本文主要是通過(guò)SMTP協(xié)議的方式提供了一種新的嵌入式遠(yuǎn)程通訊模式。即在ARM處理器中實(shí)現(xiàn)SMTP協(xié)議，并通過(guò)雙絞線連接到Internet上。在該平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程控制設(shè)備或儀器儀表實(shí)現(xiàn)了通過(guò)Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，在任意一臺(tái)上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上都可以通過(guò)Internet對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。

項(xiàng)目中選擇了基于ARM體系結(jié)構(gòu)的32位微處理器，介紹了模塊的各組成部分，包括基于ARM的硬件結(jié)構(gòu)模型、軟件結(jié)構(gòu)、SMTP的基本結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行機(jī)制。并詳細(xì)分析了ARM系統(tǒng)中嵌入式SMTP軟件模塊的具體實(shí)現(xiàn)和調(diào)試過(guò)程。

1.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)中，將SMTP服務(wù)器引入到ARM的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)嵌入式SMTP服務(wù)器(Embedded SMTP Server)。在此軟硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)控制設(shè)備及儀表，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，SMTP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。嵌入式SMTP系統(tǒng)與傳統(tǒng)SMTP Server相比，簡(jiǎn)化了協(xié)議結(jié)構(gòu)，將信息采集和信息發(fā)布都集成到現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控設(shè)備中。由于SMTP是Internet中跨平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，內(nèi)嵌于設(shè)備的SMTP 服務(wù)器可以接收任何標(biāo)準(zhǔn)郵件發(fā)送工具發(fā)出的E-mail指令和數(shù)據(jù)。同時(shí)由于SMTP技術(shù)的開(kāi)放性和獨(dú)立平臺(tái)特性，大大降低了軟件系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、維護(hù)工作量，節(jié)省了人員培訓(xùn)費(fèi)用等，提高了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和控制設(shè)備的管理水平。

1.1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件的核心部件，由運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式微處理器系統(tǒng)構(gòu)成，在嵌入式操作系統(tǒng)之上運(yùn)行著系統(tǒng)的核心軟件。由于ARM處理器技術(shù)成熟，市場(chǎng)占有率高，且成本急劇下降。從工控角度出發(fā)，我們選用MOTOROLA基于ARM 內(nèi)核的MX9328MX1。該芯片是一款基于ARM9T芯片。它一方面具有ARM 處理器的低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn);同時(shí)又具有豐富的片上資源，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

在硬件系統(tǒng)中包含實(shí)現(xiàn)SMTP通信功能的微處理器，它可以和前端的應(yīng)用系統(tǒng)直接集成在一起，也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與應(yīng)用系統(tǒng)相連。包括:8M 的FLASH?存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)核、TCP/IP 協(xié)議棧、各種控制程序及其他并行模塊;32M的SDRAM存儲(chǔ)器供系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用;以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)與Internet/Intranet 連接;現(xiàn)場(chǎng)總線擴(kuò)展控制模塊提供現(xiàn)場(chǎng)一定范圍內(nèi)設(shè)備的分布控制;通用IO口控制模塊等。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示[2]。

圖1: 嵌入式SMTP遠(yuǎn)程控制平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

考慮到性價(jià)比，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同進(jìn)行調(diào)整，硬件資源也很有限。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)核、TCP/IP 協(xié)議棧、各種應(yīng)用程序都必須寫入到FLASH中并在運(yùn)行時(shí)調(diào)入到SDRAM 中運(yùn)行，這樣對(duì)軟件系統(tǒng)提出了較高的要求。

1.2系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括五個(gè)部分：①嵌入式操作系統(tǒng);②虛擬文件系統(tǒng);③SMTP引擎;④配置模塊;⑤安全模塊;⑥控制程序接口模塊。

嵌入式操作系統(tǒng)選用Linux，作為系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)，其優(yōu)異的跨平臺(tái)移植能力、開(kāi)放的源代碼、配置的靈活性為開(kāi)發(fā)提供了便利。內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧可使用戶快速的開(kāi)發(fā)出應(yīng)用層協(xié)議的程序。

