件服務(wù)器，用來接收電子郵件。POP3也是一種基于命令/應(yīng)答模式的鎖步交互協(xié)議。在設(shè)計(jì)中表現(xiàn)為客戶端給出字符串命令，POP3服務(wù)器端給出應(yīng)答信息，直到客戶端命令為QUIT，服務(wù)器端回復(fù)“+OK”，結(jié)束鎖步交互。

在鎖步交互的過程中，客戶端主要連接命令有USER,PASS,STAT（總數(shù)和長(zhǎng)度）,UIDL（返回郵件唯一標(biāo)識(shí)符）,LIST（返回郵件的唯一標(biāo)識(shí)符）,RETR（返回郵件的全部文本）,DELE,QUIT。

服務(wù)器響應(yīng)則以“+OK”或者“-ERR”開頭的，后跟一些參數(shù)或可讀說明。以“+OK”開始表示命令已成功執(zhí)行或者服務(wù)器準(zhǔn)備就緒等，以“-ERR”開始表示錯(cuò)誤或不可執(zhí)行的命令，當(dāng)響應(yīng)信息包含多行時(shí)，只包含“.”的行表示響應(yīng)結(jié)束[3]。

2.3 客戶端功能

課題組除了要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，還要實(shí)現(xiàn)用戶口令的更新和控制程序的遠(yuǎn)程更新，每個(gè)功能的完成都需要客戶端發(fā)送正確的命令，所有的命令都是以郵件主題字發(fā)送的。當(dāng)所發(fā)送的命令不在命令范圍內(nèi)，客戶端將收到表示控制命令錯(cuò)誤的反饋郵件，當(dāng)所發(fā)送命令是設(shè)備控制命令的時(shí)候，每一種設(shè)備都具有自己的命令格式，以及參數(shù)要求，只有當(dāng)格式和參數(shù)都符合要求，設(shè)備才能執(zhí)行相應(yīng)操作，否則客戶端將收到表示設(shè)備控制命令錯(cuò)誤的提示信息，當(dāng)客戶端要求對(duì)用戶口令和設(shè)備控制程序進(jìn)行更新時(shí)，客戶端應(yīng)發(fā)送Change和Update命令來完成。下面以幾種簡(jiǎn)單設(shè)備為例對(duì)客戶端發(fā)送的命令格式進(jìn)行說明，如表1所示?？刂平Y(jié)果的反饋包括以下幾種情況：

*** subject error/success/fail（某設(shè)備控制命令錯(cuò)誤/控制成功/控制失?。?；

pdate success/fail（控制程序更新成功/失敗）；

change success/fail（用戶口令更新成功/失?。?；

subject error（控制命令錯(cuò)誤）。

同時(shí)在完成用戶口令更新和控制程序更新時(shí)，新的用戶口令和控制程序都是以郵件附件的形式發(fā)送的，故當(dāng)收到Change和Update命令時(shí)，需要提取郵件附件內(nèi)容，附件中的控制程序名必須與設(shè)備上已有的本地控制程序名相同，用戶口令文件名必須與已有的用戶口令文件名相同，否則無法更新。同時(shí)傳遞的用戶口令也應(yīng)該遵守一定的規(guī)則，用戶口令更新規(guī)則示例說明如下。

文件名默認(rèn)：change.txt

文件格式：

＜changkaili＞ //用戶名是＜＞中內(nèi)容

“1234567890” //用戶密碼是“”中內(nèi)容

表1 客戶端發(fā)送命令的格式及功能Table 1Format and function of client send commands

文件中，用戶名長(zhǎng)度為小于等于10個(gè)字符；密碼長(zhǎng)度為6～10個(gè)字符，用戶名和密碼使用標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼，不可用中文或其他擴(kuò)展碼。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式軟件平臺(tái)的核心部分是嵌入式操作系統(tǒng)，Linux具有源代碼開放、可裁剪、易于移植和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能等特點(diǎn)，故選其為系統(tǒng)軟件平臺(tái)。構(gòu)建Linux操作系統(tǒng)的工作主要包括建立交叉編譯環(huán)境、Boot loader移植、內(nèi)核定制、根文件系統(tǒng)構(gòu)建[4]。具體制作過程可以參照文獻(xiàn)[5]。

3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)，它可以分成2大模塊：SMTP模塊和POP3模塊，2大模塊通信通過管道通信機(jī)制來完成的。SMTP模塊主要就是完成套接字的建立，綁定（端口25），監(jiān)聽，等待客戶端的連接請(qǐng)求，連接成功后，實(shí)現(xiàn)一個(gè)最簡(jiǎn)潔的SMTP對(duì)話機(jī)制，同時(shí)完成郵件的接收和轉(zhuǎn)存，然后進(jìn)行郵件解析，根據(jù)正確的主題字來完成相應(yīng)的控制或更新功能，最后根據(jù)命令完成情況構(gòu)造回復(fù)郵件，并寫入管道。POP3模塊主要就是實(shí)現(xiàn)套接字的建立，綁定（端口110），監(jiān)聽，等待客戶端的連接請(qǐng)求，連接成功后，監(jiān)聽管道中是否寫入內(nèi)容，當(dāng)有內(nèi)容寫入后，實(shí)現(xiàn)一個(gè)POP3對(duì)話機(jī)制，同時(shí)完成控制結(jié)果的反饋。系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The structure diagram for system software

