微波設備網管系統中Web設計與實現

李維花，李 哲，李宥謀

（西安郵電學院 計算機學院，陜西 西安 710121）

隨著互聯網的快速發展和普及，采用Web技術實現的遠程網絡管理系統已經成為網管系統不可缺少的一部分。嵌入式系統設計也逐漸發展成為計算機和網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點。基于嵌入式Web的遠程網管系統，通過Web方式實現服務器端與客戶端的跨平臺信息交互。目前微波傳輸系統的網絡管理采用基于Web的遠程網管系統代理的研究和應用很少。本文是以ARM7處理器系統為硬件開發平臺，在μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統基礎上，采用嵌入式Web技術實現微波傳輸系統的監控和管理，使系統具有靈活性、可擴展性和通用性[1]。

1 開發背景

微波通信是一種利用微波傳輸信息的通信手段，數字微波采用數字信號處理技術，利用微波信道傳輸數字信號[2]。而微波設備網管系統就是采用微波通信的方式傳輸數據，圖1給出了該系統的結構圖。

該系統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，每個端站含室內單元IDU和室外單元ODU，這兩個單元通過同軸電纜連接，站內設備通過網線（雙絞線）連接，站間設備通過微波鏈路連接。室內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。該系統另外一部分為管理站，即圖1中的PC，管理站內嵌瀏覽軟件，能夠實現Web方式（即采用網頁瀏覽的方式通過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、設置設備參數和接收告警信息等。PC機與IDU通過SNMP協議通信，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內部由兩個子系統構成，使用的CPU分別為LPC2214、SmartARM2200，前者主要運行監控程序，后者運行代理程序，即嵌入式Web服務器，負責網絡管理。二者通過自定義的串口通信協議完成信息的交換[3]。

在微波網絡中，通過在管理站和被管對象之間采用TCP/IP協議傳輸網管信息，實現不同設備之間的路由選擇，采用簡單網絡管理協議（SNMP），實現微波設備各參數的監測與控制，實現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，開發板帶有多種的存儲資源（PSRAM、NAND Flash、NOR Flash和 EPROM），具有一個 10 MB的 RTL8019AS作為以太網接口，2個串口，并支持μC/OS-Ⅱ和μCLinux操作系統。CPU采用32位ARM7芯片LPC2210FBD，其接口豐富。

1.2 軟件環境

移植μC/OS-Ⅱ實時嵌入式操作系統，移植lwip輕量級TCP/IP協議棧，使其在SmartARM2200開發板上運行，采用C語言編寫Web服務器軟件。軟件調試使用ADS1.2集成仿真環境，使用相應的工程模板。在調試過程中選用DebugInExRam模式進行調試，軟硬件調試完成，可選用RelInChip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和網絡協議驅動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，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是基于優先級的可剝奪型內核，系統中的所有任務都有一個唯一的優先級別和自己單獨的任務棧。絕大多數μC/OS-Ⅱ的函數調用和服務的執行時間具有可確定性，并且μC/OS-Ⅱ還具有可裁剪、穩定性和可靠性等特點[4]。

2 嵌入式Web組成

2.1 HTTP協議簡介

HTTP協議（Hypertext TransferProtocol，超文本傳輸協議）是用于傳送WWW方式的數據，也是用于從Web服務器傳輸超文本到本地瀏覽器的傳送協議。HTTP協議采用了請求/響應模式。客戶端向服務器發送一個請求，請求頭包含請求的方法、URI、協議版本、以及包含請求修飾符、客戶信息和內容的類似于MIME的消息結構。服務器用一個狀態行作為響應，相應的內容包括消息協議的版本，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頁地址都是以"http://"開頭的原因[5]。

2.2 HTTP協議的請求/響應模式

HTTP協議的請求/響應模式是：客戶端發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（系統默認）監聽，等待連接的出現。一般一個信息的交換要經過以下幾個步驟:首先通過申請套接字來建立連接，其次客戶端向服務器端發送請求，然后服務器端處理完客戶端的請求后，給客戶端發送響應信息，最后通過關閉套接字來結束對話。HTTP協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:使用超文本傳輸協議（HTTP）從一臺 IP地址為202.117.132.174的 Internet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瀏覽器根據網絡配置查詢Internet上的域名服務器（DomainName Server）來獲取相應的IP地址。域名服務器上有一個數據庫，存儲了許多Internet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的網絡服務器進行通信來確認Web服務器是否處于可用狀態。所用的通信協議為超文本傳輸協議。

4）當服務器處理完瀏覽器請求后，即向瀏覽器發出相應的文件請求（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.html或.htm的后綴意識到這是HTML文件。若該HTML文件存在則發送該文件，否則發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。若瀏覽器發現其中有嵌入對象信息時，如嵌入的圖像，則向服務器發送圖像文件請求信息（image.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在系統中的實現

