作者：王忠勇;安永帥;宋豫全

1 概述

信息家電和下—代寬帶無(wú)線通信是IPv6的兩大主要應(yīng)用領(lǐng)域，隨著互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展和家庭寬帶的逐步普及，將家庭中的微計(jì)算機(jī)、信息家電以及消費(fèi)電子設(shè)備等組成家庭網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)成為重要的消費(fèi)熱點(diǎn)。IPv6技術(shù)在家庭網(wǎng)絡(luò)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。可以使家庭內(nèi)的冰箱、空調(diào)等家電都擁有—個(gè)獨(dú)立的全球IPv6地址；全面支持服務(wù)質(zhì)量保證（QoS），這對(duì)于數(shù)字娛樂(lè)和多媒體信息應(yīng)用非常有益。因此，在家庭網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用IPv6具有廣闊的前景。

網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展給人們帶來(lái)巨大便利的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。在家庭網(wǎng)絡(luò)中，安全問(wèn)題同樣很突出。各種新技術(shù)在家庭中的廣泛應(yīng)用一方面提高了信息家電的性能，另一方面也對(duì)簡(jiǎn)化操作和管理提出了新的要求。這些都需要通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的家庭網(wǎng)絡(luò)WSB平臺(tái)進(jìn)行設(shè)置和管理，并實(shí)現(xiàn)與客戶端的動(dòng)態(tài)交互。

本文提出了一種基于IPv6的嵌入式家庭網(wǎng)絡(luò)WEB平臺(tái)解決方案，以高性能的32位ARM核微處理器S3C2410為硬件平臺(tái)，通過(guò)移植新版本的嵌入式linux-2.6.18內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)了家庭網(wǎng)絡(luò)的管理平臺(tái)功能。

2 家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由客戶端、寬帶接入端口、家庭網(wǎng)絡(luò)HUB、家庭網(wǎng)關(guān)和家電控制器組成。如圖1所示：

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)分為三個(gè)部分。

第一部分，是位于家庭網(wǎng)絡(luò)以外的客戶端，家庭網(wǎng)絡(luò)用戶和信息家電廠商的維護(hù)人員，通過(guò)Intenet訪問(wèn)家庭網(wǎng)絡(luò)對(duì)外的統(tǒng)一平臺(tái)，即網(wǎng)關(guān)中內(nèi)嵌的WEB服務(wù)器。

第二部分，是網(wǎng)關(guān)和PC主機(jī)，網(wǎng)關(guān)既是家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的各個(gè)家電控制器對(duì)外的統(tǒng)一接口，也負(fù)責(zé)統(tǒng)一控制和管理各個(gè)信息家電中家電控制器。一方面接收來(lái)自用戶通過(guò)Internet發(fā)送的控制信息，另一方面采集信息家電的狀態(tài)，提供給用戶參考。

第三部分．是家電控制模塊，它連接家電的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收來(lái)自網(wǎng)關(guān)的控制命令，并對(duì)家電進(jìn)行操作，同時(shí)根據(jù)網(wǎng)關(guān)的命令，采集家電的信息上傳。

3 硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境

嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)的選擇主要是嵌入式處理器的選擇，針對(duì)開(kāi)發(fā)嵌入式網(wǎng)關(guān)的需要，并考慮系統(tǒng)外圍設(shè)備情況，本系統(tǒng)采用了內(nèi)嵌ARM920T內(nèi)核的三星S3C2410處理器，ARM920T是高性能、低功耗特性方面最佳的通用封裝微處理器，它采用5級(jí)流水線，具有指令和數(shù)據(jù)Cache，支持協(xié)處理器、片上調(diào)試和MMU等技術(shù)。此外，還包括一些嵌入式外圍設(shè)備，由存儲(chǔ)設(shè)備（一片E28F640構(gòu)成的8MB容量的16位NOR型Flash存儲(chǔ)器和兩片HY57V281620構(gòu)成的32MB容量的32位SDRAM存儲(chǔ)器）、接口設(shè)備（異步串口、以太網(wǎng)口和USB接口）、顯示設(shè)備（LCD及觸摸屏模塊），這些共同構(gòu)成了硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

4 軟件設(shè)計(jì)

與其他嵌入式操作系統(tǒng)相比，Linux具有開(kāi)放源碼、內(nèi)核小、功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定、可移植性好等優(yōu)點(diǎn)，能充分發(fā)揮ARM920T內(nèi)核具有MMU（存儲(chǔ)單元管理）的強(qiáng)大功能，同時(shí)由于Linux的開(kāi)源優(yōu)勢(shì)．Linux內(nèi)核對(duì)IPv6的支持比較全面，因此本系統(tǒng)選用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。

4．1 Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立

由于嵌入式系統(tǒng)的資源有限，嵌入式Linux的開(kāi)發(fā)通常采用宿主機(jī)加目標(biāo)板的方式，即需要一臺(tái)安裝Linux的PC機(jī)作為系統(tǒng)的編譯和調(diào)試環(huán)境。由于家庭網(wǎng)絡(luò)中的PC主機(jī)通常要使用Windows操作系統(tǒng)，來(lái)滿足日常需要，因此，采用了虛擬化的方法來(lái)解決這個(gè)矛盾。

