（模式识别与智能系统专业论文）嵌入式web服务器网关系统的研究与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术和网络技术的飞速发展，嵌入式系统结合i n t e m e t 技术是一种必然 趋势。目前，工控领域研究的热点问题包括嵌入式i n t e r a c t 设备应用于工业监控系统实 现远程监控。 嵌入式w e b 服务器网关正是应用嵌入式i a t e m e t 技术实现远程监控的一种高性能、 低成本的网络设备。该设备有如下特点：作为w e b 服务器，i n t e r n e t 网络中的用户可 以通过浏览器以网页的形式方便地监控现场设备；作为网关，可以实现大范围的信息高 速传输和资源共享；集成有多种工业现场总线接1 3 ，满足不同接口的现场设备与i n t e m e t 联网的需求。 本文首先分析了嵌入式系统网络化的发展趋势，提出嵌入式i n t e m e t 设备应用于工 业监控系统中的必然性，并论述了现场总线和以太网无缝连接的最佳方案是在监控系统 中应用嵌入式w e b 服务器网关，然后分析了实现嵌入式w e b 服务器网关系统的一系 列关键技术，例如嵌入式i n t e m e t 技术、嵌入式t c p i p 协议栈、c g i 接口技术、现场总 线技术和网络安全；设计并实现了基于5 l 单片机的嵌入式w e b 服务器网关，软件设计 基于模块化，可移植性强；利用自行开发的上层监控软件组建了测试系统，并测试了系 统的性能；研究了基于5 l 单片机的嵌入式w e b 服务器网关的软件移植性，最后给出了 嵌入式w e b 服务器网关系统的发展模型。 本文以5 l 单片枫的嵌入式w e b 服务器网关为实例，研究了嵌入式w e b 服务器 网关在安全性、可靠性和实时性三个方面的实际性能，奠定了开发中高端嵌入式w e b 服务器网关系统的基石，并探讨了嵌入式w e b 服务器网关系统的发展方向。系统方案 设计合理，兼具通用性和扩展性，对嵌入式i n t e m e t 设备应用于工业监控系统实现远程 监控的推广具有一定的参考价值，应用前景广阔。 关键词：嵌入式；w e b 服务器；网关；以太网；现场总线 大连理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no f e m b e d d e dw e bs e r v e rg a t e w a ys y s t e m a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y i ti sa n i n e v i t a b l et r e n dt h a tt h ee m b e d d e ds y s t e mc o m b i n e sw i t hi n t e r n e tt e c h n o l o g y a tt h ep r e s e m t i m e ，i ti so n eo ft h es t u d yh o t s p o t si nt h ea r e ao fi n d u s t r i a lc o n t r o l ，w h i c ha p p l i e st h e e m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g yt ot h ea r e ao fm d u s t r i a lm o n i t o r i n gs y s t e mt or e a l i z er e m o t e m o n i t o r i n g t h ee m b e d d e dw e b 螂e rg a t e w a yi sak i n d o fn e t w o r ke q u i p m e n t sw i t hh i g h p e r f o r m a n c ea n d l o wc o s t i ta p p l i e st h ee m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g yt or e a l i z i n gr e m o t e m o n i t o r i n g , a n dh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：u s i n gi ta saw e bs e r v e r , o nt h ei n t e m e t , u s e r s c a nc o n v e n i e n t l ya c c e s sa n dm o n i t a ri n d u s t r i a lf i e l de q u i p m e n t sv i aw e bb r o w s e ；a sa g a t e w a y ，i tc a nr e a l i z el a r g e _ s c a l eh i g h - s p e e di n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n