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标题: 基于ARM的嵌入式SMTP远程控制设计 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-16 18:46
标题: 基于ARM的嵌入式SMTP远程控制设计

　　随着WWW 的不断发展,人们对以IP 网络为基础的Internet 应用提出了更高的需求,将来的Internet 必将实现“利用IP 技术传输控制行为(Action over IP)”。在工业控制领域怎样实现仪器仪表的远程数据采集，实现异构网络互连及远程监控成为技术的关键。因此需要一种合理的通讯模式来实现数据的远程传输[1]。
　　在本课题中，通过SMTP协议的方式提供了一种新的嵌入式远程通讯模式。即在ARM处理器中实现SMTP协议，并通过双绞线连接到Internet上。在该平台上开发的远程控制设备或仪器仪表实现了通过Internet进行数据的远程传输，在任意一台上网的计算机上都可以通过Internet对其进行远程监视和控制。该方式对于无人值守的工、民用控制及分布式水、电、气、环境等远程监控有普遍的意义和实际的应用价值。
　　项目中选择了基于ARM体系结构的32位微处理器，介绍了模块的各组成部分，包括基于ARM的硬件结构模型、软件结构、SMTP的基本结构及其运行机制。并详细分析了ARM系统中嵌入式SMTP软件模块的具体实现和调试过程。
　　1．系统整体结构
　　在系统中，将SMTP服务器引入到ARM的平台上实现嵌入式SMTP服务器（Embedded SMTP Server）。在此软硬件系统基础上开发控制设备及仪表，使传统的测试和控制设备转变为具备了以TCP/IP为底层通信协议，SMTP技术为核心的基于互联网的网络测试和控制设备。嵌入式SMTP系统与传统SMTP Server相比，简化了协议结构，将信息采集和信息发布都集成到现场的测控设备中。由于SMTP是Internet中跨平台的标准通信协议，内嵌于设备的SMTP 服务器可以接收任何标准邮件发送工具发出的E-mail指令和数据。同时由于SMTP技术的开放性和独立平台特性，大大降低了软件系统和通信系统的设计、维护工作量，节省了人员培训费用等，提高了现场测试和控制设备的管理水平。
　　1.1系统的硬件结构
　　系统硬件的核心部件，由运行嵌入式操作系统的嵌入式微处理器系统构成，在嵌入式操作系统之上运行着系统的核心软件。由于ARM处理器技术成熟，市场占有率高，且成本急剧下降。从工控角度出发，我们选用MOTOROLA基于ARM 内核的MX9328MX1。该芯片是一款基于ARM9T芯片。它一方面具有ARM 处理器的低功耗、高性能等优点；同时又具有丰富的片上资源，非常适合嵌入式产品的开发。
　　在硬件系统中包含实现SMTP通信功能的微处理器，它可以和前端的应用系统直接集成在一起，也可以通过现场总线与应用系统相连。包括:8M 的FLASH 存储器用来存储实时操作系统的系统内核、TCP/IP 协议栈、各种控制程序及其他并行模块；32M的SDRAM存储器供系统运行时使用；以太网接口实现与Internet/Intranet 连接；现场总线扩展控制模块提供现场一定范围内设备的分布控制；通用IO口控制模块等。其硬件结构图如图1 所示[2]。

　　图2: 嵌入式SMTP远程控制流程
　　2.2 套接字通讯模块
　　网络套接字模块负责与远端客户机、服务器建立TCP连接，发送和接收从客户端发送的命令和数据以及向其他SMTP服务器端返回邮件数据。这些都是基于TCP/IP栈通过Linux操作系统的标准Socket机制来实现的。在网络模块中,为便于升级,考虑到了IPv4到IPv6过渡。在用户设置服务器地址的时候，可以支持IP地址输入和域名输入两种方式,这样给用户带来很大方便。
　　在该模块中，提供一个TCP流套接字服务器。在端口25上绑定套接字，最多可以提供一个连接，支持5个等待。一旦服务器接受一个连接，该套接字被传给SMTP/ESMTP协议模块，来处理SMTP协议实现交互。处理完后关闭套接字，然后可以等待另一个请求。
　　2.3 E-mail编码模块
　　在系统中，远程设备需要周期性的将设备运行状态及各参数发送给管理者，以及在管理者发送查询指令时将查询的关键值发送给管理者。这需要设备能够根据运行的参数构造标准结构的E-mail并发送。
　　E-mail编码模块的功能是：设备发送邮件时，将设备参数及状态转变成标准的适合在Internet上传输的邮件格式。
　　一个完整的E-mail报文包括包封、报头和报体。包封是用SMTP命令MAIL FROM和RCPT TO来定义。报头信息包括：收件人(To

