基于单片机的嵌入式SNMP代理器设计与实现

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基于单片机的嵌入式SNMP代理器设计与实现

0 引言
  
    SNMP（简单网络管理协议）应用广泛，功能强大，只要管理软件驻留有MIB（管理信息库），并且拥有适当的权限，管理器就可以访问SNMP代理器。SNMP一般用于计算机网络和电信网络，本文提出了用SNMP进行控制。由于其传输媒介是Internet，所以传输距离不受限制，这相对于其他工业控制总线有不可比拟的优势，SNMP最大的优点是协议简洁，适合嵌入式应用。SNMP体系可扩展性强，只要将新的MIB装载在管理软件上就可以实现对新的终端的控制与访问，本文介绍了一种基于廉价的微控制器的实现嵌入式代理器的方案，以微处理器核心实现相关硬件及软件。1 SNMP体系结构
    SNMP的体系结构（见图1）以简单的查询/回答模型为基础，发送查询的用户为管理者，SNMP的服务器（代理器）回答查询。

    SNMP在TCP/IP体系中属于应用层协议。为了实现SNMP体系，就必须实现从应用层到物理层的所有要用到的协议，管理器在PC机上，代理器处于监测现场，代理器驻留在被管理系统的MIB，我们以单片机为核心来实现嵌入式代理器，嵌入式代理器要对现场采集到的数据进行分析，如果有异常情况发生，通过发送Trap报文给管理器，告知网管有异常情况发生，在报文中还带有异常情况的相关信息，网管可以根据这一信息进行相应的处理，在一些情况下，代理器将数据保存起来，以备管理器的查询。
2 嵌入式代理器的硬件实现
    我们设计的基于SNMP的控制系统原理见图2。

    控制现场的信号采集由A/D转换模块输入单片机。单片机对信号进行处理，并且执行SNMP代理器的任务，硬件部分主要包括A/D、串口、以太网、小逻辑、单片机、监控信号采集、电源及监控等模块，本文着重介绍与嵌入式SNMP代理器密切相关的部分。
2.1 串口模块
    单片机使用的是TTL电平，而RS-23协议所使用的电平不同，所以需要进行电平转换，通过MAX232实现电平转换。
2.2 A/D模块
    A/D模块主要负责采集外部监控信号，采用AD0809可以采集8个通道的数据，信号变化的动态范围并不大，利用这一特点，合理设置参考电压，可以提高分辨率，从而用低廉的器件实现很好的性能，ADC0809的两个参考电压都可以通过电位器调节，为了保证系统的精度，参考电压必须稳定，为此采用MAXIM的MAX875作为参考电压源。另外需要注意的是：输入到A/D转换器的参考电压经过电位器的分压，为了使参考电压稳定，必须选用高精度、高稳定性的电位器。
2.3 以太网模块
    以太网模块实现与以太网的通信，采用RealTek的RTL8019芯片实现。
    RTL8919A（见图3）有3种工作方式：跳线方式，网卡的I/O和中断由跳线决定；即插即用方式，由软件进行自动配置plug and play；免跳线方式，网卡的I/O和中断由外接的93C46中的内容决定。

    RTL8019AS的引脚65（JP）决定了网卡的工作方式，引脚65脚（JP）是输入引脚，当引脚65为低电平时，8019工作在即插即用方式或免跳线方式，具体由93C46中的内容决定，在嵌入式应用中如果可以不使用93C46，则可以降低成本，同时减少连线，我们把引脚65接高电平（VCC），使用跳线方式。那么，网卡的I/O和中断就不是由93C46的内容决定，这是不需要使用93C46。
    引脚64（AUI）决定使用AUI还是BNC接口。BNC接口方式支持8线双绞线或同轴电缆。高电平时使用AUI接口；悬空为低电平，使用BNC接口。我们一般使用BNC，将该引脚悬空。
网络接口类型由引脚74（PL0）、引脚77（PL1）决定。将PL0、PL1悬空，选择自动检测模式，芯片自动检测接口类型是用同轴电缆或双绞线，然后进行工作。
    RTL89的IOCS16是16位I/O的选择引脚。当网卡上电复位时，该引脚为网卡的输入，如果该引脚为高电平，网卡将选择16位的模式，如果该引脚为低电平，网卡将选择8位模式，51单片机是8位数据，所以用电阻R10下拉，因此在复位时该引脚为低电平，网卡选择8位模式。
    AD0-AD7是网卡的8位数据总线，接单片机的P0口，RESDRV（引脚33（RESET））接单片机的T0（P3.4），单片机用P3.4来复位网卡。IRQ9接单片机的INT0（P3.2），IRQ9是网卡的中断9，接到单片机的中断0上，IOR，IOW接到单片机的P3.6，P3.7（/WR，/R）。
2.4 小逻辑模块
    小逻辑模块主要实现一些逻辑功能，A/D的时钟由单片机的ALE信号8分频，各个外部器件的片选功能都由小逻辑模块实现，虽然功能不复杂，如果用小逻辑器件实现，就需要较多的器件，器件利用率低，在电路板上占据较大的空间，与要求体积小的嵌入式应用相矛盾。采用可编程逻辑器件可以解决这些问题。
2.5 单片机模块
    单片机模块由单片机以及复位和看门狗电路、外部扩展RAM、时钟电路等外围电路构成，看门狗电路可以提高现场恶劣条件的干扰，当系统受到外界干扰使得单片记的程序跑飞，看门狗没有喂狗信号，看门狗电路将单片机和RTL8019复位，重新开始运行。
3 软件设计与实现
    由于SNMP的编解码需要占用很多CPU时间，并且在单片机上还要实现A/D数据采集转换、以太网通信、串口通信等功能，这就使得协调各个功能非常困难，因此，我们选用Micro-C/OS51作为单片机的操作系统，Micro-C/OS51是嵌入式实时操作系统Micro-C/ OS在51单片机上的移植代码，实时系统能够很好地提高CPU的效率，并且是多任务系统，能够协调多个任务，我们将单片机要实现的功能分为人机交互任务、A/D处理任务和SNMP处理任务。

