基于以太網的Web服務器的設計與實現

楊振昊，李漢兵，王軼楷

（1.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢 430074；2.烽火科技集團 湖北 武漢 430074）

塔桅動力環境監控單元是為通信行業基站、一體化機房等無人值守現場內的環境狀況、動力設備等進行信息采集、管理和監控的網絡一體化嵌入式主機；可實時采集并顯示各智能設備的狀態信息、報警信息及控制命令。要實現其功能，必須要設計一個完善的基于以太網的Web服務器。通過嵌入式Internet技術將嵌入式系統與Internet結合起來實現網絡互連，完成對接入到Internet的設備進行監控、測試、管理及維護等功能。

1 Web服務器硬件設計

要實現將嵌入式系統接入以太網，其中最關鍵的部分就是要實現TCP/IP協議。在此設計中，我們采取了最常用的連接方式，即通過以太網來連接Internet，同時利用網絡接口控制器來完成數據鏈路層協議的實現。美國國家半導體公司的以太網控制芯片DP83848C支持10/100 M的以太網通信，同時也支持MII和RMII接口模式，集成度高，具有全功能、低功耗等性能，在嵌入式應用領域中廣泛采用。因此以太網控制器選擇DP83848C芯片。

嵌入式Web服務器的硬件框圖如圖1所示。

在該監控單元中，嵌入式Web服務器的硬件包括微控制器、以太網控制器、I/O接口、存儲器和外接設備等。為了滿足網絡傳輸的需求，嵌入式微控制器不僅要能執行基本的控制功能，還要能實現與Internet相連接的功能。

微控制器采用ST公司的STM32F207，是一款基于ARM內核32位高性能微控制器，片上集成了多個外圍接口（A/D和 D/A 模塊、JTAG、I2C、SPI、CAN 等）， 具有 ISP 及 IAP 編程功能，STM32F207工作頻率最高達120 MHz，具有150 DMIPs的執行速率，存儲空間高達1 MB的Flash程序存儲器，可擴展支持片外Flash，適合用于處理比較復雜的TCP/IP協議，故將其選為微控制器。

圖1 嵌入式Web服務器硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of the embedded web server

微控制器STM32F207與以太網控制器之間以MII方式連接，DP83848C通過RJ45接口接入到以太網，存儲器采用24LC256，存儲容量256 kbit，它是I2C接口串行 EEPROM，可以存儲瀏覽器的網頁信息。MAX232可完成RS232電平與TTL電平的轉換，同時提供了本地接口，供設備進行串口連接。數據可以從串口輸入到微控制器，微控制器處理后再把數據送到DP83848C傳送出去。

嵌入式Web服務器中數據的流向為：以太網中的請求和控制信息通過RJ45被送到以太網控制芯片DP83848C，DP83848C則負責將以太網幀的首尾部信息剝離，然后將處理后的數據包送到STM32F207的TCP/IP協議棧中，在TCP/IP協議棧中解析接收到的數據包，解析后得到數據最基本的控制信息。這些原始控制信息通過外部總線接口（RS232C）和其他外部設備完成通信。回復信息到以太網的過程與以上順序相反。

2 嵌入式Web服務器軟件設計

2.1 以太網接口驅動程序的實現

要實現將Web服務器接入以太網，就需要對以太網控制芯片DP83848C進行編程，以此來完成以太網幀的數據接收與發送。這和計算機中實現網卡驅動程序的功能很相似。以太網控制器的驅動程序用來設置其工作狀態，通過對地址和數據端口的讀寫來完成以太網幀的收發。工作方式如下：先將以太網控制芯片進行復位，然后開始設置其工作參數，接下來對DP83848C的RAM進行讀寫操作來完成數據幀的接收和發送。工作流程圖如圖2所示。

圖2 DP83848C工作流程Fig.2 Working process of the DP83848C

DP83848C包含物理接口收發器 （PHY），其工作在OSI參考模型的物理層。物理層定義了數據的傳送與接收所需要的線路狀態、數據編碼及時鐘基準等，并給數據鏈路層設備提供一些標準接口；而數據鏈路層則提供了數據幀的構建、數據幀的差錯檢查、尋址機構、傳送控制以及向網絡層提供標準的數據接口等功能。數據鏈路層的芯片稱為MAC。

媒體訪問控制子層（MAC）協議位于OSI參考模型協議中數據鏈路層的下半部分，其主要負責與物理層介質的連接與控制。在發送數據幀時，MAC協議要首先判斷是否可以發送數據，如果判斷結果為可以發送，就將控制信息加到要發送的數據上，最終發送到物理層的數據幀包含相應的控制信息；而在接收數據幀時，MAC協議首先判斷輸入的信息是否產生了傳輸失誤，如果沒有失誤，則丟掉控制信息然后將其發送給邏輯鏈路控制子層（LLC）。

