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江苏大学硕士学位论文摘要 摘要 嵌入式i n t e m e t 技术是指设备通过嵌入式模块而非p c 接入i n t e r a c t ,以i n t e m e t 为介质实现信息交互的技术。将嵌入式i n t e r n e t 技术应用于工业控制领域,实现远 程智能监测系统是近年来工业自动化的研究热点之一。本课题针对传统嵌入式 i n t e m e t 方案占用空间大,成本高,安全性差,功能单一等不足,提出了基于嵌入 式安全w e b 网关的e i 接入方案并将其应用到电力设备智能断路器的远程监测系统 中。 本课题的目标是设计并实现基于现场总线的嵌入式安全w e b 网关系统,作为 i n t e r a c t 和现场总线网络数据传输交换的枢纽,嵌入式网关不仅仅是转发器,同时 还具备w w w f t p e m a i l 等多种网络服务功能和安全防护功能,具有一定的智能 性和通用性。 本文首先介绍嵌入式i n t e m e t 技术的历史、现状和发展趋势;然后对国内外嵌 入式i n t e r n e t 技术发展进行比较分析,总结目前嵌入式i n t e m e t 应用于工业控制领 域存在的主要问题,并从低成本、小体积、高性能、高安全性、多功能、高速率 等方面探讨了基于现场总线的嵌入式安全w e b 网关模型的发展及应用趋势。 在网关系统整体设计中,结合多功能和高性能的设计需求,硬件设计上采用 3 2 位a r m 7 t d m i 网络专用处理器,内部集成以太网控制器,提供高性能、高可靠、 低成本的硬件平台:软件设计上采用三层结构,引入了具有优异网络性能的嵌入 式l i n u x 操作系统,嵌入式网络应用软件的开发基于嵌入式l i n u x 内部集成的完整 t c p i p 协议集和s o c k e t 网络编程a p i ,提高了网关系统的稳定性和上层软件开 发进度。 上层应用软件中,重点开发w e b 网关核心软件嵌入式w e b 服务器,从资 源分配、进程调度、动态页面c g i 技术和安全防护等关键技术入手,提高响应速 度,加大应用范围、增加系统安全。在安全模块设计方面,针对网关系统在电力 监控领域的具体应用和安全威胁,提出适用于嵌入式网关的“紧凑安全策略”,分 别采用h t t p 摘要认证、s s l 安全套接字协议和可信控制台实现不同等级资源的 安全防护。 在c a n 总线模块的设计方面,采用高性能c a n 控制器m c p 2 5 1 0 ,设计基于 嵌入式l i n u x 的c a n 驱动程序,包括设备初始化、数据i o 读写、中断处理程序 等,并针对数据传输速度和可靠性进行了优化;同时制定了c a n 应用层通信规约, 使系统具有一定的扩展性和通用性。 江苏大学硕士学位论文摘要 最后,根据系统指标,搭建测试及运行环境,选择测试工具并设计测试方案; 根据测试结果,对嵌入式安全w e b 网关系统的性能指标进行分析和量化。 关键词:嵌入式i n t e r n e t ,嵌入式w e b 网关,嵌入式w e b 服务器, 嵌入式l i n u x ,嵌入式系统安全,现场总线,c a n 总线 江苏大学硕士研究生论文 a b s t r a c t a b s t r a c t e m b e d d e di n t e m e ti sat e c h n o l o g yt h a tt h ed e v i c e sa c c e s sw i t hi n t e m e t b y e m b e d d e dm o d u l eb u tn o tp ca n de x c h a n g et h ei n f o r m a t i o nb yt h ei n t e r a c t i nt h e r e c e n ty e a r s ,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 la u t o m a t i z a t i o n , w h i c ha p p l i e st h ee m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g yi nt h ea r e ao fi n d u s t r i a la u t o m a t i z a t i o n a n dr e a l i z i n gt h ei n t e l l i g e n ta n dr e m o t em o n i t o r s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed e f i c i e n c i e s , s u c ha s ,t h el a r g es i z e ,t h eh i g hc o s t ,t h el o ws e c u r i t ya n dt h ew e e kf u n c t i o nt h a te x i s ti n t h ec o n v e n t i o n a le m b e d d e di n t e m e t ,t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ec o n n e c t i n gm e a n so f e m b e d d e di n t e m e tw h i c hi sb a s e do nt h ee m b e d d e da n ds e c u r ew 曲g a t e w a y t h es t u d yg o a lo ft h i sp a p e ri st od e s i g na n di m p l e m e n tt h ee m b e d d e da n ds e c u r e g a t e w a ys y s t e mb a s e do nf i e l db u s a st h eh i n g ew h e r et h ef i e l db u sa n di n t e m e t e x c h a n g et h ed a t a ,i ti sn o to n l yat r a n s m i t t e rb u ta l s op o s s e s s i n gt h ec a p a b i l i t yo f s e c u r i t ya n dt h ef u n c t i o n so fv a r i o u sn e t w o r k ss e r v i c e ,s u c ha s ,w w w :f t pa n de - m a i l e t c i ti sp r o v i d e d 、析ms o m ei n t e l l i g e n c ea n dc o m p a t i b i l i t y f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gh i s t o r y , a c t u a l i t ya n dt h et r e n do f e m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g y t h e ni ta n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g n d e v e l o p m e n to fe m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g y , a n dc o n c l u d e st h em a i n l yp r o b l e m st h a t e x i s ti nt h ee m b e d d e di n t e r n e tw h e ni ti su s e di nt h ea r e ao fi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 f u r t h e r m o r e ,i tp r o b e si n t ot h ed e v e l o p i n ga n da p p l y i n gt r e n do fe m b e d d e da n ds e c u r ew 曲 g a t e w a yb a s e do nc a nb u s ,f o r mt h ea s p e c t so fl o wc o s t ,s m a l ls i z e ,h i g hp e r f o r m a n c e , h i 曲s e c u r i t y , m u l t i f u n c t i o na n dh i 曲e f f i c i e n c y i nt h es y s t e md e s i g no ft h eg a t e w a ys y s t e m ,b a n d i n g 丽t ht h ec a p a c i t yo fa c c e s s i n g 、析t hi n t e m e ta n dt h er e q u e s t so fp e r f o r m a n c ef o ri n d u s t r i a la n di n t e l l i g e n td e v i c e s i t m a k e st h et o t a ld e s i g no nt h ee m b e d d e dg a t e w a yf r o mt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e 。