Linux上的虛擬文件系統(tǒng)在FLASH及SDRAM的基礎(chǔ)上建立類似于磁盤的使用環(huán)境。虛擬文件系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)文件大小、修改時(shí)間等信息。通過(guò)虛擬文件系統(tǒng)將系統(tǒng)中所需的控制程序以及配置文本等以文件形式存儲(chǔ)于系統(tǒng)芯片上。

SMTP引擎負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶的請(qǐng)求，通過(guò)應(yīng)用程序接口使用戶遠(yuǎn)程控制設(shè)備的動(dòng)作，臨界值狀態(tài)報(bào)告及定期向用戶報(bào)告工作狀態(tài)。

配置模塊使系統(tǒng)管理員可以遠(yuǎn)程使用郵件的方式設(shè)置設(shè)備的參數(shù)，在系統(tǒng)啟動(dòng)中定義的配置環(huán)境變量包括設(shè)備的臨界值，狀態(tài)報(bào)告周期，Socket端口等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，設(shè)備的啟動(dòng)停止時(shí)間，工作周期等。

網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程設(shè)備的配置和控制信息的訪問(wèn)是安全保護(hù)的重點(diǎn)。安全模塊通過(guò)在服務(wù)器上定義安全域和對(duì)每個(gè)安全域定義的用戶名/密碼實(shí)現(xiàn)對(duì)敏感信息的保護(hù)。還可以對(duì)請(qǐng)求控制動(dòng)作及數(shù)據(jù)采取加密措施實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)功能。系統(tǒng)主要通過(guò)ESMTP來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)措施。ESMTP為擴(kuò)展的SMTP協(xié)議，是郵件服務(wù)器系統(tǒng)為了限制非本系統(tǒng)的正式用戶利用本系統(tǒng)散發(fā)垃圾郵件或其他不當(dāng)行為而開(kāi)設(shè)的一項(xiàng)安全認(rèn)證服務(wù)。

應(yīng)用程序接口模塊實(shí)現(xiàn)和嵌入式控制系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)交換。在本系統(tǒng)中，應(yīng)用程序接口與嵌入式操作系統(tǒng)通信，通過(guò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)嵌入系統(tǒng)的配置、監(jiān)視和控制，是系統(tǒng)控制的核心。監(jiān)控程序模塊使用CGI(Common Gateway InteRFace)的方式實(shí)現(xiàn)。

　　2． SMTP通訊模塊設(shè)計(jì)

　　通過(guò)電子郵件來(lái)與網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)通信有如下優(yōu)點(diǎn)：（1） 用戶接口是日常使用的標(biāo)準(zhǔn)電子郵件客戶程序，對(duì)技術(shù)要求較低；（2） 有現(xiàn)成的協(xié)議用于從各種設(shè)備（桌面電腦、手持設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)電話）發(fā)送電子郵件并在因特網(wǎng)上傳輸；（3） 只需稍加處理，便可對(duì)嵌入式設(shè)備上回復(fù)的電子郵件以HTML格式進(jìn)行編碼，使數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式更為豐富和易讀；（4） 電子郵件客戶程序有自己的存檔日志，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔備份［3］。

　　系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)簡(jiǎn)化的SMTP Server。僅僅是根據(jù)基本的SMTP交互協(xié)議實(shí)現(xiàn)郵件接收和郵件轉(zhuǎn)儲(chǔ)。不提供郵件轉(zhuǎn)發(fā)，也不需要考慮多用戶的郵件并發(fā)連接。該SMTP Server僅僅為單用戶提供專用連接，并按自己的特定格式接收。

　　因此，該SMTP Server實(shí)現(xiàn)的核心是實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的SMTP鎖步協(xié)議對(duì)話機(jī)，并從郵件中析取出命令及附件數(shù)據(jù)。在分析標(biāo)準(zhǔn)SMTP協(xié)議后，程序中僅實(shí)現(xiàn)符合應(yīng)用需求的最簡(jiǎn)潔的SMTP對(duì)話機(jī)制。Server只是對(duì)客戶命令有效的發(fā)出每一個(gè)對(duì)話的響應(yīng)碼及固定信息，然后接收客戶機(jī)的應(yīng)答。在應(yīng)答消息中也僅僅分析應(yīng)答的字符命令是否正確，而不理睬其他信息。在郵件處理過(guò)程中，只查找主題并判斷，然后從郵件中判斷出附件的標(biāo)志并從附件開(kāi)始處接收數(shù)據(jù)然后解碼。