2.2 嵌入式W eb服務器TCP/IP協議棧的實現

實現嵌入式Web Server的關鍵在于串口數據與TCP/IP數據之間的轉換，也即要實現TCP/IP協議。嵌入式Web服務器采用精簡的TCP/IP協議棧，在該協議棧中實現了ARP、IP、ICMP、TCP和HTTP協議。

以太網與嵌入式設備之間傳遞數據是通過MAC地址來辨別的，而在發送數據前ARP協議能夠將目標IP地址轉換成為目標的MAC地址。所以要完成系統在以太網間的通信，ARP協議是首先要實現的。嵌入式Web服務器在網絡層除了要實現IP協議，同時報告數據傳送差錯與控制信息的ICMP協議也要滿足才可實現在Internet上的通信。在應用層，遠端主機通過瀏覽器來訪問和控制服務器，所以HTTP協議是必須要滿足的。由于HTTP協議是基于TCP協議實現傳輸的，而TCP協議是面向連接的可靠數據傳輸，考慮到可靠性的需求，因此在傳輸層采用簡化了的TCP協議。

嵌入式TCP/IP協議棧處理數據的流程如圖3所示。

系統首先進行初始化，然后進入主程序循環部分。詳細過程為：先檢查是否收到以太網數據幀，若已收到則檢測以太網數據幀首部，判斷其所載數據的類型，接著進行相應處理。若接收到的以太網數據幀中包含ARP數據，則調用ARP處理程序；若接收到的以太網數據幀中包含IP數據報，則針對其是否為TCP、ICMP等協議而分別進行相應的解包處理。若不包含IP數據報，則丟掉此數據幀。

若未接收到以太網數據幀，此時如果要發送數據，則先對數據進行封裝，然后把數據以以太網數據幀的格式發送；如果沒有數據要發送，則回到主程序繼續下一輪循環。

2.3 嵌入式Web服務器應用程序的實現

塔桅動力環境監控所獲得的數據通過嵌入式Web服務器上傳到以太網上才能被遠端的用戶使用，因此網絡用戶和Web服務器之間應用程序的開發也是很關鍵的一步。本設計里嵌入式Web服務器主要實現現場數據的收發功能。現場實時數據包括設備的實時狀態、通信狀態等。Web服務器將實時數據以網頁形式發布到Internet上，遠端的客戶通過接入Internet即可瀏覽該服務器發布的實時數據信息。

目前Web服務器比較通用的架構有 C/S（Client/Server）模式和B/S（Brower/Server）模式。C/S訪問模式需要同時開發客戶端和服務器端的應用程序，在客戶端還必須安裝客戶機軟件才能保證其正常工作；而且C/S架構投資大且需高昂的維護成本。B/S模式則統一了客戶端，將系統功能實現的核心部分集中到服務器上，簡化了系統的開發、維護和使用。故本設計采用B/S訪問模式。B/S訪問模式是服務器和瀏覽器之間的直接訪問。該結構的系統只需安裝一個瀏覽器，如Internet Explorer；瀏覽器就可以通過Web Server同數據庫進行數據交互。

相比C/S結構，B/S結構具有分布式的特點，共享性強。B/S結構中的客戶端可以處于Internet的任何一個端點，只要接入網絡都可以訪問權限允許內的相關服務器。維護方便，開發簡單，花費成本大大降低。

圖3 嵌入式TCP/IP協議棧流程圖Fig.3 Flow chart of the embedded TCP/IP protocol stack

要在瀏覽器端瀏覽網頁，就需要在瀏覽器的地址欄中輸入該網頁的 URL（Uniform Resource Locator）地址，或者是通過超鏈接鏈接到該網頁。瀏覽器會向該網頁所在的服務器發送一個HTTP請求，服務器會對接收到的請求信息進行處理，然后將處理的結果返回給瀏覽器，最終將瀏覽器處理后的結果呈現給用戶。

本設計中將Web服務器上擴展的EEPROM與單片機相連，用來存儲瀏覽的Web文件，EEPROM里的Web內容采用原始數據的形式存儲，外文使用ASCII碼形式存儲，圖像使用二進制數據形式存儲。

3 結束語

文中所設計的基于以太網的Web服務器，可以取代傳統的接口卡，實現現場設備與Internet的直接連接。該Web服務器性能優越，設計簡單，不僅可以應用于動力環境監控領域，實現基站動環實時監控；還可以應用于其他工業控制領域。隨著網絡通信技術、嵌入式控制技術和數據采集技術的快速發展，此種基于以太網的Web[10-11]服務器具有很好的應用空間及發展前景。

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