i nt h e h a r d w a r ed e s i g n ,i ta d o p t e dt h e3 2 - b i tc p ut h a ts p e c i a l l yu s e di nt h en e t w o r k s ,i nw h i c h t h ee t h e r n e tc o n t r o l l e ri si n t e g r a t e d i tp r o v i d e st h eh i 曲一p e r f o r m a n c e ,h i g h - r e l i a b i l i t y a n dl o w c o s th a r d w a r ep l a t f o r m i nt h es o f t w a r ed e s i g n ,i ta d o p t e dt h et h r e e l a y e r s t r u c t u r e ,a n da p p l i e st h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m - - u c l i n u xt h a ti sc h a r a c t e r i z e d b yt h e e x c e l l e n tn e t w o r k sp e r f o r m a n c ea n dt h eg n ud e v e l o p i n gt o o l s t h e d e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e dn e t w o r k sa p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sb a s e do nt h ei n t e g r a t e d t c p i pp r o t o c o ls e tw h i c hi si n t e g r a t e di nl i n u xa n dt h ea p i st h a ta r eu s e di nt h e n e t w o r k sp r o g r a m m i n g b yd o i n gt h i s ,i ti m p r o v e st h es t a b i l i t yo ft h eg a t e w a ys y s t e m a n dt h er a t eo fd e v e l o p i n gt h eu p p e rs o f t w a r e d u r i n gt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gt h eu p p e rs o f t w a r e ,t ot h ek e m e ls o f t w a r eo ft h e g a t e w a y b ee m b e d d e dw 曲s e r v e r , i ti m p r o v e st h er a t eo fr e s p o n s e ,e n l a r g e st h ea r e a o fa p p l i c a t i o na n de n h a n c e st h es e c u r i t yo fs y s t e m ,w h i c hi ss t a r t e dw i t ht h ep i v o t a l t e c h n o l o g i e s ,s u c ha s ,r e s o u r c ea l l o c a t i n g ,p r o c e s ss c h e d u l i n g ,d y n a m i cw e bs k i l l - - c g i a n ds e c u r i t ye t c 。w h e nt h es e c u r i t ym o d ei sd e s i g n e d ,i tb r i n g sf o r w a r dt h e “t i g h t i i i 江苏大学硕士研究生论文a b s t r a c t s e c u r i t ym e c h a n i s m w h i c hi sa d a p t i v ei nt h ee m b e d d e dg a t e w a y , a c c o r d i n gt ot h e s p e c i a la p p l i c a t i o n sa n dt h et h r e a t st h a te x i s ti nt h eg a t e w a ys y s t e mu s i n gi nt h ee l e c t r i c s y s t e m i ta d o p t st h es e c u r ep o l i c i e st h a ta r eh t t ps u m m a r ya u t h e n t i c a t i o n s s ls e c u r e s o c k e tp r o t o c o la n da u t h e n t i cc o n s o l et od e f e n dt h ed i f f e r e n t r a n kr e s o u r c e s d u r i n g t h e p r o c e s s o fd e v e l o p i n gt h ec a nb u s m o d e ,i ta d o p t s t h e h i g h p e r f o r m a n c ec a n c o n t r o l l e r - - m c p 2 510 ,a n dd e s i g n st h ec a nd r i v e r sb a s e do n t h ee m b e d d e dl i n u x ,i n c l u d i n gt h ed e v i c e si n i t i a l i z a t i o n ,d a t ai 0a c c e s sa n di n t e r r u p t s e r v i c er o u t i n e t h e ni ti so p t i m i z e do nt h er a t eo fd a t at r a n s m i t t i n ga n dr e l i a b i l i t y , a n d i tm a k e st h ec o r r e s p o n d i n gr u l e so fc a n a p p l i c a t i o nl a y e rt oe n s u r et h ee x p a n s i b i l i t y a n dc o m p a t i b i l i t y f i n a l l y , a c c o r d i n gt o t h et a r g e t so fs y s t e m ,b u i l dt h et e s t i n ga n dr u n n i n g e n v i r o n m e n t ,a n dc h o o s et h et e s t i n gt o o l sa n dd e s i g nt h et e s t i n gs c h e m e t h e ni t a n a l y z e sa n dq u a n t i f i e st h et a r g e t so ft h ee m b e d d e da n ds e c u r ew e bg a t e w a yb a s e do n t h er e s u l t so ft e s t i n g k e y w o r d s :e m b e d d e di n t e r n e t ,e m b e d d e dw e bg a t e w a y , e m b e d d e dw e ds e r v e r , e m b e d d e dl i n u x ,e m b e d d e ds e c u r i t y , f i e l db u s ,c a nb u s i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定, 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口,在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密m 。 虢象云蟛 签字日期渺年多月多日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 导师躲奄 签字日期:栉6 月名日 电话: 邮编: 独创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外,本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一虢章 日期:弘啉月夕e t 江苏大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第一章绪论 十年自订,比尔盖茨( b i l lg a t e s ) 在他的未来之路( t h er o a d a h e a d ) 一书 的前言中写道:“我不知道这场变革会将我们引向何方,但是我知道是人和人之间 通信方式的变革,这场变革将使我们的地球变成了一个地球村。”几年后, i n t e m e t 通过改变人与人之间的通信方式实现了这个预言。不仅如此,i n t e r a c t 的加 速发展还掀开了全球新一轮信息革命的序幕,从学习,工作到日常生活,i n t e m e t 正不断地改造着我们的社会:学生、科学工作者通过i n t e m e t 查阅资料,交流学术: 普通用户通过i n t e m e t 进行网上购物,网上求职;企业通过i n t e m e t 实现全球研发 生产和销售等等。i n t e m e t 将全世界的计算机系统,通信系统逐渐集成起来,形成 信息高速公路和公用数据网络,各种信息不断地聚集到i n t e m e t 这个虚拟空间中, 在该空间里频繁地流动和膨胀,形成一个巨大的、共享的“信息雪球”,i n t e m e t 正变成我们社会生活不可或缺的信息中枢体【1 1 。 i n t e m e t 现己成为社会重要的基础信息设施之一,是信息流通的重要渠道。然 而世界上大量的信息处理并非集中在p c 和服务器上,而是分布在“无处不在的 嵌入式设备中,如果能将分布的嵌入式设备连接到i n t e r n e t 上,那么信息就可以方 便、低廉地传送到几乎世界上的任何一个地方。