3.1 微波設備網管系統的Web體系結構

微波設備網管系統的Web是基于B/S模式的，系統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方式設計實現遠程服務器端與客戶端的信息交互。客戶端使用瀏覽器對微波設備進行管理，通信采用的是TCP/IP協議。系統的體系結構，如圖2所示。

本刊訊（記者 張麗鳳）為全面貫徹習近平總書記脫貧攻堅重要指示精神，深入落實省委省政府打贏脫貧攻堅戰三年行動計劃，更好地完成省農業農村廳產業扶貧任務，12月8～9日，由河北省現代農業產業技術體系蛋肉雞創新團隊首席辦主辦，蛋雞高效養殖崗、肉雞高效養殖崗、產業經濟崗承辦的河北省蛋肉雞產業技術體系扶貧工作座談會在石家莊召開。

為了便于管理遠程的微波設備，通過Internet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Internet的Web服務器響應客戶端發送的信息，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送的信息。

3.2 嵌入式Web的Socket通信

基于B/S模式的遠程監控系統中，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。客戶端可根據微波設備的IP地址建立TCP連接，由控制設備監聽這個連接請求，若連接成功，則接收客戶端發送的設備參數設定值。編寫TCP通信任務時分為服務器和客戶機2種方式。前者需要監聽連接，只有在與客戶機建立連接后才能進行數據處理。后者是主動連接服務器，也是在連接成功后才能進行數據處理。圖3為TCP通信時服務器端和客戶機端通信的函數應用過程[6]。

服務器端主函數的工作過程：初始化μC/OS-Ⅱ，創建TCP/IP初始化任務，硬件資源的初始化 （設置網絡端口號，RTL8019AS網絡芯片的初始化， 初始化 ARP、TCP、UDP），啟動μC/OS-Ⅱ系統，創建服務器任務，進入服務器。

3.3 處理HTTP協議頭

圖3 TCP通信時SOCKET API函數的應用Fig.3 Application of SOCKET API function when TCP communicated

HTTP協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。本程序主要解析協議頭的起始行，這種處理思路也符合嵌入式系統硬件對軟件實現的復雜度要求。請求方式決定了對請求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據，數據總量被限制在255個字符以內，而POST方法可傳輸大量數據，與HTML的表單特性相配合以實現遠程動態交互控制。當建立連接開始時，客戶端發送GET請求方法給服務器端，以訪問服務器端的網頁。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主頁面。在每次連接成功后，服務器端程序會返回以狀態碼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 HTTP協議的解析

為了增強系統的安全性，增加數據安全性，在網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頁數據。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的安全性，在微波網管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，則進入系統主頁面；否則，服務器返回以狀態碼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μC/OS-Ⅱ移植到SmartARM2200開發板上，其次將精簡了的TCP/IP協議棧移植到該操作系統中，并在其上加上嵌入式Web服務器，這部分主要工作是對TCP/IP協議棧進行精簡設計，對SmartARM2200開發板上的RTL8019AS網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集成開發環境下進行編譯和調試，使用網線和并口線將SmartARM2200開發板與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過用戶認證后，彈出設備狀態指示的頁面，直觀顯示告警信息，如圖4所示。通過網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信息。

4 結 論

以微波設備網管系統為背景，設計實現了一個嵌入式Web服務器管理模型，該模型基于TCP/IP通信協議以及HTTP協議，實用性強，便于移植推廣。利用嵌入式的Web技術使該網管系統控制管理遠程設備更加方便，提高了系統的通用性和可維護性，并為設備的遠程配置管理和系統維護帶來便利。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，從而實現了跨平臺的遠程管理。

∶

[1]仲崇權，魯辛凱，李卓函，等.基于嵌入式Web遠程監控的研究與應用[J].儀器儀表學報，2006，27（6）：575-577.ZHONG Chong-quan，LU Xin-kai，LI Zhuo-han，et al.Research and application of remote monitoring based on embedded web[J].Chinese Journal of Scientific Inst rument，2006，27（6）:575-577.

[2]唐賢遠.數字微波通信系統[M].北京：北京電子工業出版社，2004.

[3]馬素剛.微波中繼站中嵌入式網管Agent實現[J].西安郵電學院學報，2009，14（1）：120-124.MA Su-gang.Implementation of embedded network management agent in the microwave relay station[J].Journal of XI'AN University of Post and Tel Ecommunications，2009，14 （1）:120-124.

[4]Labrosse J J.嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ[M].2版.邵貝貝，等譯.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[5]肖軍，申良，肖海峰.嵌入式HTTP服務器的設計與實現[J].科技資訊，2008（32）：32.XIAO Jun，SHEN Liang，XIAO Hai-feng.Embedded HTTP server design and implementation[J].Science&Technology Information，2008（32）:32.

[6]周立功.ARM嵌入式系統實驗教程（二）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.