微波設備網(wǎng)管系統(tǒng)中Web設計與實現(xiàn)

摘要：為了對遠程微波設備進行實時的監(jiān)控和管理，本文采用B／S結構模式，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設計與實現(xiàn)，解決了對遠程微波設備的監(jiān)測和控制的問題，并將Web技術應用到微波設備網(wǎng)管系統(tǒng)中，通過瀏覽器給服務器發(fā) 送請求，然后服務器響應瀏覽器的請求，來進行遠程微波設備的參數(shù)設置，工作狀態(tài)的監(jiān)控。測試結果表明，將Web技術應用到微波設備網(wǎng)管系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對微 波設備的遠程控制，具有方便管理，界面友好，易于操作等優(yōu)點。
關鍵詞：Web服務器；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技術實現(xiàn)的遠程網(wǎng)絡管理系統(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)設計也逐漸發(fā)展成為計算機和網(wǎng)絡控制應 用的一個新領域，具有功能強大、實時性強、可靠性高和結構靈巧等優(yōu)點?；谇度胧絎eb的遠程網(wǎng)管系統(tǒng)，通過Web方式實現(xiàn)服務器端與客戶端的跨平臺信息 交互。目前微波傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡管理采用基于Web的遠程網(wǎng)管系統(tǒng)代理的研究和應用很少。本文是以ARM7處理器系統(tǒng)為硬件開發(fā)平臺，在μC／OS-Ⅱ嵌入 式操作系統(tǒng)基礎上，采用嵌入式Web技術實現(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)字信號處理技術，利用微波信道傳輸數(shù)字信號。而微波設備網(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)的結構圖。

    該系統(tǒng)分為管理站和被管對象，其中被管對象為微波鏈路的設備，每一個微波鏈路包括2個端站，每個端站含室內(nèi)單元IDU和室外單元OD-U，這兩個單元通過 同軸電纜連接，站內(nèi)設備通過網(wǎng)線(雙絞線)連接，站間設備通過微波鏈路連接。室內(nèi)單元安裝在機柜里或門架上，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，方便計算機接入對微波設備進行管理和控制。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，能夠實現(xiàn)Web方式(即采用網(wǎng)頁瀏覽的方式通過IP地址遠程訪問這條鏈路上所接入的設備)對設備進行管理和維護，即查看設備參數(shù)、設置設備參數(shù)和 接收告警信息等。PC機與IDU通過SNMP協(xié)議通信，不同站點之間的IDU通過ODU之間連接的微波鏈路傳輸信息。IDU內(nèi)部由兩個子系統(tǒng)構成，使用的 CPU分別為LPC2214、SmartARM2200，前者主要運行監(jiān)控程序，后者運行代理程序，即嵌入式Web服務器，負責網(wǎng)絡管理。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)絡中，通過在管理站和被管對象之間采用TCP／IP協(xié)議傳輸網(wǎng)管信息，實現(xiàn)不同設備之間的路由選擇，采用簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議(SNMP)，實現(xiàn)微波設備各參數(shù)的監(jiān)測與控制，實現(xiàn)管理站對被管對象的遠程訪問和控制。
1．1 硬件平臺
    對Web進行管理的硬件設計主要采用周立功ARM7的SmartARM2200，開發(fā)板帶有多種的存儲資源(PSRAM、NANDFlash、NOR Flash和EPROM)，具有一個10 MB的RTL8019AS作為以太網(wǎng)接口，2個串口，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實時嵌入式操作系統(tǒng)，移植lwip輕量級TCP／IP協(xié)議棧，使其在SmartARM2200開發(fā)板上運行，采用C語 言編寫Web服務器軟件。軟件調(diào)試使用ADSl．2集成仿真環(huán)境，使用相應的工程模板。在調(diào)試過程中選用DebugInExRam模式進行調(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進行解密之 后方可燒寫。軟件總體分為應用程序、μC／OS-Ⅱ和網(wǎng)絡協(xié)議驅動3部分。
1.3 μC／OS-Ⅱ特點
    μC／OS-Ⅱ是一個實時多任務操作系統(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)先級的可剝奪型內(nèi)核，系統(tǒng)中的所有任務都有一個唯一的優(yōu)先級別和自己單獨的任務棧。絕大多數(shù)μC／OS-Ⅱ的函數(shù)調(diào)用和服務的執(zhí)行時間具有可確 定性，并且μC／OS-Ⅱ還具有可裁剪、穩(wěn)定性和可靠性等特點。