i n t e m e t 作为社会“信息中枢体 的地位促使越来越多相对独立的设备要求接入i n t e m e t 这个大家庭中,从而实现信 息的多元流通。据网络专家的预测,将来在i n t e m e t 上传输的信息中,将有7 0 的 信息来自于小型嵌入式系统【2 】。当代的i n t e m e t 应用也将随之由以p c 为中心转向 以嵌入式系统和设备为中心,信息家电i a 、家庭网络e h o m e 和智能网络化控制 设备i n c e 等概念的流行表明i n t e m e t 应用已经进入嵌入式i n t e m e t 时代。可以预 见,2 0 世纪末的i n t e r n e t 革命将必然导致“嵌入式i n t e m e t 这场2 1 世纪的革命。 嵌入式i n t e m e t 是近几年发展起来的一项新技术,是指设备通过嵌入式模块而 非p c 接入i n t e m e t ,以i n t e m e t 为介质实现信息交互的技术。例如,工业远程监测 系统则是利用i n t e m e t 技术和总线控制技术实现远程数据采集、分析并实时监控设 备运行,从而降低成本,提高效率:智能信息家电利用家庭网关接入i n t e m e t ,实 现远程操作和数据共享,极大方便了我们的生活;手持智能设备通过g p r s 等无 线接入方式和i n t e m e t 相连,代替p c 在i n t e m e t 进行个人数据传输、处理和存储, 如收发邮件,下载资料,即时聊天等,其应用范围极为广泛。嵌入式i n t e m e t 带来 的不仅是传输方式的改变,更重要的是拓宽了传统设备信息交流的范围。通过 i n t e m e t ,任何地点,任何时间,任何两个设备的信息交换都将成为可能,从而使 江苏大学硕士学位论文第1 章绪论 我们的社会真正步入了“信息化社会。 在工业控制领域,随着嵌入式i n t e r n e t 技术、计算机技术、通信技术和微电子 技术的迅猛发展,工业自动化技术也呈现出智能化、数字化、网络化的趋势,基 于i n t e r n e t 的远程智能监测系统和现场总线网络成为近年来研究的热点之。随着 i n t e r n e t 的逐步成熟和芯片技术的进步,利用嵌入式i n t e r n e t 和现场总线技术,现 场设备的数据可以通过i n t e r n e t 传送到远程主控站进行分析存储,并根据数据分析 结果对现场设备进行相应的远程控制。许多公司根据不同的需求开发了适用于各 种应用环境的工业远程监控采集系统,其方案大多为以下两种:一种是采用计算 机或工控机作为上位机,间接使底层设备接入i n t e r n e t 的集中式结构;另一种是在 每个终端设备中都直接嵌入网络接口和简易t c p i p 协议栈,使设备具备简单的 i n t e m e t 连接和数据传输功能的分布式结构1 3 j 。 然而,现存的一些方案只适合某种具体的应用环境和现场条件,不适合未来 工业设备远程监控的发展要求:低成本,小体积,高性能,高安全性,多功能, 高速率。上位机相对昂贵的价格和庞大的体积,简易i n t e m e t 模块带来的功能单一 性和低安全性,促使我们去寻找更为合适的解决方案。 同时,新一代的嵌入式系统,特别是加入了嵌入式i n t e m e t 功能的系统,功能 不再单一,电气结构更为复杂。为了满足应用功能的升级,系统大多采用更强大 的嵌入式处理器,如3 2 位r i s c 芯片或信号处理器d s p 以增强处理能力;同时还 可能采用嵌入式操作系统、实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能 复杂性,简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。软硬件结构的复杂 化促使我们必须改进传统的嵌入式开发模式和开发思吲4 】【5 】。 技术是一把双刃剑,嵌入式i n t e m e t 给嵌入式设备数据传输和控制带来了高效 和便捷,同时也带来了信息安全问题,目前i n t e m e t 上的安全问题同样也威胁着嵌 入式i n t e r n e t 设备,由于嵌入式设备大多应用于工业控制领域,控制着关键工业设 备的运作,关系着国民的经济生活,其安全问题尤为重要。有效地防护来自i n t e m e t 上的安全攻击是嵌入式i n t e m e t 健康、稳步发展的关键。 本文所设计的嵌入式安全w e b 网关系统正是基于上述嵌入式i n t e r n e t 工业应用 背景和需求而提出的,并利用新一代的e i 技术理念进行设计和开发。 1 2e m b e d d e din t e r n e t 技术及其工业应用 实现嵌入式i n t e r n e t ( e m b e d d e di n t e m e t ,e i ) 的关键技术有两点:一是嵌入 式系统自身的性能,这主要依赖于芯片技术的进步;另外一点是嵌入式系统上的 网络通信协议的实现,这既取决于软件设计,更多取决于系统的计算资源。正如 其他技术的产生一样,嵌入式i n t e m e t 技术也是在现有的通用i n t e m e t 技术的基础 上,为了解决某个需求而发展起来的。通用i n t e r n e t 的应用如火如荼,i n t e m e t 上 江苏大学硕士学位论文第1 章绪论 通行的t c p i p 协议族在多年的应用中得到了完善,相关的i n t e m e t 服务器及应用 软件也运行稳定。