一種實(shí)用的嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)

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(duì)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(cè)問題，本文通過對(duì)Linux平臺(tái)上的BOA服務(wù)器和CGIC的源碼進(jìn)行研究和修改，設(shè)計(jì)了一種實(shí)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(yùn)行，在不影響IED原有功能的前提下對(duì)用戶提供Web服務(wù)，同時(shí)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(duì)Web頁(yè)面的管理及動(dòng)態(tài)生成機(jī)制，并支持Web方式下文件的上傳與下載。它為變電站現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化系統(tǒng)，其中一個(gè)重要特征就是二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化。目前在國(guó)內(nèi)的數(shù)字化變電站試點(diǎn)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)IED參數(shù)的在線修改與配置，從而極大地方便了對(duì)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(jì)，單純?cè)贗ED上實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器功能的報(bào)道尚不多見。本文通過對(duì)Linux平臺(tái)上運(yùn)行的BoA Web服務(wù)器和CGIC的研究，將原本兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的程序整合為多任務(wù)系統(tǒng)中的一個(gè)任務(wù)實(shí)體，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的精簡(jiǎn)和修改；設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可在一般嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行的，既相對(duì)簡(jiǎn)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(gè)基于Linux的開源軟件，代碼采用C語(yǔ)言實(shí)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(tái)上。鮮見有用于其他系統(tǒng)的相關(guān)報(bào)道。
    其中BOA是一個(gè)單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，它的設(shè)計(jì)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(gè)訪問連接單獨(dú)開啟一個(gè)進(jìn)程，也不會(huì)為處理多個(gè)連接而開啟多個(gè)自身的拷貝。BOA對(duì)所有活動(dòng)的HTTP在內(nèi)部進(jìn)行連接處理，只為每個(gè)CGI連接啟動(dòng)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(gè)為支持通用網(wǎng)關(guān)接口CGI(Common Gateway Interface)而開發(fā)的C語(yǔ)言庫(kù)，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(duì)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(shí)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(chǎng)測(cè)試和控制設(shè)備中，在相應(yīng)的硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)的支持下，使傳統(tǒng)的測(cè)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(cè)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(qǐng)求報(bào)文，并建立TCP連接，然后由EWS根據(jù)其請(qǐng)求報(bào)文來提供相應(yīng)的狀態(tài)和頁(yè)面信息，若只是請(qǐng)求靜態(tài)頁(yè)面，則無(wú)需通過CGI，直接返回該對(duì)應(yīng)頁(yè)面即可；反之則需要通過CGI來進(jìn)行相關(guān)報(bào)文數(shù)據(jù)的解析，并根據(jù)解析結(jié)果來生成動(dòng)態(tài)頁(yè)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(jì)目標(biāo)是將Web服務(wù)器的功能僅作為DSP／BROS中的一個(gè)任務(wù)，只在監(jiān)聽到HTTP協(xié)議對(duì)應(yīng)端口(通常為80)上的TCP連接請(qǐng)求時(shí)，才運(yùn)行該任務(wù)。但是傳統(tǒng)的BOA并沒有對(duì)用戶訪問權(quán)限的控制對(duì)頁(yè)面的管理也依賴于Linux系統(tǒng)，因此，結(jié)合變電站運(yùn)行的特殊性，本文所設(shè)計(jì)的EWS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由HTTP連接管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行監(jiān)聽，當(dāng)監(jiān)聽到有連接請(qǐng)求到達(dá)后，即進(jìn)入HTTP報(bào)文解析模塊進(jìn)行處理，如果解析錯(cuò)誤，則直接返回HTTP連接管理模塊，發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)報(bào)文并關(guān)閉該連接；否則，則根據(jù)對(duì)報(bào)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(yè)面文檔管理模塊進(jìn)行處理，根據(jù)對(duì)報(bào)文的初步解析以及對(duì)訪問權(quán)限的判斷，由頁(yè)面文檔管理模塊來決定是否調(diào)用CGI，以實(shí)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(bào)文及頁(yè)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(shí)現(xiàn)