　　2.1 SMTP通訊基本流程

　　為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)響應(yīng)，將SMTP軟件的結(jié)構(gòu)模塊化。分為套接字通訊模塊、E-mail編碼模塊、E-mail解析模塊、SMTP/ESMTP協(xié)議模塊、附件解析模塊。其基本結(jié)構(gòu)如圖2。

　　圖2： 嵌入式SMTP遠(yuǎn)程控制流程

　　2.2 套接字通訊模塊

　　網(wǎng)絡(luò)套接字模塊負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)端客戶機(jī)、服務(wù)器建立TCP連接，發(fā)送和接收從客戶端發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)以及向其他SMTP服務(wù)器端返回郵件數(shù)據(jù)。這些都是基于TCP/IP棧通過(guò)Linux操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)Socket機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在網(wǎng)絡(luò)模塊中，為便于升級(jí)，考慮到了IPv4到IPv6過(guò)渡。在用戶設(shè)置服務(wù)器地址的時(shí)候，可以支持IP地址輸入和域名輸入兩種方式，這樣給用戶帶來(lái)很大方便。

　　在該模塊中，提供一個(gè)TCP流套接字服務(wù)器。在端口25上綁定套接字，最多可以提供一個(gè)連接，支持5個(gè)等待。一旦服務(wù)器接受一個(gè)連接，該套接字被傳給SMTP/ESMTP協(xié)議模塊，來(lái)處理SMTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)交互。處理完后關(guān)閉套接字，然后可以等待另一個(gè)請(qǐng)求。

　　2.3 E-mail編碼模塊

　　在系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程設(shè)備需要周期性的將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及各參數(shù)發(fā)送給管理者，以及在管理者發(fā)送查詢指令時(shí)將查詢的關(guān)鍵值發(fā)送給管理者。這需要設(shè)備能夠根據(jù)運(yùn)行的參數(shù)構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的E-mail并發(fā)送。

　　E-mail編碼模塊的功能是：設(shè)備發(fā)送郵件時(shí)，將設(shè)備參數(shù)及狀態(tài)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的適合在Internet上傳輸?shù)泥]件格式。

　　一個(gè)完整的E-mail報(bào)文包括包封、報(bào)頭和報(bào)體。包封是用SMTP命令MAIL FROM和RCPT TO來(lái)定義。報(bào)頭信息包括：收件人（To：），發(fā)件人（Sender：），抄送者（CC：），發(fā)送日期（Date：），主題（Subject：），MIME版本（Mime-version：）等。在報(bào)體中信息包括：內(nèi)容類型（Content-Type：），內(nèi)容傳輸編碼類型（Content-Transfer-Encoding：），邊界定義（Boundary：）及信息內(nèi)容等。郵件信息每行之間都以CR/LF（回車換行符）作為結(jié)尾。可以通過(guò)這些郵件頭信息的關(guān)鍵詞，解析出收件人、發(fā)件人、抄送人、發(fā)送日期，MIME版本號(hào)等［4］。

　　報(bào)體信息包括郵件的正文和附件。正文開(kāi)始的標(biāo)記是郵件頭信息結(jié)束后的兩個(gè)回車換行符，即兩個(gè)CR/LF。郵件結(jié)束的標(biāo)志是。。模塊中提供了對(duì)MIME（Multipurpose Internet Mail Extensions）1.0格式郵件的處理。實(shí)現(xiàn)了MIME內(nèi)容傳輸編碼，包括：7-bit，8-bit， quoted-printable，Base64編解碼。

　　2.4 SMTP/ESMTP協(xié)議模塊

　　SMTP/ESMTP是一種基于命令/應(yīng)答模式的鎖步協(xié)議。客戶機(jī)給出字符串命令，服務(wù)器給出數(shù)字代碼應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)郵件的鎖步傳輸。

　　在TCP連接基礎(chǔ)上（端口號(hào)25），本模塊實(shí)現(xiàn)SMTP/ESMTP協(xié)議的最小命令集。作為客戶發(fā)送郵件時(shí)，實(shí)現(xiàn)的客戶連接命令包括： ELHO（或者HELO）、AUTH LOGIN、USER、PASS、MAIL FROM、RCPT TO、DATA、RSET、NOOP、QUIT。作為服務(wù)器接收郵件時(shí)，響應(yīng)的數(shù)字代碼包括：220（服務(wù)就緒）、221（服務(wù)關(guān)閉）、250（要求的郵件操作完成）、354（開(kāi)始郵件輸入，以。結(jié)束）、500（命令不識(shí)別）［4］［5］。