，发件人(Sender

，抄送者(CC

，发送日期(Date：)，主题(Subject：)，MIME版本(Mime-version：)等。在报体中信息包括：内容类型(Content-Type

，内容传输编码类型(Content-Transfer-Encoding

，边界定义（Boundary:）及信息内容等。邮件信息每行之间都以CR/LF（回车换行符）作为结尾。可以通过这些邮件头信息的关键词，解析出收件人、发件人、抄送人、发送日期，MIME版本号等[4]。
　　报体信息包括邮件的正文和附件。正文开始的标记是邮件头信息结束后的两个回车换行符，即两个CR/LF。邮件结束的标志是.。模块中提供了对MIME（Multipurpose Internet Mail Extensions）1.0格式邮件的处理。实现了MIME内容传输编码,包括：7-bit，8-bit， quoted-printable，Base64编解码。
　　2.4 SMTP/ESMTP协议模块
　　SMTP/ESMTP是一种基于命令/应答模式的锁步协议。客户机给出字符串命令，服务器给出数字代码应答，实现邮件的锁步传输。
　　在TCP连接基础上（端口号25），本模块实现SMTP/ESMTP协议的最小命令集。作为客户发送邮件时，实现的客户连接命令包括: ELHO(或者HELO)、AUTH LOGIN、USER、PASS、MAIL FROM、RCPT TO、DATA、RSET、NOOP、QUIT。作为服务器接收邮件时，响应的数字代码包括：220（服务就绪）、221（服务关闭）、250（要求的邮件操作完成）、354（开始邮件输入，以.结束）、500（命令不识别）[4][5]。
　　发送者的用户名和密码必须经过Base64编码后，发送到SMTP/ESMTP服务器端，认证才能成功。实现过程见图3。

　　图3：SMTP/ESMTP协议模块基本流程
　　2.5 E-mail解析模块
　　远端设备在收到邮件指令时，应能从邮件中正确析取出指令并做出响应。
　　系统中的E-mail解析模块通过查找E-mail中的主题来知道命令类型。其在E-mail报体中查找字符串Subject来发现E-mail的主题，并从中找到规定类型的命令字头。如无相应主题，返回-1，将邮件丢弃。根据主题命令字的不同，完成设备的相关动作控制或相应状态的邮件报告。对于数据块的更新，使用附件解析模块来得到附件中的数据。
　　3．安全性问题
　　由于SMTP技术的开放性和标准性，其开发的简单便利也带来很多缺点。设备的远程控制必须对访问者有所区分，否则系统的安全将不可预料。
　　特别是，SMTP协议在发送邮件信息，甚至是用户名和密码的时候采用的是明文发送。通过常见的抓包工具，就可以轻易获得正在接收或发送邮件的用户的所有信息，包括用户名和密码以及邮件信息,这给设备的正常操控带来了极大的威胁。即使ESMTP协议在发送用户名和密码的时候采用的是base64编码，但其解码也是轻而易举，因此其安全性也有限。
　　对于安全问题，可根据不同的控制环境使用不用的策略[6]。
　　(1) 闭环网络访问策略：把网络访问范围局限在 Intranet 范围内，通过网内任意PC机发送的邮件命令可以进行远程监视、诊断、远程控制和参数设置。所有可能的攻击点全部局限在本网络范围内。
　　(2) 只读访问策略：对关键信息和敏感信息，一个重要的安全措施就是将其标记为只读特性，尤其是从Intranet 范围外的IP 地址来的访问请求。这样用户可以在任意地方查看远程设备的状况，出现问题可以及时采取措施。
　　(3) 引入加密机制,如：MD5加密就可以增加安全性。
　　4．结束语
　　本文介绍了在ARM的硬件平台上，如何构建以嵌入式Linux为基础利用SMTP协议来进行设备的远程监控的实现方法。通过该方法，我们实现了对传统工控项目的远程控制改造升级。在该方案的基础上，完全可以实现设备的网络化和智能化管理,为现场可编程设备的在线远程监控、管理及维护等功能提供了实现的可能性和技术上的支持。通过对SMTP协议的合理利用，使“Action over IP”的思想得以实现,从而在远处可以对设备的“行为”进行有效的管理和控制。
　　该文的创新点为：
　　1、使用低成本、高可靠的ARM硬件平台替代价格昂贵的工控机降低了生产运营成本，提高硬质合金生产线的安全可靠性。
　　2、由于采用SMPT这样简单的通讯协议，降低了工控网络管理复杂性，使硬件与软件维修都变得方便，易于掌握。
　　3、采用加密传输通讯确保数据安全，ARM平台采用TCP/IP标准方便与外网通讯，实现企业数据库共享。

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