2 嵌入式Web組成
2．1 HTTP協(xié)議簡介
    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) 議采用了請求／響應模式?？蛻舳讼蚍掌靼l(fā)送一個請求，請求頭包含請求的方法、URI、協(xié)議版本、以及包含請求修飾符、客戶信息和內(nèi)容的類似于MIME的 消息結構。服務器用一個狀態(tài)行作為響應，相應的內(nèi)容包括消息協(xié)議的版本，成功或者錯誤編碼加上包含服務器信息、實體元信息以及可能的實體內(nèi)容。通常 HTTP消息包括客戶端向服務器的請求消息和服務器向客戶端的響應消息。這兩種類型的消息由1個起始行、1個或者多個頭域、1個指示頭域結束的空行和可選 的消息體組成。它可以使瀏覽器更加高效，使網(wǎng)絡傳輸量減少，不僅保證了計算機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)議的請求／響應模式
    HTTP協(xié)議的請求／響應模式是：客戶端發(fā)送一個請求給服務器，服務器接到請求后，給予相應的響應信息。HTTP服務器運行時，一直在TCP80端口(系 統(tǒng)默認)監(jiān)聽，等待連接的出現(xiàn)。一般一個信息的交換要經(jīng)過以下幾個步驟：首先通過申請?zhí)捉幼謥斫⑦B接，其次客戶端向服務器端發(fā)送請求，然后服務器端處理 完客戶端的請求后，給客戶端發(fā)送響應信息，最后通過關閉套接字來結束對話。HTTP協(xié)議具體的請求響應過程：
    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)這個申請。Web瀏覽器將用戶輸入的URL分解，從中提取有用的信息。例如：當用戶輸入 http:／／202．117．132．174／時，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IP地址為 202．117．132．174的Intemet主機(或服務器)上的某個目錄下獲取一個名為login．html的文件。
    2)當用戶輸入域名時，例如：WWW．baidu．com Web瀏覽器根據(jù)網(wǎng)絡配置查詢Intemet上的域名服務器(Domain Name Server)來獲取相應的IP地址。域名服務器上有一個數(shù)據(jù)庫，存儲了許多Intemet服務器的域名及其相應的IP地址。在這里WWW．baidu．com對應的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地址與相應的諸如lighthttpd的網(wǎng)絡服務器進行通信來確認Web服務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)當服務器處理完瀏覽器請求后，即向瀏覽器發(fā)出相應的文件請求(某個目錄下的login．html文件)。服務器收到請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信息。
    5)當所要求的文件(login．html)到達瀏覽器后，瀏覽器開始解碼。若瀏覽器發(fā)現(xiàn)其中有嵌入對象信息時，如嵌入的圖像，則向服務器發(fā)送圖像文件請 求信息(imase．gif)，服務器收到圖像文件請求信息后，開始查找相應的文件，找到后即發(fā)送該文件。對于超文本文件中的每一個嵌入對象，這個過程將 被重復一次。當所有的對象都傳送完畢后，此時瀏覽器中就會有一個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，一個超文本頁面的獲取并非通過瀏覽器與服務器之間的一次突發(fā)的通信完成的，而是通過瀏覽器與服務器之間的多次交互來完成的。盡管上述過程看起來比較復雜，但它并不占用大量的計算機資源，不會影響使用計算機同時處理其他。

3 嵌入式Web在系統(tǒng)中的實現(xiàn)
3．1 微波設備網(wǎng)管系統(tǒng)的Web體系結構
    微波設備網(wǎng)管系統(tǒng)的Web是基于B／S模式的，系統(tǒng)的管理目標包括鏈路的傳輸容量、IDU的序列號、ODU的序列號、ODU的工作頻段、ODU的發(fā)射功率 等。微波設備服務器采用嵌入式技術，通過Web方式設計實現(xiàn)遠程服務器端與客戶端的信息交互?？蛻舳耸褂脼g覽器對微波設備進行管理，通信采用的是 TCP／IP協(xié)議。系統(tǒng)的體系結構，如圖2所示。

    為了便于管理遠程的微波設備，通過Intemet建立Web服務器，然后對一級一級的微波設備站建立相應的代理服務，再在這些微波設備上建立相應的Web服務。具體的通信過程為：接入Intemet的Web服務器響應客戶端發(fā)送的信息，通過64 KB的通信信道傳送，微波設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傳送，是則開始查看是給哪個部件發(fā)送的信息。
3．2 嵌入式Web的Socket通信
    基于B／S模式的遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，用戶需要通過瀏覽器管理遠程設備。對于微波設備遠程監(jiān)控中的Socket通信有2種信息：一種是查看微波設備的實時運行 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)微波設備的IP地址建立TCP連接，由控制設備監(jiān)聽這個連接請求，若連接成功，則接收客戶端發(fā)送的設備參數(shù)設定值。編寫 TCP通信任務時分為服務器和客戶機2種方式。前者需要監(jiān)聽連接，只有在與客戶機建立連接后才能進行數(shù)據(jù)處理。后者是主動連接服務器，也是在連接成功后才 能進行數(shù)據(jù)處理。圖3為TCP通信時服務器端和客戶機端通信的函數(shù)應用過程。

