一種實用的嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計

摘要：數(shù)字化變電站越來越多地采用以太網(wǎng)技術(shù)，針對各種保護(hù)和控制IED(Integlrated Drive Electronlcs)的參數(shù)配置以及狀態(tài)監(jiān)測問題，本文通過對Linux平臺上的BOA服務(wù)器和CGIC的源碼進(jìn)行研究和修改，設(shè)計了一種實用的嵌入式Web服務(wù)器。它可方便地在支持TCP／IP協(xié)議的非Linux的嵌入式系統(tǒng)上運行，在不影響IED原有功能的前提下對用戶提供Web服務(wù)，同時提出了一種適合嵌入式系統(tǒng)使用的訪問權(quán)限認(rèn)證和對Web頁面的管理及動態(tài)生成機制，并支持Web方式下文件的上傳與下載。它為變電站現(xiàn)場嵌入式IED的遠(yuǎn)端訪問與控制提供了一種新的思路和方法。
關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站；嵌入式IED；TCP／IP；嵌入式Web服務(wù)器；BOA；CGIC

引言
    數(shù)字化變電站是建立在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和電子技術(shù)基礎(chǔ)上的一種新型變電站自動化系統(tǒng)，其中一個重要特征就是二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化。目前在國內(nèi)的數(shù)字化變電站試點中，已經(jīng)出現(xiàn)了大批支持以太網(wǎng)和TCP／IP協(xié)議的嵌入式IED，在具體開發(fā)和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜多變以及客戶需求的多樣性，經(jīng)常需要對這些IED進(jìn)行參數(shù)的配置和修改。但廠家多采用專門的配置軟件來進(jìn)行，操作界面不夠統(tǒng)一，給現(xiàn)場操作帶來諸多不便。而采用Web服務(wù)器技術(shù)，則只需要瀏覽器便可實現(xiàn)對IED參數(shù)的在線修改與配置，從而極大地方便了對設(shè)備的維護(hù)和管理。目前，Web服務(wù)器功能在數(shù)字化變電站中，多用于調(diào)度與監(jiān)控端設(shè)計，單純在IED上實現(xiàn)Web服務(wù)器功能的報道尚不多見。本文通過對Linux平臺上運行的BoA Web服務(wù)器和CGIC的研究，將原本兩個獨立運行的程序整合為多任務(wù)系統(tǒng)中的一個任務(wù)實體，并對其進(jìn)行相應(yīng)的精簡和修改；設(shè)計并實現(xiàn)了一種可在一般嵌入式系統(tǒng)上運行的，既相對簡單又響應(yīng)快速的嵌入式Web服務(wù)器。目前已在相關(guān)裝置上得到應(yīng)用，取得了較好的使用效果。
    BOA和CGIC是兩個基于Linux的開源軟件，代碼采用C語言實現(xiàn)，程序小巧靈活、執(zhí)行高效，非常適合于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。但目前多用于Linux或μClinux的系統(tǒng)平臺上。鮮見有用于其他系統(tǒng)的相關(guān)報道。
    其中BOA是一個單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，它的設(shè)計目標(biāo)主要是速度和安全。因此，它不像傳統(tǒng)的Web服務(wù)器，為每個訪問連接單獨開啟一個進(jìn)程，也不會為處理多個連接而開啟多個自身的拷貝。BOA對所有活動的HTTP在內(nèi)部進(jìn)行連接處理，只為每個CGI連接啟動新的進(jìn)程，在同等硬件下相比其他服務(wù)器具有更快的訪問速度。而CGIC是一個為支持通用網(wǎng)關(guān)接口CGI(Common Gateway Interface)而開發(fā)的C語言庫，通常和BOA聯(lián)合使用，它可接收由瀏覽器通過GET或POST方法傳輸過來的表單及文件數(shù)據(jù)，并提供了對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析的方法，使用非常方便，且源碼也易通過因特網(wǎng)獲得。
    基于以上原因，本文主要基于這兩種技術(shù)來實現(xiàn)IED裝置內(nèi)部的嵌入式web服務(wù)器功能。