dr e s o u r c e ss h a r i n g ； i t i n t e g r a t e sw i t hm a n yk i n d so ff i e l d - b u si n t e r f a c e d i f f e r e n ti n t e r f a c ei n d u s 埘a lf i e l d e q u i p m e n t se a uc o m b i n e w i t hi n t e m e tv i at h ee m b e d d e dw e bs c l v e rg a t e w a y t os t a r tw i t h , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n ti r e n do fm a k i n gt h ee m b e d d e ds y s t e m c o n n e c t e dt oi n t e m e t p r o p o s e st h a ti ti s 强i n e v i t a b l et r e n dt h a ta p p l i e se m b e d d e di n t e m e t e q u i p m e n tt oi n d u s t r ym o n i t o r i n gs y s t e m , a n dd i s c u s s e st h er e s o l v e n to fa l l o w i n gi n d u s t r i a l f i e l d - b u sa n de t h e m e tt ow o r kt o w a r ds e a m l e s sc o n n e c t i v i t y a p p l y i n gt h ee m b e d d e dw e b s e l v e l g a t e w a y t 0 m o n i t o r i n gs y s t e mi s t h eb e s tc h o i c e ；a t t e r w a r d as e r i e so fk e y t e c h n o l o g i e sa r ea n a l y z e d , s u c ha se m b e d d e di n t e r a c t , e m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c k , c g i t e c h n o l o g y f i e l d - b u sp r o t o c o la n dn e t w o r ks e c u r i t y e m b e d d e dw e b 翻= r v 口g a t e w a yb a s e d o n5 1m c ui sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h es o f t w a r ei sb a s e do nm o d u l a r i z a t i o na n dh a s s t r o n gp o r t a b i l i t y b yu s i n gt h em o m t o r i n gs o f t w a r e ，at e s ts y s t e mi sf o u n d e da n dt h e p e r f o r m a n c eo f t h ee m b e d d e ds y s t e mb a s e do n5 1m c u i st e s t e d t h es o f t w a r ep o r t a b i l i t yo f t h ee m b e d d e dw e bs e l v g l g a t e w a yb a s e do n5 1m c ui ss t u d i e d i nt h ee n d ，e m b e d d e dw e b 船l v e rg a t e w a yd e v e l o p m e n tm o d e la r eg i v e n t a k i n ge m b e d d e dw e b $ e l v e l g a t e w a yb a s e do n5 1m c ua sa l le x a m p l e , s e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n dt h er e a l t i m ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h ee m b e d d e dw e b s e r v e rg a t e w a yi s s t u d i e d ，w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o ns t o n eo fd e v e l o p i n gh i g hp