不是任意一個(gè)客戶端都可以與服務(wù)器建立連接，在客戶端和SMTP服務(wù)器建立聯(lián)系的過程中，需要進(jìn)行用戶口令的驗(yàn)證，客戶端發(fā)送的用戶名和密碼是經(jīng)過base64編碼的，而服務(wù)器自身讀取的用戶名和密碼并未經(jīng)過編碼，故需要進(jìn)行base64編碼才可能驗(yàn)證成功。郵件的附件內(nèi)容也是經(jīng)過base64編碼的，所以在提取郵件附件內(nèi)容時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行解碼，才能得到符合要求的更新內(nèi)容。base64是一種用于傳輸8 Bit字節(jié)代碼的編碼方式，編碼解碼示例如下所示。

對(duì)用戶名和密碼進(jìn)行編碼。

用戶名：ckl900823，

編碼結(jié)果： Y2tsOTAwODIz

密碼 ：abc12345

編碼結(jié)果：YWJjMTIzNDU=

對(duì)附件內(nèi)容進(jìn)行解碼。

附件：

dXNlcjogPGFiYzkwMDgyMz4NCnBhc3M6ICJ3b3J

kNjc4OSI=

解碼結(jié)果 ：user: ＜abc900823＞

pass: "word6789"

以上過程雖然進(jìn)行了用戶信息的驗(yàn)證，但是這樣的安全性也是有限的。對(duì)此可以根據(jù)不同的控制環(huán)境使用不同的策略，例如：閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)訪問策略，只讀訪問策略，引入加密機(jī)制等[6]。

在POP3鎖步交互過程中，當(dāng)客戶端發(fā)送RETR命令后，服務(wù)器要響應(yīng)的是郵件的內(nèi)容，郵件內(nèi)容是通過讀管道獲取的，這個(gè)鎖步交互過程就實(shí)現(xiàn)了控制結(jié)果的反饋。

3.2 郵件解析與構(gòu)造

電子郵件的報(bào)文組成包括郵件頭和郵件體，郵件頭是報(bào)文的控制信息，每行的基本語法是：＜keyword＞:＜value＞，郵件體是用戶需要發(fā)送的郵件內(nèi)容，RFC822規(guī)定郵件體由7位ASCII文本組成，郵件頭和郵件體之間用空行分隔。郵件頭主要包括：發(fā)件人（From）、收件人（To）、發(fā)送時(shí)間（Date）、主題字（Subject）等。郵件體：用戶所需發(fā)送的郵件內(nèi)容，包括正文和附件[7]。郵件信息每行都是以＜CR＞＜LF＞（回車換行符）作為結(jié)束符，郵件內(nèi)容是以＜CR＞＜LF＞＜CR＞＜LF＞結(jié)束的。

郵件解析主要是從報(bào)文中提取發(fā)送者、主題字、附件名、附件內(nèi)容。這些信息的提取是通過報(bào)文中的字符串來發(fā)現(xiàn)的，例如：“From”“Subject”“filename=”等。這里重點(diǎn)說明的是附件內(nèi)容的提取是在字符串“filename=”附件名后，以＜CR＞＜LF＞＜CR＞＜LF＞開始，以＜CR＞＜LF＞＜CR＞＜LF＞結(jié)束。這些提取到的信息分別決定了控制結(jié)果回復(fù)的用戶對(duì)象，設(shè)備要實(shí)現(xiàn)的控制功能或控制程序和用戶口令的更新，更新數(shù)據(jù)的來源。文中將提取到的信息存放在一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，結(jié)構(gòu)體聲明如下。

struct mail{

unsigned char sender[80]; //發(fā)送者地址

unsigned char recipient[80]; //接收者地址

unsigned char subject[80]; //主題字

unsigned char filename[80]; //附件名

unsigned char rawMail[MAX_MAIL] ；

//郵件內(nèi)容

unsigned char

attachment[MAX_ATTACHMENT]； //附件內(nèi)容

} ；

郵件的構(gòu)造可以通過在一份現(xiàn)有郵件報(bào)文的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改來完成，主要修改的內(nèi)容包括主題字、發(fā)送日期和接收郵件地址等。主題字的內(nèi)容可能為：遠(yuǎn)程控制設(shè)備的執(zhí)行情況、用戶名口令更新情況、控制程序更新情況、主題字內(nèi)容報(bào)錯(cuò)等。郵件發(fā)送時(shí)間通過時(shí)間函數(shù)獲取，接收郵件的地址是SMTP鎖步交互中郵件的發(fā)送方的地址。郵件構(gòu)造前的主要內(nèi)容如圖3所示，構(gòu)造后的主要內(nèi)容如圖4所示。