1 系統(tǒng)概述
    嵌入式Web服務(wù)器EWS(Embedded Web Server)是指將Web服務(wù)器引入到現(xiàn)場測試和控制設(shè)備中，在相應(yīng)的硬件平臺和軟件系統(tǒng)的支持下，使傳統(tǒng)的測試和控制設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆淞艘訲CP／IP為底層通信協(xié)議，Web技術(shù)為核心的基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測試和控制設(shè)備。其中，Web瀏覽器和EWS的交互過程如圖1所示。

    首先由Web瀏覽器發(fā)出HTTP請求報文，并建立TCP連接，然后由EWS根據(jù)其請求報文來提供相應(yīng)的狀態(tài)和頁面信息，若只是請求靜態(tài)頁面，則無需通過CGI，直接返回該對應(yīng)頁面即可；反之則需要通過CGI來進(jìn)行相關(guān)報文數(shù)據(jù)的解析，并根據(jù)解析結(jié)果來生成動態(tài)頁面以返回給客戶端瀏覽器。這樣，完成一次交互過程后，即可釋放該TCP連接。
    本文的設(shè)計目標(biāo)是將Web服務(wù)器的功能僅作為DSP／BROS中的一個任務(wù)，只在監(jiān)聽到HTTP協(xié)議對應(yīng)端口(通常為80)上的TCP連接請求時，才運行該任務(wù)。但是傳統(tǒng)的BOA并沒有對用戶訪問權(quán)限的控制對頁面的管理也依賴于Linux系統(tǒng)，因此，結(jié)合變電站運行的特殊性，本文所設(shè)計的EWS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    系統(tǒng)運行時，由HTTP連接管理模塊負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行監(jiān)聽，當(dāng)監(jiān)聽到有連接請求到達(dá)后，即進(jìn)入HTTP報文解析模塊進(jìn)行處理，如果解析錯誤，則直接返回HTTP連接管理模塊，發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)報文并關(guān)閉該連接；否則，則根據(jù)對報文解析的結(jié)果，提取出本次要訪問的URL，并將其交給訪問權(quán)限管理模塊，以查看該客戶端是否具有足夠的權(quán)限；然后再轉(zhuǎn)由頁面文檔管理模塊進(jìn)行處理，根據(jù)對報文的初步解析以及對訪問權(quán)限的判斷，由頁面文檔管理模塊來決定是否調(diào)用CGI，以實現(xiàn)文件的下載上傳及響應(yīng)文檔的生成，從而將正確的響應(yīng)報文及頁面文檔轉(zhuǎn)交給HTTP連接管理模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的應(yīng)答回送。
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2 功能實現(xiàn)
2．1 HTTP連接管理的功能實現(xiàn)
    所謂HTTP連接管理，主要是指對連接到服務(wù)器端口的socket進(jìn)行監(jiān)聽、捕獲、讀寫、關(guān)閉，以及對HTTP請求報文協(xié)議字段的解析和響應(yīng)報文的生成等操作。其中，BOA可提供完整的HTTP協(xié)議數(shù)據(jù)解析及響應(yīng)報文生成的功能。因此，對和HTTP連接管理中相關(guān)的操作，基本上可直接采用BOA的相關(guān)代碼，實現(xiàn)起來難度不大。
    BOA中的連接狀態(tài)切換示意圖如圖3所示。