e r f o r m a n c ee m b e d d e dw e b s e r v e rg a t e w a y t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dw e b i v g i g a t e w a yi sd i s c u s s e d s y s t e m s c h e m ei sr e a s o n a b l ea n di th a sb o t hc o m p a t i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y i tp r o v i d e sac f f t t a i n 嵌入式w e b 服务器网关系统的研究与实现 r e f e r e n c ev a l u ef o rt h ep o p u l a r i z a t i o no f a p p l y i n ge m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g yt ot h ea r e ao f i n d u s t r i a lm o n i t o r i n gs y s t e mt or e a l i z er e m o t em o n i t o r i n g i th a sb r i g h ta p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：e m b e d d e d ；w e bs e r v e r ；g a t e w a y ；e t h e r n e t ；f i e l db u s i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：翟单一日期：上婴幽 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规 定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：i i 垒! 缉 导师签名 毽 趔年蔓月j 圭日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 嵌入式系统 1 1 1 嵌入式系统的概念及其发展历程 所谓嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ，实际上是“嵌入式计算机系统”的简称。 它一直是i t 技术专家研究和应用的热点，但目前为止没有统一权威的定义。从功能应 用特征看，嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。从系统整体 看，嵌入式系统是操作系统和功能软件集成于计算机硬件中的一体化系统。它采用类似 b i o s 的工作方式，具有软件代码少、高度自动化、响应速度快等特点。嵌入式系统一 般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序四个部分组成， 用于实现对其他设备的控制、监视或管理。 嵌入式系统的发展历程大致可以分成三个阶段【l 】： 第一代嵌入式系统是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，它们大部分应用 于专业性极强的工业控制领域，没有操作系统的支持，只通过汇编语言直接进行系统的 控制。系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小， 几乎没有用户接口。 第二代嵌入式系统是以嵌入式c p u 为基础，以专用简单操作系统为核心的嵌入式 系统。操作系统的引入大大改善和增强了系统软件结构和功能。系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性较弱；操作系统有一定兼容性和扩展性，但不成熟；应用软件较专业， 用户界面不够友好。 第三代嵌入式系统是以嵌入式操作系统为标志。该阶段的嵌入式操作系统能运行于 各种不同类型的微处理器上，兼容性好，内核小，效率高，且具有高度的模块化和扩展 性，适于针对具体应用要求作裁剪和移植；具备多任务、良好用户界面、文件和目录管 理、网络支持等功能。 随着计算机技术和网络技术的飞速发展，i n t e m e t 技术正逐步向嵌入式系统领域渗 透。嵌入式系统的发展又步入了一个崭新的时代。 1 1 2 网络技术在嵌入式系统中的应用 嵌入式系统与网络技术的结合正是顺应着低成本、高性能、网络化的时代潮流，是 嵌入式系统迅速发展的方向，开创着嵌入式技术的美好未来。嵌入式系统与网络技术结 嵌入式w e b 服务器网关系统的研究与实现 合，就是开发基于t c p i p 协议栈的i n t e m e t 互联的嵌入式系统，即嵌入式i n t e m e t 设备。 它可以实现远程监控、管理、诊断和维护现场设备，实现各种智能设备，例如家用电器、 工业控制装置或仪器、安全监控系统、汽车电子等与i n t e m e t 网络的互联。 