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

摘要：為了對(duì)遠(yuǎn)程微波設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和管理，本文采用B／S結(jié)構(gòu)模式，以ARM7為核心的微控制器，研究基于嵌入式操作系統(tǒng) μC／0S-Ⅱ的一種嵌入式Web設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，解決了對(duì)遠(yuǎn)程微波設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制的問題，并將Web技術(shù)應(yīng)用到微波設(shè)備網(wǎng)管系統(tǒng)中，通過瀏覽器給服務(wù)器發(fā) 送請(qǐng)求，然后服務(wù)器響應(yīng)瀏覽器的請(qǐng)求，來進(jìn)行遠(yuǎn)程微波設(shè)備的參數(shù)設(shè)置，工作狀態(tài)的監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果表明，將Web技術(shù)應(yīng)用到微波設(shè)備網(wǎng)管系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微 波設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，具有方便管理，界面友好，易于操作等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：Web服務(wù)器；μC／0S-Ⅱ；嵌入式系統(tǒng)；微波網(wǎng)管

    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)。基于嵌入式Web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 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)。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l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OD-U，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l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。
    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、NANDFlash、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ADSl．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R-elInChip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)。

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。
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Intemet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Intemet上的域名服務(wù)器(Domain Name 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(kù)，存儲(chǔ)了許多Intemet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(imase．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。

    為了便于管理遠(yuǎn)程的微波設(shè)備，通過Intemet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Intemet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?？蛻舳丝筛鶕?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。

    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
    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 BTTP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。