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[23]，在具體開(kāi)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(mén)的配置軟件來(lái)進(jìn)行，操作界面不夠統(tǒng)一，給現(xiàn)場(chǎng)操作帶來(lái)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)[4]，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(jiàn)。本文通過(guò)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(kāi)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(jiàn)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(wèn)連接單獨(dú)開(kāi)啟一個(gè)進(jìn)程，也不會(huì)為處理多個(gè)連接而開(kāi)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(wèn)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(kāi)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(guò)GET或POST方法傳輸過(guò)來(lái)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(guò)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(lái)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[8]。其中，Web瀏覽器和EWS的交互過(guò)程如圖1所示。
圖1 Web瀏覽器和EWS的交互過(guò)程
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(lái)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(guò)CGI，直接返回該對(duì)應(yīng)頁(yè)面即可;反之則需要通過(guò)CGI來(lái)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(lái)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(guò)程后，即可釋放該TCP連接[9]。
本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將Web服務(wù)器的功能僅作為DSP/BIOS中的一個(gè)任務(wù)，只在監(jiān)聽(tīng)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(méi)有對(duì)用戶訪問(wèn)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。
圖2 EWS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
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(tīng)，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)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(wèn)的URL，并將其交給訪問(wèn)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(wèn)權(quán)限的判斷，由頁(yè)面文檔管理模塊來(lái)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。
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(tīng)、捕獲、讀寫(xiě)、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(lái)難度不大。
BOA中的連接狀態(tài)切換示意圖如圖3所示。
圖3 BOA中的連接狀態(tài)切換示意圖
當(dāng)程序每次監(jiān)聽(tīng)到新的socket連接訪問(wèn)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(wèn)結(jié)束斷開(kāi)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(xiě)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(kāi)連接移入空閑隊(duì)列。
以上過(guò)程在BOA中主要是通過(guò)get_request、fdset_update和process_requests這三個(gè)函數(shù)來(lái)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(guò)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(guò)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(wèn)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(wèn)的頁(yè)面分成兩類：一類為配置操作頁(yè)面，僅供認(rèn)證用戶訪問(wèn);另一類為設(shè)備狀態(tài)頁(yè)面，可供任何用戶訪問(wèn)。其控制主要是通過(guò)對(duì)用戶IP的判別及訪問(wèn)頁(yè)面的分類來(lái)實(shí)現(xiàn)的。首先對(duì)用戶訪問(wèn)的URL進(jìn)行解析，如果訪問(wèn)對(duì)象為配置操作頁(yè)面，則需要進(jìn)行認(rèn)證，在此通過(guò)一個(gè)用戶權(quán)限控制管理結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)通過(guò)權(quán)限認(rèn)證的用戶進(jìn)行維護(hù)，并提供一個(gè)時(shí)間控制機(jī)制，使通過(guò)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(wèn)。如果當(dāng)前客戶端(訪問(wèn)者IP)在用戶權(quán)限控制結(jié)構(gòu)內(nèi)，且未超時(shí)，則通過(guò)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(wèn)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(wèn)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(wèn)權(quán)限認(rèn)證程序流程如圖4所示。
圖4 訪問(wèn)權(quán)限認(rèn)證流程
通過(guò)以上過(guò)程的處理，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)訪問(wèn)權(quán)限的控制與管理。