1 2 研究嵌入式w e b 服务器网关系统的目的 1 2 1 课题研究的背景 不妨设想，如果在工业控制网络体系结构的纵向上，可以实现工业控制网络和 i n t e m e t 网络的无缝连接，那么整个工控网络就好像只有一种通信协议，可以满足控制 系统各个层次的要求，实现生产、管理和控制一体化。如果在工业网络体系结构的横向 上，可以使多种工业控制网络统一协议标准，那么企业生产底层具有各种总线类型接口 的现场仪表和设备就可以通讯，实现设备无差别化。然而，设想无论多么完美，没有推 动力和可行性是无法变成现实的，设想也就是随风消逝的美梦罢了。 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域迅速扩大，覆 盖了从企业的现场设备到控制、管理的各个层次，从工段、车问、工厂、企业乃至世界 各地的市场。所以，如何更好的实现企业内现场控制、过程监控、经营管理、市场管理 等各层次的汇通和数据共享，即实现“管理监控一体化”，是各个企业迫切需要解决的 问题。工业控制网络和i n t e m e t 的无缝连接能够促进企业的网络化发展，顺应工业监控 系统的发展潮流，具有强大的社会推动力和生命力。丰厚的利润和可观的前景使得国内 外许多工控厂商和专家纷纷投入大量的人力、物力和财力，相继提出了多种不同的解决 方案，将理想的工业控制网络转换成了现实。其中，最具代表性的方案有如下两种： 方案一：将以太网作为现场总线延伸到工厂底层，实现工业以太网的“一网到底” 方案； 方案二；现场总线和以太网通过网络设备连接，实现“现场总线集成以太网”方案。 就第一种方案而言，计算机网络技术和工业控制网络技术发展到今天，各种网络通 讯协议为适应时代的潮流，不断完善自身，在各自领域的应用已经根深蒂固。仅仅依靠 网络技术的发展实现理想的天下大同局面是不可能的。这主要有以下两个原因： ( 1 ) 工业现场总线不能被替代 现场总线是一种底层控制网络，与工厂底层的现场设备直接相连，将现场设备互连 成通信网络，实现现场设备之间的信息共享。现场总线凭借其六个技术特点【2 l ：系统的 开放性、互可操作性和互用性、信号传输数字化、现场设备智能化与功能自治性、系统 结构高度分散和对现场环境的适应性，促使了控制系统的网络化，在工业控制领域迅速 得到了广泛的应用。 大连理工大学硕士学位论文 现场总线存在着一系列问题，其中以标准问题最为突出。基于现场总线的诸多优点 和强大竞争力，2 0 世纪8 0 年代起，世界各国的工控厂商都投入大量的人力、物力和财 力，纷纷推出各自的现场总线产品。f f 、p r o f i b u s 、c a n 、l o n w o r k s 和h a r t 等一批 实力雄厚的产品在大量的应用中深入人心【3 】。它们各具特色，不同总线的应用背景和技 术特点各不相同，没有一种现场总线能覆盖所有的应用。例如，f f 主要用于流程工业， p r o f i b u s 主要用于离散工业，l o n w o r k s 主要用于楼宇自动化，c a n 主要用于汽车制造 业等等。这些现场总线有着各自的体系结构、标准、发展特色和背景，因此各有其专攻 的市场及拥护者。由于受集团利益的驱使与限制，现场总线至今还无法协商出国际标准。 各大现场总线各据一方已成定局，现场总线提出的实现开放、互操作、彻底分散的分布 式控制系统的理想难以实现，不同生产商的产品无法兼容，系统费用居高不下。再者， 在实际应用中一个全面的系统很可能采用多种现场总线，特别是中国那些高速成长的终 端用户，在企业的不同发展阶段采购不同规格的设备，具有多种现场总线接口，而且国 际范围的跨国制造装备几乎不可能统一技术前沿的现场总线。因此，需要多种总线技术 控制底层设备。 综上所述，多种现场总线将长期并存，并应用于特定的领域。 ( 2 1 工业以太网不能广泛应用于工业 以太网是当今最流行、应用最广泛的通信技术，具有价格低、多种传输介质可选、 高速度、易组网等诸多优点，但以太网技术应用于工业现场仍然存在着一些问题【4 】。以 太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问协议( c s m a c d ) 以及二进制指数退避算法 e b ) ，存在碰撞的可能性，造成响应时间的不确定性，使信息不能按要求正常传递， 无法满足工业控制网络所要求的数据传输的实时性和确定性。传统的以太网主要应用于 办公自动化领域，其所用的插接器件、集线器、交换机和电缆等都是为办公室应用而设 计的，抗干扰能力差，难以满足工业现场的恶劣环境要求。以太网标准仅仅定义了 i s o o s i 参考模型的物理层和数据链路层，即使再加上t c p i p 协议也只是提供了网络层 和传输层的功能，缺乏应用于工业控制领域的应用层协议。 随着网络技术的发展，工业以太网技术有了长足的进步。为解决以太网应用于工业 现场中所存在的各种问题，提供了多种手段以及解决方案【4 】。交换式以太网技术、高速 以太网技术、虚拟局域网w l a n ) 技术、全双工通信技术、口的服务质量( q o s ) 技术的发 展与相互结合应用，大大提高了以太网系统中信息传输的实时性和确定性。为了适应工 业现场恶劣环境的要求，美国s y n e r g e t i c 微系统公司和德国h i r s c h m a n n 、j e t t e ra g 等公 司也开发了专用产品使得以太网技术能够应用在恶劣工业现场环境中，用以提高以太网 的可靠性。