那么,将已经成熟的i n t e m e t 网络软硬件技术应用到嵌入式领域, 嵌入式i n t e r n e t 不就可以轻松实现了吗? 事实上,在嵌入式系统中,这一切却无法全盘照搬,原因就在于嵌入式系统 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 e m e t 上的各种通 信协议对计算机运算速度、存储容量等要求较高,t c p i p 等协议及i n t e m e 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 位处理器以外,大量存 在的是8 位和1 6 位m c u ,存储空间较小。这些“先天”的不足使得嵌入式系统 接入i n t e m e t 的方案尤其显得“蜿蜒曲折 。 1 2 1 e i 技术三大模型 所有的e i ( e m b e d d e di n t e m e t ,e i ) 模型都是围绕着如何在现有嵌入式系统有 限资源的基础上,兼顾效率、成本和体积,通过有效的途径和适当的方法,从而 间接或直接地在嵌入式系统上实现完整或部分t c p i p 协议和基于i n t e t n e t 的某些 应用。 嵌入式i n t e m e t 技术的实现方法多种多样,体系结构不同、使用的芯片不同、 采用的底层技术不同、嵌入式上层软件不同等众多特殊的环境因素导致e i 在不同 的时期有着不同的实现方法。嵌入式i n t e m e t 技术的历史虽然不长,但发展却十分 迅速,许多芯片制造商已经研制出功能强大的嵌入式网络专用芯片,软件厂商则 开发出了微型的w e b 服务器、嵌入式t c p i p 协议栈等。随着芯片性能的提高和嵌 入式软件开发技术的进步,嵌入式i n t e m e t 技术也在“与时俱进”,下述三个模型 代表了嵌入式i n t e m e t 不同时期、不同环境下的发展和应用模式。当然,万变不离 其宗,通用i n t e m e t 网络技术和t c p i p 协议仍然是嵌入式i n t e m e t 实现的技术和理 论基础。 1 2 1 1 “上位机+ 专用网刀模型 在e i 发展初期,硬件技术的发展无法跟上嵌入式i n t e m e t 技术的要求,嵌入 到设备中的芯片多为8 位单片机,计算资源十分有限,存储空间小,外围端口少, 通常没有网络接口,不能支持高端的应用。为了使这些功能单一、没有网络接口 的嵌入式设备可以接入i n t e m e t ,我们不得不寻求一种最佳的解决方案以保持 低成本和设备最少的改动:采用上位机作为网关,设备通过专用网和上位机连接, 从而实现间接接入i n t e r n e t 。其基本结构如图1 1 所示。 该模型采用p c 机或工控机作为“上位机网关”,向外通过局域网或m o d e m 接 入i n t e m e t 向内通过专用网络( 如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 总线及其他现场总线等) 和底层控制设备通信。该模型需要在上位机上安装专用接口卡及其驱动程序。底 层设备通过专用网络将数据发送到上位机,上位机通过接口卡接收到该数据并将 江苏大学硕士学位论文第1 章绪论 该数据封装成t c p i p 协议报文,通过i n t e m e t 发送到远端主控站:相反,由主控 站发送的包含控制命令的t c p i p 数据报文经过i n t e m e t 传送到上位机,经过上位 机解包后,得到设备可以识别的命令格式报文,最后通过专用网络发送到底层设 备上。 图1 1 “上位机+ 专用网”模型 由上述模型可知,t c p i p 协议到底层控制协议的转换在上位机上完成,底层 设备不必实现复杂的以太网接口、t c p i p 协议栈和内嵌w e b 服务器等软件。采用 该模型实现嵌入式i n t e m e t ,可以在最大程度上降低底层设备升级带来的成本增加 和结构的改动。在硬件上只需具备某种类型的专用网络端口( 例如r s 2 3 2 ,现场 总线网络等) ,不需升级为高级的微控制器和更大的存储器空间,不需其他额外增 加硬件成本;在软件上只需添加专用网络接口的发送、接收驱动程序。 该模型是嵌入式i n t e m e t 早期发展阶段采用的方案,主要为了适应大部分底层 设备低性能、升级空间小等特点。虽然该模型可以快速实现设备i n t e m e t 接入,目 前使用也较为广泛,但也存在如下缺点: 1 ) 成本较高。在工控领域,现场环境恶劣,需要采用高性能的p c 机或工控 机作为上位机才能长期稳定运行,上位机价格昂贵;同时需要在上位机上安装专 用网络接口卡,该接口卡通常由第三方提供,费用较高。 2 ) 占用空间大。上位机体积庞大,而嵌入式系统对体积比较敏感,在多个单 片机系统分散的情况下,上位机数量的增加直接带来空间的大量占用和成本的增 加。 3 ) 功能冗余,资源浪费。该模型中的上位机的主要功能是完成t c p i p 协议 到底层专用网络协议的转换,该功能仅占上位机极小一部分计算资源。一般上位 机都需要运行通用操作系统和其他通用软件,具有通用的人机界面,计算资源浪 费,冗余的其他功能还容易导致上位机稳定性降低,可靠性变差。 