    當(dāng)程序每次監(jiān)聽到新的socket連接訪問接入時，首先對空閑隊列進(jìn)行判斷，如果為空，則申請一個request結(jié)構(gòu)空間，并將其插入就緒隊列的隊頭，否則可直接將一個結(jié)構(gòu)空間從空閑隊列轉(zhuǎn)入；對當(dāng)前正在處理的就緒隊列成員，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)阻塞時則將其移入阻塞隊列的隊頭，當(dāng)訪問結(jié)束斷開連接時，則將該成員的空間信息移入空閑隊列；而當(dāng)對阻塞隊列進(jìn)行輪詢時，根據(jù)其成員所對應(yīng)的socket上是有讀寫請求還是該連接已超時，分別將其移入就緒隊列或斷開連接移入空閑隊列。
    以上過程在BOA中主要是通過get_request、fdset_update和process_requests這三個函數(shù)來實現(xiàn)的，它們也是實現(xiàn)移植的重點，其他函數(shù)則相對簡單。在移植過程中，為了適應(yīng)嵌入式的應(yīng)用環(huán)境，在系統(tǒng)初始化時，給空閑隊列分配了足夠大的隊列空間，并對操作時所涉及的一些動態(tài)內(nèi)存分配的語句和結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，從而盡量減少連接過程中頻繁的內(nèi)存申請。另外，傳統(tǒng)的BOA對每個CGI連接啟動新的任務(wù)，在此考慮到配置數(shù)據(jù)的即時生效以及系統(tǒng)資源的節(jié)約，仍然在EWS的任務(wù)環(huán)境中處理該CGI連接。實驗證明，這種處理方法簡單可行，而且在裝置的應(yīng)用環(huán)境中對服務(wù)器的性能并無太大影響。
2．2 訪問權(quán)限管理的功能實現(xiàn)
    為了應(yīng)用時操作的安全性，本文將訪問的頁面分成兩類：一類為配置操作頁面，儀供認(rèn)證用戶訪問；另一類為設(shè)備狀態(tài)頁面，可供任何用戶訪問。其控制主要是通過對用戶IP的判別及訪問頁面的分類來實現(xiàn)的。首先對用戶訪問的URL進(jìn)行解析，如果訪問對象為配置操作頁面，則需要進(jìn)行認(rèn)證，在此通過一個用戶權(quán)限控制管理結(jié)構(gòu)來對通過權(quán)限認(rèn)證的用戶進(jìn)行維護(hù)，并提供一個時間摔制機制，使通過認(rèn)證的用戶在一定時間段內(nèi)可持續(xù)有效的對服務(wù)器進(jìn)行訪問。如果當(dāng)前客戶端(訪問者IP)在用戶權(quán)限控制結(jié)構(gòu)內(nèi)，且未超時，則通過認(rèn)證，由服務(wù)器根據(jù)本次申請的URL返回相應(yīng)頁面；若超時則需要對本次訪問的URL進(jìn)行重定向，返回密碼校驗頁面，給用戶提供密碼輸入的接口。如果訪問頁面為設(shè)備狀態(tài)頁面，則無需進(jìn)行認(rèn)證，直接由URL返回相應(yīng)頁面即可。訪問權(quán)限認(rèn)證程序流程如圖4所示。[!--empirenews.page--]

    通過以上過程的處理，即可實現(xiàn)對訪問權(quán)限的控制與管理。
2．3 頁面文檔管理及生成的功能實現(xiàn)
    由于配置環(huán)境的需要，設(shè)計頁面較多，如果將所有頁面均存儲在Flash上，文件讀寫的問題將更為突出。為此，本文設(shè)計了一個如圖5所示的網(wǎng)頁頁面文件管理結(jié)構(gòu)來對頁面文件進(jìn)行管理。