2．1 HTTP連接管理的功能實(shí)現(xiàn)
    所謂HTTP連接管理，主要是指對(duì)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(duì)HTTP請(qǐng)求報(bào)文協(xié)議字段的解析和響應(yīng)報(bào)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(bào)文生成的功能。因此，對(duì)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(shí)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(shí)，首先對(duì)空閑隊(duì)列進(jìn)行判斷，如果為空，則申請(qǐng)一個(gè)request結(jié)構(gòu)空間，并將其插入就緒隊(duì)列的隊(duì)頭，否則可直接將一個(gè)結(jié)構(gòu)空間從空閑隊(duì)列轉(zhuǎn)入；對(duì)當(dāng)前正在處理的就緒隊(duì)列成員，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)阻塞時(shí)則將其移入阻塞隊(duì)列的隊(duì)頭，當(dāng)訪問結(jié)束斷開連接時(shí)，則將該成員的空間信息移入空閑隊(duì)列；而當(dāng)對(duì)阻塞隊(duì)列進(jìn)行輪詢時(shí)，根據(jù)其成員所對(duì)應(yīng)的socket上是有讀寫請(qǐng)求還是該連接已超時(shí)，分別將其移入就緒隊(duì)列或斷開連接移入空閑隊(duì)列。
    以上過程在BOA中主要是通過get_request、fdset_update和process_requests這三個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，它們也是實(shí)現(xiàn)移植的重點(diǎn)，其他函數(shù)則相對(duì)簡(jiǎn)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(shí)，給空閑隊(duì)列分配了足夠大的隊(duì)列空間，并對(duì)操作時(shí)所涉及的一些動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的語(yǔ)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(qǐng)。另外，傳統(tǒng)的BOA對(duì)每個(gè)CGI連接啟動(dòng)新的任務(wù)，在此考慮到配置數(shù)據(jù)的即時(shí)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(shí)驗(yàn)證明，這種處理方法簡(jiǎn)單可行，而且在裝置的應(yīng)用環(huán)境中對(duì)服務(wù)器的性能并無(wú)太大影響。
2．2 訪問權(quán)限管理的功能實(shí)現(xiàn)
    為了應(yīng)用時(shí)操作的安全性，本文將訪問的頁(yè)面分成兩類：一類為配置操作頁(yè)面，儀供認(rèn)證用戶訪問；另一類為設(shè)備狀態(tài)頁(yè)面，可供任何用戶訪問。其控制主要是通過對(duì)用戶IP的判別及訪問頁(yè)面的分類來實(shí)現(xiàn)的。首先對(duì)用戶訪問的URL進(jìn)行解析，如果訪問對(duì)象為配置操作頁(yè)面，則需要進(jìn)行認(rèn)證，在此通過一個(gè)用戶權(quán)限控制管理結(jié)構(gòu)來對(duì)通過權(quán)限認(rèn)證的用戶進(jìn)行維護(hù)，并提供一個(gè)時(shí)間摔制機(jī)制，使通過認(rèn)證的用戶在一定時(shí)間段內(nèi)可持續(xù)有效的對(duì)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(shí)，則通過認(rèn)證，由服務(wù)器根據(jù)本次申請(qǐng)的URL返回相應(yīng)頁(yè)面；若超時(shí)則需要對(duì)本次訪問的URL進(jìn)行重定向，返回密碼校驗(yàn)頁(yè)面，給用戶提供密碼輸入的接口。如果訪問頁(yè)面為設(shè)備狀態(tài)頁(yè)面，則無(wú)需進(jìn)行認(rèn)證，直接由URL返回相應(yīng)頁(yè)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(shí)現(xiàn)對(duì)訪問權(quán)限的控制與管理。
2．3 頁(yè)面文檔管理及生成的功能實(shí)現(xiàn)
    由于配置環(huán)境的需要，設(shè)計(jì)頁(yè)面較多，如果將所有頁(yè)面均存儲(chǔ)在Flash上，文件讀寫的問題將更為突出。為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)如圖5所示的網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面文件管理結(jié)構(gòu)來對(duì)頁(yè)面文件進(jìn)行管理。

    下面介紹具體處理過程。
    首先，對(duì)所有頁(yè)面無(wú)論是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)頁(yè)面，均建立一個(gè)對(duì)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(shí)對(duì)各模板內(nèi)容的大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按下式對(duì)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(yè)面內(nèi)容最大尺寸，sizeof(pT)則為該頁(yè)面對(duì)應(yīng)模板的實(shí)際大小(以上兩者均以字節(jié)為單位)。
    按上式估算出頁(yè)面的最大尺寸后，為保證對(duì)頁(yè)面分配內(nèi)存時(shí)空間的連續(xù)性，根據(jù)所有頁(yè)面的最大尺寸和，一次性分配一個(gè)較大的內(nèi)存空間，并將該空間按各個(gè)頁(yè)面所對(duì)應(yīng)的最大尺寸依次與該頁(yè)面對(duì)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(yè)面內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)，僅需對(duì)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(shí)，通過配置文件更新函數(shù)將其存儲(chǔ)在Flash中。這樣既避免了為修改頁(yè)面文件內(nèi)容而申請(qǐng)內(nèi)存的操作，又避免了為存儲(chǔ)頁(yè)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(duì)于EWS中動(dòng)態(tài)頁(yè)面的生成則要經(jīng)過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)解析以及解析數(shù)據(jù)的模板頁(yè)面回填這兩個(gè)過程。在通常的Web交互中，大量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是通過表單的形式體現(xiàn)在html頁(yè)面設(shè)計(jì)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(qǐng)求報(bào)文中小現(xiàn)位置的不同外(GET方法下位于請(qǐng)求行，POST方法下位于實(shí)體主體部分)，其組織形式并無(wú)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(qǐng)求報(bào)文中提取出表單數(shù)據(jù)后，即可對(duì)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(shí)現(xiàn)其解析過程。