在以太网和t c p i p 协议的基础上，建立完整有效的通信服务模型，制定有 嵌入式w e b 服务器网关系统的研究与实现 效的以太网服务机制，协调好工业控制系统中实时与非实时信息的传输，开发能够被广 泛接受的应用层协议，也就是所谓的工业以太网协议，解决商用计算机采用的应用层协 议不能适应工业过程控制领域的问题。目前已经制定的工业以太网协议有 m o d b u s 厂i p 、p r o f i n e t 、e t h e m e t i p 、h s e 等。 的确，工业以太网的快速发展使得以太网技术在工业控制领域更加如鱼得水，但要 想在大范围内使用工业以太网，实现“一网到底”，还存在一定的困难。首先，无法普 及工业以太网设备，有些公司还在延用以前购买的设备，而那些设备只有现场总线接口， 没有以太网接口，要大规模的更新厂房设备，并不是任何公司经济上能够承受和情绪上 愿意执行的。再者，工业以太网技术的发展还处于需要不断完善的阶段，尤其是安全性 能方面，而工业现场对信息可靠性，实时性和安全性的要求更高于一般的应用场合，为 了确保生产安全，可根据企业的设备情况选用工业以太网。最后，以太网作为现场总线 延伸到工厂底层的“一网到底”方案还只是近几年才引起国内外工控专家的关注，而现 场总线经过十几年的发展，在技术上日渐成熟，在市场上开始了全面推广，并且形成了 一定的市场。 就目前而言，工业以太网全面代替现场总线仍然存在一些问题，需要进一步深入研 究基于工业以太网的全新控制系统体系结构，开发出基于工业以太网的系列产品。但在 小范围特定的应用场合，工业以太网的“一网到底”方案也不失为一个良策。 就第二种方案而言，“现场总线集成以太网”方案不仅为实现现场总线与互联网的 直接连接提供了一种现实可行、方便快捷的方法，而且避免了不同现场总线水平层之间 难以集成的问题。该方案实现的关键之处在于异构系统的互联技术。利用异构系统的互 联技术，不仅可以实现以太网和现场总线的互联，而且不同的现场总线之间也可以实现 相互访问。换句话说，在纵向上可以实现工业控制网络和i n t e m e t 的无缝连接；在横向 上可以实现各种总线接口的现场仪表和设备的通讯。 目前，在大型企业自动化系统中，下层车间现场一般都采用现场总线和单片机测控 设备，而上层企业管理层和生产监控层则采用以太网和p c 机，甚至是位于异地的连于 i n t e m e t 上的p c 机。而上下两层的连通，通常采用工业控制机的以太网卡和工业现场总 线接口卡( 例如c a n 总线接口卡和r s 4 8 5 接口卡等) 来实现。但是价格和接口卡带来 的瓶颈问题使得这种连接方式的成本高，开发周期长。嵌入式i n t e m e t 技术应用于工业 监控系统可以实现工业上低成本、小体积、高性能、高速率的远程监控，可以解决工业 监控系统日益增长的网络化需求与成本限制的矛盾，是“现场总线集成以太网”方案最 佳的实现方法，是工业监控系统发展的必然趋势，能够大范围的推广应用。在市面上已 经流行着多种该方案产品，例如周立功公司出品的c a n e t - ec a ne t h e r n e ta d a p t e r 实 4 大连理工大学硕士学位论文 现c a n 和以太网协议的转换，北京恒颐高科技术有限公司推出的高级嵌入式网关产品 h e g 0 9 0 0 和h e g 0 7 0 0 ，实现串口数据的以太网传输。 1 2 2 嵌入式w e b 服务器网关的产生 嵌入式i n t o n e t 技术应用于工业监控系统主要有两种实现方式：嵌入式网关和嵌入 式w e b 服务器。 ( 1 ) 嵌入式网关 网关又被称为网间协议转换器，专门用于连接采用不同通信协议和介质的两个或多 个网络，实现网络之间的数据传输。当一个报文从一个网络传送到另一个网络时，网关 需要对该报文进行接收、翻译和转发工作。如果底层网络与上层网络采用不同的通信协 议和介质，要实现这两种异构网络之间的通信，就可以使用网关来实现两种通信协议的 转换，是异构网络互连最直接的方法。而且网关的开发比较简单，只需要了解两种网络 的通信协议即可，不涉及到第三方通信协议。嵌入式网关继承了嵌入式系统小体积、低 成本、高效率等诸多优点，相比于传统方式的工控机插入网络接口卡和专用网关更具经 济性和实用性。 ( 2 ) 嵌入式w e b 服务器 w e b 技术是i n t e m e t i n t r a n e t 的核心技术之一，以h r i p 技术为基础，具有简单、 高效、跨平台等优点，是信息网络的一种最普遍应用的信息交互平台。借助w e b 服务 器和浏览工具可以实现底层控制网络与上层监视网络之间数据信息的动态交互。控制网 络中的状态信息通过w e b 服务器以网页的形式发布出去，远程用户通过w e b 浏览 器查看这些信息，还可以向w e b 服务器提交请求，实现对底层网络的远程控制。传统 的解决方法是借助p c 机和专用的现场智能设备来实现w e b 服务器。嵌入式w e b 服 务器，是将t c p i p 协议和h r r p 协议集成到一个嵌入式系统中，成为嵌入式i n t e m e t 设备，实现w e b 服务器功能。