    服務器端主函數(shù)的工作過程：初始化μC／OS-Ⅱ，創(chuàng)建TCP／IP初始化任務，硬件資源的初始化(設置網(wǎng)絡端口號，RTL8019AS網(wǎng)絡芯片的初始化，初始化ARP、TCP、UDP)，啟動μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)，創(chuàng)建服務器任務，進入服務器。
3．3 處理HTTP協(xié)議頭
    HTTP協(xié)議頭包括一個起始行、零個或多個消息頭域、一個標示頭域結束的實體行和一個可能存在的消息體。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)硬件對軟件實現(xiàn)的復雜度要求。請求方式?jīng)Q定了對請求URL所指定的資源進行操作的方式，GET方法讀取URL指定的資源，一般用來向服務器傳 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現(xiàn)遠程動態(tài)交互控制。當建立連接 開始時，客戶端發(fā)送GET請求方法給服務器端，以訪問服務器端的網(wǎng)頁。POST作為請求方法時，首先和Web服務器建立連接，成功后瀏覽器將HTML表單 中的值發(fā)送給Web服務器，服務器端的程序通過判斷用戶的信息來確定是否讓其進入系統(tǒng)主頁面。在每次連接成功后，服務器端程序會返回以狀態(tài)碼200開頭的 響應消息，消息的起始行為：HTTP／1．1 200 OK。當用戶請求一個服務器端不存在的文件時，服務器返回以狀態(tài)碼404開頭的響應消息。
    HTTP的請求報文(實測)：
    1)一般的POST請求報文

3．4 BTTP協(xié)議的解析
    為了增強系統(tǒng)的安全性，增加數(shù)據(jù)安全性，在網(wǎng)頁中加入基本認證機制。當客戶端請求受基本認證機制保護的網(wǎng)頁時，服務器端即要求用戶認證，只有認證成功，瀏 覽器才能獲得正確的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)。HTTP1．1支持基本認證機制，允許服務器在返回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服務器程序中加入了基本認證機制。
    當客戶端請求受基本認證機制保護的Web頁時，服務器要求用戶認證，或證明自己獲得了接收資源的授權。服務器完成這項工作的方法是，返回一個帶40狀態(tài)碼 的HTTP頭和一個指定所需認證類型的Web認證字段。收到請求基本認證的消息頭后，客戶端的瀏覽器會顯示一個窗口，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證請求，該請求采用POST的請求方法。如果用戶名和密碼正確，則進入系統(tǒng)主頁面；否 則，服務器返回以狀態(tài)碼404為起始行的響應消息。
3．5 嵌入式Web服務器測試
    首先完成將嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ移植到SmartARM2200開發(fā)板上，其次將精簡了的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服務器，這部分主要工作是對TCP／IP協(xié)議棧進行精簡設計，對SmartARM2200開發(fā)板上的RTL8019AS網(wǎng) 卡芯片的驅動代碼進行了重新設計，使之適用于上層軟件。最后在ADS集成開發(fā)環(huán)境下進行編譯和調(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進行燒寫。運行程序，由于Web服務器不能主動發(fā)送告警信息，所以只能通過客戶端請求查看，因此在IE瀏覽器的地址欄中輸入 http:／／202．117．132．174／，進行Web服務器的測試，進入登錄界面，輸入用戶名和密碼經(jīng)過用戶認證后，彈出設備狀態(tài)指示的頁面，直 觀顯示告警信息，如圖4所示。通過網(wǎng)頁直接對設備進行基本信息的查詢、設置，以及實時反應設備的狀態(tài)信息。

4 結論
    以微波設備網(wǎng)管系統(tǒng)為背景，設計實現(xiàn)了一個嵌入式Web服務器管理模型，該模型基于TCP／IP通信協(xié)議以及HTTP協(xié)議，實用性強，便于移植推廣。利用 嵌入式的Web技術使該網(wǎng)管系統(tǒng)控制管理遠程設備更加方便，提高了系統(tǒng)的通用性和可維護性，并為設備的遠程配置管理和系統(tǒng)維護帶來便利。采用通用瀏覽器界 面對遠程設備進行管理，瀏覽器運行的平臺和服務器運行的平臺相互獨立，從而實現(xiàn)了跨平臺的遠程管理。