    下面介紹具體處理過程。
    首先，對所有頁面無論是靜態(tài)還是動態(tài)頁面，均建立一個對應(yīng)的模板文件，并將該模板文件的內(nèi)容以全局靜態(tài)字符串的形式直接寫在程序中。在系統(tǒng)初始化時對各模板內(nèi)容的大小進(jìn)行統(tǒng)計，并按下式對各文件的最大容量進(jìn)行粗略的估算：
    mS=sizeof(pT)×1．2
    其中：mS為估算的頁面內(nèi)容最大尺寸，sizeof(pT)則為該頁面對應(yīng)模板的實際大小(以上兩者均以字節(jié)為單位)。
    按上式估算出頁面的最大尺寸后，為保證對頁面分配內(nèi)存時空間的連續(xù)性，根據(jù)所有頁面的最大尺寸和，一次性分配一個較大的內(nèi)存空間，并將該空間按各個頁面所對應(yīng)的最大尺寸依次與該頁面對應(yīng)的管理結(jié)構(gòu)內(nèi)的文件內(nèi)容指針相關(guān)聯(lián)。這樣，每次因配置的修改導(dǎo)致頁面內(nèi)容發(fā)生變化時，僅需對該指針?biāo)赶虻目臻g內(nèi)容進(jìn)行修改即可，而僅在保存配置數(shù)據(jù)時，通過配置文件更新函數(shù)將其存儲在Flash中。這樣既避免了為修改頁面文件內(nèi)容而申請內(nèi)存的操作，又避免了為存儲頁面內(nèi)容而頻繁進(jìn)行的Flash讀寫操作，從而提高了該EWS的效率。[!--empirenews.page--]
    對于EWS中動態(tài)頁面的生成則要經(jīng)過動態(tài)數(shù)據(jù)解析以及解析數(shù)據(jù)的模板頁面回填這兩個過程。在通常的Web交互中，大量動態(tài)數(shù)據(jù)是通過表單的形式體現(xiàn)在html頁面設(shè)計之中的。而一般上送的表單數(shù)據(jù)(文件上傳除外)在GET和POST兩種方法下，除了在HTTP請求報文中小現(xiàn)位置的不同外(GET方法下位于請求行，POST方法下位于實體主體部分)，其組織形式并無差別，如下所示：
    e_1-v 1＆e 2=v 2…＆e N=v N
    其中e_N代表表單數(shù)據(jù)中的元素名，v_N代表該元素的取值。
    因此，當(dāng)連接管理模塊從請求報文中提取出表單數(shù)據(jù)后，即可對這兩種方法下的提交數(shù)據(jù)采用相同的解析方法。CGIC采用以下方法來實現(xiàn)其解析過程。
    首先，通過對表單數(shù)據(jù)字符串的節(jié)點分析，用一個單向鏈表來對表單數(shù)據(jù)中的每個元素進(jìn)行維護(hù)，在鏈表成員中包括了對元素名及其值的管理，并針對不同的元素類型提供了一系列接口。解析步驟如下：
    ①用于獲取列表框取值的函數(shù)接口cgiFormSelectSingle。
    ②用于獲取文本框取值的函數(shù)接口cgiFormString。
    ③用于獲取復(fù)選框取值的函數(shù)接口cgiFormCheckboxMultiple。
    在需要訪問元素時，只需提供相應(yīng)的元素名，就可方便地使用這些接口對管理鏈表遍歷來獲得相應(yīng)元素的取值。
    當(dāng)CGIC移植時，只需對相應(yīng)元素解析對應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行所選系統(tǒng)的修改即可。需要注意的是，對列表和復(fù)選框等非字符取值的獲取，還需按照用戶定義的取值設(shè)置，對相應(yīng)的接口進(jìn)行一定的修改，以適應(yīng)用戶對元素取值范圍的靈活要求。
    所謂解析數(shù)據(jù)的模板頁面回填，是指在動態(tài)頁面設(shè)計中，按照模板中的頁面顯示格式，將頁面中各元素的取值寫入html模板文件中的對應(yīng)位置。html標(biāo)簽代碼如下：
    <input name=“devName”type=“text”
    value=“***”size=“15”／>
    它在頁面上表示一元素名為“devName”，取值為“***”的文本框，在數(shù)據(jù)回填到模板頁面時，需要根據(jù)具體的取值如“devl”寫到原“***”的對應(yīng)位置上去。結(jié)果如下：