    首先，通過對(duì)表單數(shù)據(jù)字符串的節(jié)點(diǎn)分析，用一個(gè)單向鏈表來對(duì)表單數(shù)據(jù)中的每個(gè)元素進(jìn)行維護(hù)，在鏈表成員中包括了對(duì)元素名及其值的管理，并針對(duì)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(shí)，只需提供相應(yīng)的元素名，就可方便地使用這些接口對(duì)管理鏈表遍歷來獲得相應(yīng)元素的取值。
    當(dāng)CGIC移植時(shí)，只需對(duì)相應(yīng)元素解析對(duì)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(duì)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(duì)相應(yīng)的接口進(jìn)行一定的修改，以適應(yīng)用戶對(duì)元素取值范圍的靈活要求。
    所謂解析數(shù)據(jù)的模板頁(yè)面回填，是指在動(dòng)態(tài)頁(yè)面設(shè)計(jì)中，按照模板中的頁(yè)面顯示格式，將頁(yè)面中各元素的取值寫入html模板文件中的對(duì)應(yīng)位置。html標(biāo)簽代碼如下：
    <input name=“devName”type=“text”
    value=“***”size=“15”／>
    它在頁(yè)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(yè)面時(shí)，需要根據(jù)具體的取值如“devl”寫到原“***”的對(duì)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(shí)現(xiàn)這一處理過程。首先，沒計(jì)頁(yè)面模板時(shí)在每個(gè)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改的頁(yè)面元素前加上不同的注釋語(yǔ)句，對(duì)以上html標(biāo)簽，可加的注釋語(yǔ)句如下(單獨(dú)一行)：
    <!-devName_id->
    在每次解析完表單數(shù)據(jù)并且需要對(duì)動(dòng)態(tài)頁(yè)面進(jìn)行重新生成時(shí)，就可以通過對(duì)模板文件的逐行讀取，來查找相應(yīng)的注釋語(yǔ)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(duì)注釋語(yǔ)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(shí)現(xiàn)解析數(shù)據(jù)的模板頁(yè)面回填，從而生成相應(yīng)的動(dòng)態(tài)頁(yè)面。
2．4 文件下載和上傳的功能實(shí)現(xiàn)
    文件下載和上傳是服務(wù)器經(jīng)常具有的一項(xiàng)功能，相對(duì)來說文件下載較為簡(jiǎn)單，只需將下載時(shí)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(shí)現(xiàn)則相對(duì)復(fù)雜，下面對(duì)其設(shè)計(jì)過程進(jìn)行詳細(xì)的說明。
    首先，要實(shí)現(xiàn)文件的上傳，在其頁(yè)面設(shè)計(jì)時(shí)必須采用POST方法來對(duì)表單數(shù)據(jù)進(jìn)行提交，并且需要在頁(yè)面中將其編碼方式修改為“multipa rt／form-data”，否則將無(wú)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(bào)文數(shù)據(jù)將以multipart的編碼形式出現(xiàn)。其特點(diǎn)是，在每個(gè)表單元素項(xiàng)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(duì)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(shí)現(xiàn)報(bào)文中各表單元素?cái)?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(chǔ)區(qū)中。

3 性能測(cè)試
    通過以上各環(huán)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)完整的EWS。綜合以上各個(gè)模塊。
    在主頻600 MHz的TMS320DM642處理器上對(duì)該EWS從收到請(qǐng)求建立連接到響應(yīng)結(jié)束斷開連接的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，EWS性能測(cè)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(jì)，在訪問索引主頁(yè)時(shí)，涉及的訪問請(qǐng)求次數(shù)較多，所以其測(cè)試時(shí)間相比其他單次請(qǐng)求來說要較長(zhǎng)一些。總體來看，該EWS具有比較快速的服務(wù)響應(yīng)時(shí)間，能夠滿足具體應(yīng)用環(huán)境的要求。

結(jié)語(yǔ)
    本文在BOA和CGIC的基礎(chǔ)上，通過對(duì)其代碼的修改以及HTTP協(xié)議報(bào)文的分析，將原本運(yùn)行于Linux平臺(tái)上獨(dú)立的兩個(gè)程序進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，成功地將其整合為DSP／BIOS中的一個(gè)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(duì)Web頁(yè)面的管理及動(dòng)態(tài)生成機(jī)制。同時(shí)，完成了文件的上傳與下載功能，成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)完整的EWS。