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(shí)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(jì),，單純在IED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,，并對其進(jìn)行相應(yīng)的精簡和修改,；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(gè)基于Linux的開源軟件,，代碼采用C語言實(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(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)場測試和控制設(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(bào)文,，并建立TCP連接,，然后由EWS根據(jù)其請求報(bào)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(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)議對應(yīng)端口(通常為80)上的TCP連接請求時(shí),，才運(yùn)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(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(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)由頁面文檔管理模塊進(jìn)行處理，根據(jù)對報(bào)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(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(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)，首先對空閑隊(duì)列進(jìn)行判斷,，如果為空,，則申請一個(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)對阻塞隊(duì)列進(jìn)行輪詢時(shí),，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(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(shí),，給空閑隊(duì)列分配了足夠大的隊(duì)列空間,，并對操作時(shí)所涉及的一些動(dòng)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(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(shí)現(xiàn)
為了應(yīng)用時(shí)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(shí)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(gè)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(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)本次申請的URL返回相應(yīng)頁面；若超時(shí)則需要對本次訪問的URL進(jìn)行重定向,，返回密碼校驗(yàn)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,。

通過以上過程的處理,，即可實(shí)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(shí)現(xiàn)
由于配置環(huán)境的需要,，設(shè)計(jì)頁面較多,，如果將所有頁面均存儲(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(dòng)態(tài)頁面,，均建立一個(gè)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(shí)對各模板內(nèi)容的大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì),，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(shí)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(shí)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(gè)較大的內(nèi)存空間,，并將該空間按各個(gè)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(shí),，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(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面文件內(nèi)容而申請內(nèi)存的操作，又避免了為存儲(chǔ)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,。

對于EWS中動(dòng)態(tài)頁面的生成則要經(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請求報(bào)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(shí)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(bào)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(shí)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(diǎn)分析,，用一個(gè)單向鏈表來對表單數(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(shí),，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(shí),，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(dòng)態(tài)頁面設(shè)計(jì)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：
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(shí)，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：
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)頁面模板時(shí)在每個(gè)需要進(jìn)行動(dòng)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(dú)一行)：

在每次解析完表單數(shù)據(jù)并且需要對動(dòng)態(tài)頁面進(jìn)行重新生成時(shí),，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(shí)現(xiàn)解析數(shù)據(jù)的模板頁面回填,，從而生成相應(yīng)的動(dòng)態(tài)頁面。
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,，相對來說文件下載較為簡單,，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)則相對復(fù)雜,，下面對其設(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,，在其頁面設(shè)計(jì)時(shí)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(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 性能測試
通過以上各環(huán)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對完整的EWS,。綜合以上各個(gè)模塊,。
在主頻600 MHz的TMS320DM642處理器上對該EWS從收到請求建立連接到響應(yīng)結(jié)束斷開連接的時(shí)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(jì)，在訪問索引主頁時(shí),，涉及的訪問請求次數(shù)較多,，所以其測試時(shí)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(shí)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(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Web頁面的管理及動(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)相對完整的EWS,。