    <input name=“devName”type=“text”
    value=“devl”size=“15”／>
    本文采用以下方法來實現(xiàn)這一處理過程。首先，沒計頁面模板時在每個需要進(jìn)行動態(tài)修改的頁面元素前加上不同的注釋語句，對以上html標(biāo)簽，可加的注釋語句如下(單獨一行)：
    <!-devName_id->
    在每次解析完表單數(shù)據(jù)并且需要對動態(tài)頁面進(jìn)行重新生成時，就可以通過對模板文件的逐行讀取，來查找相應(yīng)的注釋語句，從而確定數(shù)據(jù)更新的位置。然后再根據(jù)具體的元素取值生成新的html標(biāo)簽字符串，用來對注釋語句后的標(biāo)簽字符串進(jìn)行替換。通過以上過程，即可方便地實現(xiàn)解析數(shù)據(jù)的模板頁面回填，從而生成相應(yīng)的動態(tài)頁面。
2．4 文件下載和上傳的功能實現(xiàn)
    文件下載和上傳是服務(wù)器經(jīng)常具有的一項功能，相對來說文件下載較為簡單，只需將下載時訪問的URL定位于目標(biāo)文件，然后再由服務(wù)器將該文件的內(nèi)容直接上送給瀏覽器。而文件上傳功能的實現(xiàn)則相對復(fù)雜，下面對其設(shè)計過程進(jìn)行詳細(xì)的說明。
    首先，要實現(xiàn)文件的上傳，在其頁面設(shè)計時必須采用POST方法來對表單數(shù)據(jù)進(jìn)行提交，并且需要在頁面中將其編碼方式修改為“multipa rt／form-data”，否則將無法在瀏覽器端進(jìn)行文件上傳。然后，通過html表單中的文件元素來進(jìn)行上傳文件的選擇。
    通過以上設(shè)置，上傳給服務(wù)器的http報文數(shù)據(jù)將以multipart的編碼形式出現(xiàn)。其特點是，在每個表單元素項的前后均加有一行分界字符串。以文件元素為例，其格式如下：
    --------------------------------7db01d60ffc
Content-Disposition：form-data；name=“file”； filename=“1．TXT”Content-Type：text／plain
    This is a txt file．
    --------------------------------7db01d60ffc
    其中，“----------------------------7db01d60ffc”為分界字符串。CGlC也提供了對該格式的解析支持。它首先提取出分界字符串，然后再通過cgiParsePostMultltpartInput函數(shù)的操作來實現(xiàn)報文中各表單元素數(shù)據(jù)以及文件數(shù)據(jù)的解析。提取出文件數(shù)據(jù)后，即可將文件內(nèi)容按指定的路徑保存在相應(yīng)的Flash存儲區(qū)中。

3 性能測試
    通過以上各環(huán)節(jié)，即可實現(xiàn)一個相對完整的EWS。綜合以上各個模塊。
    在主頻600 MHz的TMS320DM642處理器上對該EWS從收到請求建立連接到響應(yīng)結(jié)束斷開連接的時間進(jìn)行測試，EWS性能測試如表1所列。

    其中，由于采用了框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，在訪問索引主頁時，涉及的訪問請求次數(shù)較多，所以其測試時間相比其他單次請求來說要較長一些?？傮w來看，該EWS具有比較快速的服務(wù)響應(yīng)時間，能夠滿足具體應(yīng)用環(huán)境的要求。

結(jié)語
    本文在BOA和CGIC的基礎(chǔ)上，通過對其代碼的修改以及HTTP協(xié)議報文的分析，將原本運行于Linux平臺上獨立的兩個程序進(jìn)行有機的結(jié)合，成功地將其整合為DSP／BIOS中的一個任務(wù)，并提出了一種適合一般嵌入式系統(tǒng)使用的訪問權(quán)限及對Web頁面的管理及動態(tài)生成機制。同時，完成了文件的上傳與下載功能，成功實現(xiàn)了一個相對完整的EWS。