　　發(fā)送者的用戶名和密碼必須經(jīng)過(guò)Base64編碼后，發(fā)送到SMTP/ESMTP服務(wù)器端，認(rèn)證才能成功。實(shí)現(xiàn)過(guò)程見(jiàn)圖3。

　　圖3：SMTP/ESMTP協(xié)議模塊基本流程

　　2.5 E-mail解析模塊

　　遠(yuǎn)端設(shè)備在收到郵件指令時(shí)，應(yīng)能從郵件中正確析取出指令并做出響應(yīng)。

　　系統(tǒng)中的E-mail解析模塊通過(guò)查找E-mail中的主題來(lái)知道命令類型。其在E-mail報(bào)體中查找字符串Subject來(lái)發(fā)現(xiàn)E-mail的主題，并從中找到規(guī)定類型的命令字頭。如無(wú)相應(yīng)主題，返回-1，將郵件丟棄。根據(jù)主題命令字的不同，完成設(shè)備的相關(guān)動(dòng)作控制或相應(yīng)狀態(tài)的郵件報(bào)告。對(duì)于數(shù)據(jù)塊的更新，使用附件解析模塊來(lái)得到附件中的數(shù)據(jù)。

　　3． 安全性問(wèn)題

　　由于SMTP技術(shù)的開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)性，其開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)單便利也帶來(lái)很多缺點(diǎn)。設(shè)備的遠(yuǎn)程控制必須對(duì)訪問(wèn)者有所區(qū)分，否則系統(tǒng)的安全將不可預(yù)料。

　　特別是，SMTP協(xié)議在發(fā)送郵件信息，甚至是用戶名和密碼的時(shí)候采用的是明文發(fā)送。通過(guò)常見(jiàn)的抓包工具，就可以輕易獲得正在接收或發(fā)送郵件的用戶的所有信息，包括用戶名和密碼以及郵件信息，這給設(shè)備的正常操控帶來(lái)了極大的威脅。即使ESMTP協(xié)議在發(fā)送用戶名和密碼的時(shí)候采用的是base64編碼，但其解碼也是輕而易舉，因此其安全性也有限。

　　對(duì)于安全問(wèn)題，可根據(jù)不同的控制環(huán)境使用不用的策略［6］。

　　（1） 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)策略：把網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)范圍局限在 Intranet 范圍內(nèi)，通過(guò)網(wǎng)內(nèi)任意PC機(jī)發(fā)送的郵件命令可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、診斷、遠(yuǎn)程控制和參數(shù)設(shè)置。所有可能的攻擊點(diǎn)全部局限在本網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)。

　　（2） 只讀訪問(wèn)策略：對(duì)關(guān)鍵信息和敏感信息，一個(gè)重要的安全措施就是將其標(biāo)記為只讀特性，尤其是從Intranet 范圍外的IP 地址來(lái)的訪問(wèn)請(qǐng)求。這樣用戶可以在任意地方查看遠(yuǎn)程設(shè)備的狀況，出現(xiàn)問(wèn)題可以及時(shí)采取措施。

　　（3） 引入加密機(jī)制，如：MD5加密就可以增加安全性。

　　4． 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了在ARM的硬件平臺(tái)上，如何構(gòu)建以嵌入式Linux為基礎(chǔ)利用SMTP協(xié)議來(lái)進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)該方法，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)工控項(xiàng)目的遠(yuǎn)程控制改造升級(jí)。在該方案的基礎(chǔ)上，完全可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化和智能化管理，為現(xiàn)場(chǎng)可編程設(shè)備的在線遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理及維護(hù)等功能提供了實(shí)現(xiàn)的可能性和技術(shù)上的支持。通過(guò)對(duì)SMTP協(xié)議的合理利用，使“Action over IP”的思想得以實(shí)現(xiàn)，從而在遠(yuǎn)處可以對(duì)設(shè)備的“行為”進(jìn)行有效的管理和控制。