相比于传统的解决方法，嵌入式w e b 服务器的方法新 颖独特，更具市场竞争力和经济价值。 嵌入式网关和嵌入式w e b 服务器服务于不同的用户需求，市场上也有很多相关产 品。嵌入式网关能够实现异构网络之间的大量数据的双向传输，而嵌入式w e b 服务器 能够给用户提供一个与底层设备的交互平台，使得用户能够在i n t e m e t 上方便的监控系 统。然而，工业现场的需求往往并不单一，可能既需要大量的数据传输，又需要方便快 捷的访问方式，仅仅是嵌入式网关或嵌入式w e b 服务器不能满足用户全方位的需求， 故而嵌入式w e b 服务器网关备受青昧。它基于t c p m 协议栈，数据传输安全、可靠， 具有独立的网络接入功能更符合实际的需要，比如信息家电、智能手机、家庭智能管理 嵌入式w e b 服务器网关系统的研究与实现 系统、p o s 网络、无人环境监测系统、远程分布式测控系统等，也可用于l a n 网内设 备的方便互连和管理以及组建无线局域网等。而且，它继承了嵌入式设备功耗低、体积 小、成本低、稳定性和实时性好等特点。不仅如此，它还是新式的嵌入式i n t e m e t 设备， 不仅可以构建l a n ，而且可以方便地接入i n t e m e t ，组网灵活。嵌入式w e b 服务器网 关，可使管理人员不受时空限制，通过i n t e r n e t 利用w e b 浏览器完成对现场设备的远 程访问和监控等操作，实现了异构设备之间的跨平台互访。而且这种基于h t m l 标准 化的w e b 用户界面降低了为不同操作平台而定制人机界面的开发费用、通信费用、人 员培训费用和系统升级维护费用。显然，基于w e b 的远程监控系统可以克服传统本地 监控系统存在的低效率、高成本的缺陷。 综上所述，嵌入式w e b 服务器网关系统不仅能够适应用户不断增长的各方面需求， 适应多种应用场合，还符合市场经济的发展规律，顺应时代潮流，具有一定的经济价值 和应用价值。 大连理工大学硕士学位论文 2 嵌入式w e b 服务器网关涉及的关键技术 嵌入式w e b 服务器网关系统是集w e b 服务器和网关功能为一体的嵌入式i n t c r n c t 设备。它应用于工业监控系统，实现现场总线和以太网的无缝连接，是近年来工控专家 关注的焦点。如果将嵌入式w e b 服务器网关系统比作一座大厦，那么嵌入式i n t e r a c t 技术就是大厦建设的总设计师，嵌入式t c p i p 协议栈是建筑的水泥，c g i 接口和现场 总线技术是建筑的砖块，网络安全是工程的质量监督。只有在网络安全的监管下，基于 嵌入式i n t e r a c t 技术模型，用嵌入式t c p i p 协议栈实现c g i 接口和现场总线技术的连 接，才能建成安全可靠的嵌入式w e b 服务器网关系统。 2 1 嵌入式i n t e r n e t 技术 嵌入式i n t e r n e t 技术是当前嵌入式系统发展的热点问题。随着网络技术和通讯技术 的发展，i n t e r a c t 技术正逐步跨入工业控制领域，并将嵌入式系统设计引入一个新的时 代。嵌入式i n t e r n e t 技术是指设备通过嵌入式系统而非p c 机与i n t e m c t 连接，既降低成 本又可避免“信息孤岛化”。 2 1 1 嵌入式l n t e r n e t 技术及其工业应用 嵌入式i n t e r a c t 技术是在通用i n t o n e t 技术的基础上，结合特定的应用需求和应用环 境发展起来的。虽然i n t e r a c t 网络的软硬件技术非常成熟，但想全盘照搬到嵌入式系统 中是不可能的。追究其原因主要是嵌入式系统自身的特点：计算资源有限、应用环境特 殊、成本体积敏感。i n t c r n c t 上的各种通信协议对计算机运算速度和存储容量等要求较 高，t c p i p 等协议及i n t e r a c t 软件将占用大量系统资源，而当前嵌入式设备中除部分采 用了3 2 位嵌入式微处理器以外，大量存在的是8 位或1 6 位嵌入式控制器，价格便宜、 货源充足，但存储空间较小，运算速度较慢。所以，嵌入式i n t c r n e t 系统的设计需要考 虑芯片选取和资源限制问题，而实现嵌入式i n t e r a c t 技术一是通过提高嵌入式处理器的 性能，这主要依赖于半导体技术的进步；再就是在嵌入式系统的软件设计上考虑系统资 源限制，有所取舍的实现网络通信协议。 嵌入式i n t e r a c t 设备应用在工业监控系统中，可以实现对工业现场仪表和工业设备 层的监控和管理，是工业监控系统的发展趋势，并在工业控制领域得到了广泛应用嘲。 就工业控制网络的体系结构而言，嵌入式系统与工业监控系统相结合使得现场设备和现 场仪表智能化，实现了企业生产底层的网络化；嵌入式系统与i n t e m e t 技术的结合使得 企业监控层和管理层的工作人员不必局限于企业内部，甚至可以在i n t e r a c t 网络的任何 一个角落实现对生产现场的监控和管理。就工业控制网络的协议标准而言，嵌入式系统 嵌入式1 l e b 服务器网关系统的研究与实现 与工业监控系统的结合使得世界各大工控厂商生产的各种协议接口的设备能够相互通 讯，实现设备的网络一体化。 