3.1 人机交互任务
    人机交互任务是通过单片机的串口来实现与用户的交互，用户通过串口电缆将PC机与单片机的串口连接，通过PC机的超级终端可以使用命令行的方式对代理器的有关参数（网关地址、主机地址等）进行配置，还可以察看相关的运行信息，主要的命令行有：
Host 配置本机IP地址
Gateway 配置网关地址
Mask 配置子网掩码
Snmphost 配置SNMP管理器IP地址
Macadr 配置本机物理地址
ping 可以用这个命令来检测网络链路
clear 清除电话显示屏的内容
    人机交互任务实现的主要思路就是单片机接收用户键盘输入的字符存入命令缓冲区，并回显到屏幕，当用户按下回车键，触发软件状态机状态变迁，从输入态转移到命令解释态，然后根据用户命令调用相关子程序执行相关操作，执行完毕后重新回到输入态。
    人机交互程序由词表、取词子程序、状态机框架程序（输入回显和命令解释执行）命令相关子程序组成，词表就是命令语句的集合，取词子程序从命令行语句中提取单词并存入词表，同时进行匹配检查和词法分析，输入回显程序循环检查用户键盘输入，命令解释程序调用取词子程序分析用户命令行输入，根据词表第1个单词在散转表中的位置调用相应执行子程序处理命令，命令解释程序向相应的命令相关子程序传入词表指针，具体执行由用户自行决定，由命令相关资程序返回后重新回到命令输入态，完成一次输入执行全过程，此过程周而复始地循环执行。

3.2 A/D处理任务
    A/D转换需要一定的时间，读取A/D转换的结果有3种方式：
    a）采用中断方式，读取数据及时，同时频繁的中断处理增加了CPU的负担。
    b）查询方式，造成CPU时间的浪费，大大地降低了CPU效率；
    c）等待方式，看起来没有优点，但是在UC/OS51操作系统中，到任务调度的一个很重要的思想就是延时，高优先级的任务执行一段时间后，再延时一段时间，以便低优先级的任务执行，这样将等待的时刻放到A/D处理任务的延时时刻，可以起到一举多得的作用，我们正是采用这种方式。
3.3 SNMP处理任务
    当接收到UDP数据包、处理UDP报头后，由函数udp_recv（）处理SNMP数据包。其基本思想是：解码SNMP消息，如果解码正确，判断该Community（共同体）是否具有进行所请求操作的权限，如果没有权限，则抛弃该报文，并且给管理器发送Trap报文。如果权限正确，则从代理器上的MIB表中查找所请求的对象。找到后，执行相应操作，同时生成响应报文。然后进行SNMP编码，如果编码无误，则将这个SNMP报文交给上一层协议处理，SNMP处理流程见图4。

    在SNMP处理过程中，SNMP的编码和解码非常关键，以解码为例来说明，解码出SNMP报文使用SNMP的版本号，报文所使用的共同体号，版本号，表明了报文使用SNMP的版本，如果管理器与代理器使用协议的版本不同，将不能正常通信，共同体相当于密钥，只有有了密钥的管理器才能够访问代理器，否则，代理器不予响应，PDU解码出管器所要访问的对象，SNMP解码的流程图见图5。
    流程图中的snmpDec（）函数解码SNMP函数报文，将有用的信息提取出来，MibRequest（）函数的作用是将驻留在嵌入式SNMP代理器中的MIB中查找解码出来的OID（对象标识符），查找到OID后，同时获得了这个对象的信息，编码同时开始进行，MibCmpObjId（）函数的作用是采用比较的方式查找表项。SnmpEnc（）函数将得到的响应报文按SNMP的编码规则编码成SNMP报文。make_udp（）函数将SNMP报文封装在UDP报文中。再经过IP协议封装，以太网协议封装后，就可以通过以太网传输。
4 结束语
    我们将该系统用于光无线通信的网络管理与监控系统。经过使用后发现：该系统能够实时监控光无线通信系统的运行，由于采用Internet传送数据，所以传输距离不受限制，SNMP是应用最广泛的网络管理协议及实现嵌入式SNMP代理器，可以使光无线通信系统的管理很方便地加入到现有的网络管理系统，由于采用廉价的单片机来实现嵌入式SNMP代理器，主要的协议处理由软件实现，成本很低。

李小路

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