e m w a r e 公司开发的e m i t 技术也属于该模型,在e i 技术中非常具有代表性, 故单独列出阐述。根据e m w a r e 公司的电子设备网络协议【引,在应用系统的单片机 内部使用e m n e t 协议,再通过e m g a t e w a y 上层网关与i n t e r n e t 网连接。该方案由 于复杂的网络协议是通过e m g a t e w a y 在p c 机上实现的,应用系统m c u 只使用较 江苏大学硕士学位论文第1 章绪论 简单的e m n e t 协议,因此对m c u 的要求较低。但由于e m i t 技术要使用p c 机作 为e m g a t e w a y 网关,同样也存在该模型的缺点:e m n e t 协议在工业应用中几乎很 少使用,兼容性差;应用系统设计工程师必须熟悉e m n e t 协议和相关的接口,原 来客户应用系统的m c u 也不一定符合要求,并且软硬件设计的工作量仍然较大; 同时,应用系统的单片机处理e m n e t 协议要占用一定的系统资源。m i c r o c h i p 公司 和p i l i p s 公司都在此基础上有相关的产品开发平台。 1 2 1 2 “分布式瘦服务器”模型 顾名思义,“分布式”意味着每台嵌入式设备都有自己独立的i p 地址,具备独 立接入i n t e m e t 的能力,不需要依靠外部网关提供协议转换;“瘦服务器 意味着 保持使嵌入式设备接入i n t e r n e t 最必要条件的前提下,对系统做尽可能地简化,采 用嵌入式w e b 服务器,专用的嵌入式t c p i p 网络协议栈等。图1 2 为“分布式瘦 服务器”模型网络结构图。 图1 2。分布式瘦服务器”模型 该模型的出现和嵌入式芯片性能的提高是离不开的,微控制器计算速度加快, 存储器容量增加,使得直接在嵌入式设备上实现e i 技术成为可能。但是大部分嵌 入式设备仍然使用8 1 6 位的微控制器,8 1 6 位嵌入式系统一般都具有如下弱点, 如计算速度慢,内存资源小,其它软硬件资源不够丰富等。因此要想让设备直接 接入i n t e r n e t ,必须将网络模块做得足够小:其一网络模块体积要小,才可以适应 嵌入式系统的需要;其二模块软件系统要小,才能配合功能不太强大的嵌入式芯 片。针对此要求,几个较著名的公司进行了积极探索,出现了不同的具体实现方 式。 p h a rl a p 公司把能独立的智能部分和网络部分尽可能地移出嵌入式设备,如有 些预定义的数据转移到胖客户机上;提供最低要求的t c p i p 堆栈和最精简的 t c p i p 协议:对代码做了高度优化,该公司的m i c r o w e b 服务器大小为2 5 k b y t e ; 江苏大学硕士学位论文第1 章绪论 a g r a n a ts y s t e m 公司在嵌入式设备上创建了具有自己特色的e m w e b 服务器。 在h t m l 文本中嵌入c 语言程序对实时数据进行访问;为h t m l 增加了特殊标记, 使w e b 页上的动态数据与系统软件相接口;再把c 语言库中的t c p i i p 协议和其 它重要的i n t e r n e t 高层软件标准( 如h t m l ,x m l ,r v s a ,t c n 等) 合并到e m w e b 服 务器中【2 1 ; u b i c o m 公司提供的s x 系列8 位单片机可直接实现i n t e m e t 接入功能。该单片 机实质上由m c u 及内部固化t c p i p 协议的芯片组成s o c 应用系统,在m c u 执 行数据采集和控制功能的同时,采用硬件协议栈把数据打包,发送到i n t e m e t 上。 不依赖p c 机或高档单片机,真正实现8 位单片机系统直接接入i n t e m e t 。 由上可以看出,该模型实现的关键问题是运行于嵌入式设备中的嵌入式 t c p i p 协议栈和嵌入式w e b 服务器的实现。只有实现了这些关键技术,我们才能 真正将设备接入i n t e m e t 。而所有这些技术都必须足够的“小”:对t c p i p 协议栈 的革新可以采用软件技术现有的嵌入式协议栈仅仅需要3 8 k 字节的内存,也 可以采用硬件技术硬件协议栈芯片;嵌入式w e b 服务器是专门为嵌入式设备 设计的一种小巧精悍的w e b 服务器,能够运行于嵌入式t c p i p 协议栈上,但其需 要的内存可以小于5 k 。这一切使得在8 1 6 位嵌入式系统中直接实现i n t e m e t 接入 成为可能l ,j 。 然而,上述模型并非就是最合适的,也有其不足之处: 1 ) 由于i p 地址紧张,我们暂时不可能为每台设备都分配一个i p 地址; 2 ) 采用该模型需要对设备的硬件进行全面的升级,成本较高;对旧设备的兼 容性不高。 3 ) 由于该模型采用裁减过的嵌入式t c p i p 协议栈和嵌入式w e b 服务器,实 现的功能较为单一,安全性差,只适用于需求较简单的场合。 1 2 1 3 “嵌入式w e b 网关 模型 “高性能嵌入式w e b 网关 模型是伴随着3 2 位m c u 微处理器的广泛应用而 出现的。该模型类似于“上位机+ 专用网 模型,但其网关不采用价格昂贵且体积 庞大的上位机,而是采用类似于小型路由器的嵌入式w e b 服务器系统。