2 1 2 嵌入式l n t e r n e t 技术的模型 嵌入式i n t e r a c t 技术的实现模型是嵌入式系统设计和i n t e r n e t 技术发展共同关注的焦 点。国际上众多厂商和专家都纷纷提出不同见解，集中体现在以下三种方案： ( 1 ) 利用轻网络通信技术。所谓轻网络是指通讯范围有限，通信协议简单，独立于 i n t e m e t 之外的网络，例如c a n 、r s 4 8 5 现场总线等。在组网过程中，增加一个子网设 备路由器( 例如一台专用的w e b 服务器) 。子网设备路由器可以与一个调制解调器或 其它网络连接媒体( 如e t h e r n e t ) 组合在一起作为一端，配备一个价廉的轻网络( 如c a n 、 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等总线网或无线网) 作为另一端。所有i n t e r n c t 上面的各种通信协议( 如 a r p 、h t t p 、t c p i p 等) 均由设备路由器完成，而嵌入式系统仅仅实现数据采集与控 制。当本地子网上的某一设备请求服务时，设备路由器可以通过调制解调器拨号或通过 局域网连接到i n t e m e t 站点。相反地，当一个网络应用( 如使用w e b 浏览器的一个远 程客户端) 需要通信时，设备路由器负责处理来自远程网络的通信。m o t o r o l a 公司 推出的n e t 0 8 技术就属于这个方案。n e t 0 8 技术采用嵌入式处理器( 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 芯 片) 构成前端嵌入式控制系统，通过r s 2 3 2 与一台p c 机通信实现i n t e r a c t 接入。用户 可以通过i n t e r a c t 浏览器获取n e t 0 8 的状态，并对其进行控制。 ( 2 ) 利用e m i t 技术。e m i t 采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关， 称为e m g a t e w a y ，支持t c p i p 协议并运行h r r p 服务程序，形成一个用户可以通过网 络浏览器进行远程访问的服务器。e m g a t e w a y 借助r s 2 3 2 、r s 4 8 5 和c a n 总线与外部 设备通讯。每个外部设备的应用程序中都包含一个独立的通信任务，称为e m m i g r o 。监 测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到e m g a t e w a y 中；同时e m m i c r o 还可以解释e m g a t e w a y 的命令，修改设备中的变量或进行某种控制。该方案中复杂的网 络协议是通过o m g a t c w a y 在p c 机上实现的，应用系统的处理器只处理较简单的协议， 进行网络连接。 ( 3 ) 把标准网络技术( t c p i p 协议栈) 直接扩展到嵌入式设备中，由嵌入式系统自 身实现w e b 服务器功能。这个方案成本适宜，方便可靠，但迄今为止，没有一个公司 推出独立的、完整的基于嵌入式处理器的网络设备。主要困难在于i n t e m c t 上面的各种 通信协议对于计算机存储器和运算速度的要求比较高，而嵌入式系统中除部分3 2 位处 理器以外，大量存在的是8 位或1 6 位嵌入式控制器，支持t c p ，m 协议栈和i n t e m c t 软 件将占用大量系统资源。 8 一 大连理工大学硕士学位论文 三种方案相比而言，第三种方案是基于嵌入式处理器的网络设备，硬件结构设计最 为简单，而前两种方案都需要在p c 辅助下才能实现i n t e m e t 的功能。从节约成本方面 考虑，第三种方案不失为嵌入式设备i n t e m e t 网络化的首选方案。只是第三种方案是在 嵌入式系统上实现t c p i p 协议栈和i n t e m e t 软件，嵌入式系统的资源限制使得该方案的 可行性值得置疑。但是，实际运用中并不需要实现t c p i p 协议栈全部协议。根据系统 需要对网络协议栈进行模块化裁剪，设计并实现t c p i p 协议栈的一个子集，即t h i n t c p f i p 协议栈，包括a r p 、i c m p 、i p 、u d p 、t c p 和t f t p 等协议的全部或部分功 能，尽最大可能保持网络协议在功能和机制上的完整性，就可以实现网络通讯功能。因 此，第三种方案确实可行，且成本低廉，是嵌入式i n t e m e t 设备实现的最佳理想模型。 嵌入式系统中实现t c p i p 协议栈又分硬件固化和软件集成两种方式。硬件固化方 式指用网络芯片实现t c p i p 协议栈，形成独立于各种微控制器的专用芯片，通过其标 准的输入输出口，可与绝大多数单片机相连。目前市面上已有这种结构的芯片出售，如 韩国w i 乃l e t 公司的w 3 1 0 0 a 芯片，美国s e i k oi n s t r u m e n t 公司生产的i c h i p $ 7 6 0 0 等。 这类芯片的共同点就是片上都集成有完整的t c p i p ，p p p 和u d p 协议。