圖3 郵件構(gòu)造前主要內(nèi)容Fig.3 The main contents before mail constructing

圖4 郵件構(gòu)造后主要內(nèi)容Fig.4 The main contents after mail constructing

4 試驗(yàn)結(jié)果

該設(shè)計(jì)在以PXA270處理器為核心的硬件平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED，蜂鳴器等的控制以及用戶口令、設(shè)備控制程序的更新，可以達(dá)到預(yù)期的效果。例如：當(dāng)發(fā)送leds 1 0/1時(shí)就會(huì)實(shí)現(xiàn)燈的亮滅操作，操作完成后就會(huì)回復(fù)控制成功。發(fā)送的燈控命令如圖5所示，控制結(jié)果反饋如圖6所示。

圖5 發(fā)送燈控命令Fig.5 Sending light control command

圖6 控制結(jié)果反饋Fig.6 The control result feedback

5 結(jié)語

該設(shè)計(jì)介紹了基于ARM的硬件平臺(tái)，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下，利用SMTP-POP3郵件協(xié)議來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的方法。客戶端采用通用的郵件收發(fā)方式，操作簡(jiǎn)單，降低了對(duì)操控人員技術(shù)上的要求，而且省去了客戶端的開發(fā)，降低了研發(fā)成本。SMTP、POP3協(xié)議又是比較簡(jiǎn)單的通信協(xié)議，降低了對(duì)軟件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與維護(hù)難度。增加POP3 Server用作響應(yīng)的回復(fù)機(jī)制，這使得客戶不僅能遠(yuǎn)程控制設(shè)備而且還能對(duì)控制操作的結(jié)果了然于心，同時(shí)還提供了應(yīng)用程序更新和用戶口令更新功能，方便進(jìn)行設(shè)備更新和用戶的安全使用。在此方案的基礎(chǔ)上完全可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化網(wǎng)絡(luò)化的管理。

[1]李朋飛，魯凱生，羅剛，等. 基于電話網(wǎng)的嵌入式遠(yuǎn)程控制器的設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(17) ：58-60. Li Pengfei，Lu Kaisheng，Luo Gang，et al. The Design of the Embedded Remote Controller Based on Telephone Network[J]. Microcomputer Information，2006，22(17) ：58-60.

[2]段善榮. 基于Linux的局域網(wǎng)郵件服務(wù)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2012，11(6) ：122-124. Duan Shanrong. The Design and Implementation of LAN Mail Server Based on Linux[J]. Software Tribune，2012，11(6) ：122-124.

[3]吳剛，王旭仁，張信杰. 郵件審計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(6) ：131-132，107. Wu Gang，Wang Xuren，Zhang Xinjie. The Design and Implementation of Mail Auditing System[J]. Microcomputer Information，2010，26(6) ：131-132 ，107.

[4]Wei D S. Embedded Linux Application Development Complete Manual[M]. Beijing ：Post & Telecom Press，2008：1-579.

[5]付詩君，陳其松. 基于ARM9+Linux的遠(yuǎn)程車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2014(4) ：131-134. Fu Shijun，Chen Qisong. The Design and Implementation of Remote Vehicle Video Monitor System Based on ARM+Linux[J]. Automation & Instrumentation，2014(4) ：131-134.

[6]廖斌，葉瑋瓊，楊連樂. 基于ARM的嵌入式SMTP遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(11) ：19-21. Liao Bin，Ye Weiqiong，Yang Lianle. The Design of Embedded SMTP Remote Control Based on ARM[J]. Microcomputer Information，2007，23(11) ：19-21.

[7]鄭曉宇. 基于SMTP服務(wù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)在項(xiàng)目管理中的應(yīng)用[J]. 機(jī)電信息，2010(30) ：37-38. Zheng Xiaoyu. Application of SMTP-Based Remote Monitoring Technology in Project Management[J]. Mechanical and Electronic Information，2010(30)：37-38.

（責(zé)任編輯：申劍）

Design and Implementation of Embedded Remote Control Based on SMTP and POP3 Protocols

Cheng Kaili，Ye Weiqiong，Xu Lin
（School of Computer and Communication,Hunan University of Technology,Zhuzhou Hunan 412007,China）

Introduces the method of embedded remote control based on SMTP and POP3 protocol. On the hardware platform with PXA270 processor as core,simplifies SMTP Server and POP3 Server,completes message parsing and strucure etc.,thus makes the system complete sending control command,remote update control program,remote update user password,and feedback control results. The experiment shows that the system is stable and reliable.

remote control； SMTP protocol； POP3 protocol

TP399

A

1673-9833(2015)01-0088-05

2014-11-09

湖南省教學(xué)改革研究重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（ZJA2013043），湖南工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革研究基金資助項(xiàng)目（2012C66）

成凱麗（1990-），女，河南濟(jì)源人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)，E-mail：foxandmail@163.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.01.016