该模型的网 关系统采用3 2 位高性能m c u 处理器和具有完整t c p i p 协议栈的嵌入式操作系统, 向内通过现场总线或其他专用网络和多个底层设备通信,向外通过局域网或m o d e m 接入i n t e m e t ,数据流动和“上位机+ 专用网”模型相同。网络结构如图1 3 所示。 由图1 3 可知,嵌入式w e b 网关是该模型的核心设备,它的主要任务是承担多 个底层设备的专用网络数据包和t c p i p 协议包之间的转换。其本身就是一个嵌入式 设备,具有嵌入式系统的专用性、体积小、成本低等特点。由于采用高性能的3 2 位m c u 处理器系统,运行具备完整t c p i p 协议的嵌入式操作系统,专用于e i 接 入,功能比较集中,所以既具有p c 网关的多功能性,又具备嵌入式设备的优点。 江苏大学硕士学位论文第1 章绪论 黪t 罐j 善 1 乙一,、。钾一 远程主控站 图1 3。高性能嵌入式w e b 网关”模型 该模型中嵌入式网关体积小,成本低,可配置,冗余功能少,适合于集中控 制,但克服了“上位机+ 专用网”模型的相应缺点。同时也克服了“分布式瘦服 务器”模型的多i p 地址,功能弱,升级成本高等缺陷。由于采用3 2 位处理器及嵌 入式网络操作系统,并独立为一个网关设备,专用性高,所以软硬件性能好,网 络功能强,几乎可以和p c 机的个人服务器功能相媲美。最关键的是,该网关具有 足够的计算资源以增强e i 网络的安全性,解决了目前嵌入式i n t e r n e t 发展应用最 紧迫的问题之一。 当然,这种模型也有不足之处,例如单设备需接入i n t e m e t ,使用该网关系统 则成本过高;嵌入式网关开发任务重,其质量将关系到底层设备的数据传输速度 和可靠性。 1 2 2e i 发展趋势及应用领域 以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品,不仅为嵌入式市场展现了美好 前景,注入了新的生命;同时也对嵌入式系统技术,特别是软件技术提出新的挑 战。这主要包括:支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用 和多媒体的信息处理,此外,当然还需对付更加激烈的市场竞争。 随着嵌入式软硬件技术的进步,嵌入式i n t e r n e t 技术也在不断的发展,主要有 以下几个趋势: ( 1 ) 多功能化:随着芯片技术的进步和家用p c 机的普及,用户对e i 设备功 能的要求由原来单一的数据传输功能提升到功能多样化,例如可作为w e b 服务器 进行访问,支持动态页面;支持e m a i l 报警;可发送s m s 短消息;可下载或上传 资料;可自动更新程序等。 ( 2 ) 多媒体界面:嵌入式设备要被多数用户接受,重要因素之一是它们与使 用者之间的亲和力,自然的人机交互界面。人们与e i 设备的交互逐渐演变为以g u i 江苏大学硕士学位论文第1 章绪论 屏幕为中心的多媒体界面。另外,手写文字输入、语音输入、语音拨号上网、收 发多媒体电子邮件以及彩色图形、图像浏览等需求也逐步被要求。 ( 3 ) 小巧轻便:功能更强,体积更小,移动应用等特点直是嵌入式系统所 追求的目标。e i 设备也朝着“小型化 的方向发展,最终实现同等功能可完全嵌 入到底层设备中。 ( 4 ) 高安全性:i n t e m e t 提供的开放性的网络环境并不保障接入系统的安全 性,不难想象,如果接入网络的工业仪器被“黑客”所控制,将会带来什么样的 后果。如果嵌入式i n t e m e t 不能很好的解决安全问题,工业设备是不会贸然接入 i n t e m e t 的,可以这样说,嵌入式i n t e m e t 的安全问题直接关系到嵌入式i n t e m e t 的 发展及其应用前景。因此,在未来e i 发展中必须把设备的安全问题放到首要的地 位来考虑。 嵌入式i n t e m e t 具有广阔的应用领域,例如工业自动化、智能社区、信息家电、 智能公路、工业制冷、库房、环境工程与自然等。 工业自动化 网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源的主要途径。如在制药工 业过程控制、电网设备监测、石油化工系统等应用场合,都迫切需要网络监控系 统来实现上述目标。目前已经有大量的8 ,1 6 ,3 2 位嵌入式微控制器组成的工业监 控系统应用在工业自动化领域中,而且其应用场合正不断扩大,技术越来越成熟。 智能公路 交通管理、车辆导航、流量控制、信息监测与汽车相关信息服务等。 信息家电 冰箱、空调、微波炉等电器的网络化;水、电、煤气表的自动抄表,安全防 火、防盗系统等。 库房及工业制冷 冷库、中央空调、超级市场冰柜;油库、粮库、食品库等环境,通过网络可 实现对库房及设备的无人监控,既能节省大量的人力和财力,还能避免人力现场 监控存在的安全隐患问题。 1 2 3 工业控制网络化 2 1 世纪是信息化、网络化和智能化的时代,随着i n t e m e t 技术的迅速发展,以 太网和t c p i p 协议已成为世界范围内的事实标准,基于嵌入式i n t e

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