可是对于只需 实现简单i n t e r n c t 应用的嵌入式设备来说，这样不仅会增加嵌入式系统硬件的成本，而 且一些根本无需使用的协议还是一种资源浪费。软件集成方式是指将t c p i p 协议栈以 软件代码的方式嵌入到系统r o m 中，实现t h i nt c p i p 协议栈。t h i nt c p i p 协议栈 最大限度的裁剪了t c p i p 协议栈，充分考虑到了系统资源的限制，连8 位的嵌入式微 控制器的系统速度和内存都足以实现，更不用说1 6 位或3 2 位的嵌入式微处理器。随着 单片机技术的成熟和飞速发展，软件方式的t c p i p 实现前景会越来越好。这也是目前 最经济易行的方法。 嵌入式w e b 服务器网关系统是嵌入式i n t e r n e t 技术应用于工业监控系统的一种具 体实现。软件设计实现t h i nt c p i p 协议栈，是嵌入式i n t c r n c t 技术实现模型中最经济 快捷的方法，符合工业发展的原则，也是嵌入式w e b 服务器网关系统的首选方案。 2 2 嵌入式t c w i p 协议栈 2 2 1 嵌入式t c p i p 协议栈 计算机通信系统中，t c p i p 协议栈是使用最为广泛的通信协议，是网络互连的标准 协议，也是连入i n t e m e t 的所有计算机在网络上进行各种信息交换必须采用的协议。 t c p i p 协议是使用基于软件的通信协议，包括传输控制协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c o l 简称t c p ) 和网际协议( i n t c r n e tp r o t o c o l 简称i p ) 8 1 。但实际上t c p i p 是一种 嵌入式w e b 服务器网关系统的研究与实现 层次型协议栈，是一组协议的代名词，它的内部包含了除t c p 和p 协议以外的其他许 多协议，组成了t c p i p 协议栈。 如表2 1 所示，在t c p f l p 协议栈的分层结构中，第一层网络接口层是协议实现的基 础，它负责将i n t e r n e t 层发送的数据包封装成帧的逻辑组，包含e t h e m e t 、x 2 5 、s l i p 和p p p 等各种网络标准。第二层i n t e r n e t 层主要有四个协议：i p 、i c m p 、a r p 和r a r p 。 m 协议负责将数据正确的传递到目的地，同时负责路由。a r p 和r a r p 协议实现了逻 辑地址( 即口地址) 与物理地址的相互转换。i c m p 协议向数据传输过程中使用的传输 层协议报告错误，但它只用于故障隔离而不能用于错误纠正。第三层传输层主要有两个 协议：t c p 和u d p 。在m 协议的基础上，提供传输服务，使发送方能区分一台计算机 上的多个接收者，从而实现两个用户进程之间传递数据。第四层应用层则定义了各种机 型上主要采用的协议：f t p 、t e l n e t 、d n s 、s m t p 等。它提供远程访问服务，使用户可 以在本地机器和远程机器间进行有关文件的操作和邮件传输，并能将域名地址解析成i p 地址。 表2 1t c p i p 参考模型 t a b 2 1t c p 口r e f e r e n c em o d e l 应用层( a p p l i c a 蝣o n ) 传输层( t r a n s p o r t ) i n t e m e t 层( i n t e m e t ) 网络接口层( n e t w o r k1 r r r p 、t e l n e t 、f r p 、s m t _ p 、s - 巧伊 t c p 、u d p i p ( a r e 、r a r p 、i c m p ) e t h e r n e t 、x 2 5 、s l i p 、p p p 嵌入式t c p f l p 协议栈是在继承t c p i p 协议栈的基础上开发的适用于嵌入式系统的 网络协议标准。系统指令和资源的限制，使得在u n i x 上实现的t c p i p 协议栈的源代 码并不能直接移植到嵌入式系统上。因此设计嵌入式t c p i p 协议栈时应最大限度的节 约嵌入式系统的资源，在保持协议分层体系结构完整性的前提下，精简协议栈内容，不 使用的协议一概不支持。 嵌入式w e b 服务器网关要实现网络通讯，在网络接1 ：3 层以上到应用层以下必须实 现a r p 、i p 和t c p u d p 协议；要实现w e b 服务器功能，在应用层必须实现h t t p 协 议；要实现物理意义上的收发数据包，在网络接口层就必须实现e t h e r a e t 、x 2 5 、s l m 和p p p 协议中的一种，在此选用最为广泛应用的e t h e r n e t 协议。因此，嵌入式w e b 服 务器网关上的嵌入式t c p f l p 协议栈是精简的e t h e r n e t 、a r p 、i p 、t c p u d p 和h i t p 协议组合。当然，也可根据实际的应用需要，增加i c m p 协议报告错误，增加d h c p 协 议提供动态获取口地址的功能等等。 1 0 一 大连理工大学硕士