在PC主機(jī)上安裝虛擬機(jī)軟件VMware（版本5.0.0），VMware運(yùn)行在主機(jī)的操作系統(tǒng)之上，它在Guest OS與Host OS之間加了一層虛擬操作平臺(tái)（VMware Virtual Platform），客戶操作系統(tǒng)透明地運(yùn)行在虛擬操作平臺(tái)之上。然后在虛擬機(jī)上安裝RedHatLinux9.0，作為宿主機(jī)，來(lái)進(jìn)行日標(biāo)板所用到的操作系統(tǒng)的內(nèi)核裁剪、移植、編譯，應(yīng)用程序的編譯、調(diào)試，以及將內(nèi)核和文件系統(tǒng)打包成映像（image）文件，然后就下載到目標(biāo)板上去運(yùn)行，雙方通過(guò)串El或以太網(wǎng)接口建立連接關(guān)系。

4．2 通過(guò)VMware管理

家庭網(wǎng)絡(luò)中的PC機(jī)上具有不同的兩種操作系統(tǒng)，需要通過(guò)VMware Workstation對(duì)其進(jìn)行管理，以解決二者不能相互訪問(wèn)，傳送程序和文件的問(wèn)題，并使Linux和Windows可以同時(shí)在互不影響的情況下，分別接入Internet。

第一步，在Linux中安裝VMware Tools，獲得對(duì)X windows界面和網(wǎng)絡(luò)等的強(qiáng)化支持。

第二步，設(shè)置VMWare為host-only方式．在options中的sharefolders設(shè)置共享目錄。把PC主機(jī)的網(wǎng)卡設(shè)為“允許共享”，并設(shè)定網(wǎng)絡(luò)接口為VMnetl，進(jìn)入Linux，設(shè)定ethO為192.168.0.2，default gatewey為192.168.0.1。即可實(shí)現(xiàn)Linux和Windows分別獨(dú)立接入Intenet。

第三步，為實(shí)現(xiàn)Linux和Windows共享文件，采用smb （Server Message Block）服務(wù)的方式。在Linux中開(kāi)啟samba服務(wù)器，并修改其配置文件/etc/smb.conf，在Windows中添加IPX/SPX和NETBEUI協(xié)議。

由上面的步驟可以看到，在不同的場(chǎng)合下，對(duì)虛擬機(jī)中的Linux配置是不同的。對(duì)于家庭網(wǎng)絡(luò)的用戶來(lái)說(shuō)，這樣的配置難度過(guò)大，因此，本系統(tǒng)利用虛擬化的”clone”技術(shù)，在VMware中對(duì)不同場(chǎng)合下的配置，分別進(jìn)行“clone”．其名稱分別為“shareholders”、“Intenet”和“test”，如圖2所示，這樣，就可以方便地進(jìn)行切換。

圖2 虛擬機(jī)的配置

4．3 內(nèi)核配置、協(xié)議棧優(yōu)化與服務(wù)器設(shè)置

考慮到嵌入式系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定可靠性的要求，選用目前較新版本的Linux 2.6.18內(nèi)核，它對(duì)IPv6協(xié)議棧、無(wú)線網(wǎng)卡以及Cisco的LEAP無(wú)線認(rèn)證協(xié)議提供了更好的支持，而且已經(jīng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，比較穩(wěn)定。

在IPv6網(wǎng)絡(luò)中，由ICMPv6（Intemet Control Messages Protocol）協(xié)議實(shí)現(xiàn)的鄰居發(fā)現(xiàn)和IP地址的自動(dòng)配置是IPv6協(xié)議在嵌入式應(yīng)用中最實(shí)用的部分，其鄰居發(fā)現(xiàn)功能取代了IPv4協(xié)議中使用的ARP（Address Resolution Protocol）、ICMP路由器發(fā)現(xiàn)和重定向報(bào)文的功能，而自動(dòng)配置則實(shí)現(xiàn)了設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的“即插即用”，因此本嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)根據(jù)實(shí)際需要重點(diǎn)對(duì)ICMPv6協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化配置。

mini_httpd是嵌入式Linux下少數(shù)支持IPv6協(xié)議的輕量級(jí)WEB服務(wù)器，它內(nèi)核很小，非常適合板上資源有限、一般為單任務(wù)的家庭網(wǎng)絡(luò)WEB環(huán)境，因此本系統(tǒng)選用了mini_httpd-1.19作為嵌入式WEB服務(wù)器，將其下載到宿主機(jī)后解壓縮、制定交叉編譯器，然后編譯生成二進(jìn)制可執(zhí)行文件。在網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)配置文件/usr/etc/rc.local中增加命令“mini_httpd/jffs2 cgi-bin/”使得在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加‘載到網(wǎng)關(guān)flash存儲(chǔ)設(shè)備的JFFS2（Journalling Flash File System閃存日志型文件系統(tǒng)第二版）文件系統(tǒng)中。

為了配置和測(cè)試IPv6的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議，還需要安裝BusyBox。這是一個(gè)集成了一百多個(gè)常用標(biāo)準(zhǔn)Linux工具的單個(gè)可執(zhí)行實(shí)現(xiàn)，由于使這些工具共享相同的元素，因此體積非常輕巧，而且可以在圖形工具下進(jìn)行配置，被稱為L(zhǎng)inux工具中的瑞士軍刀，其安裝配置與前述嵌入式服務(wù)器的過(guò)程類似，不再贅述。

4．4 編寫(xiě)CGI程序進(jìn)行認(rèn)證和管理

目前Web技術(shù)中生成動(dòng)態(tài)Web頁(yè)面的方法有CGI和服務(wù)器腳本，如JSP，ASP等，但后者需要Web服務(wù)器具有這些腳本的運(yùn)行支持模塊。在嵌入式Web服務(wù)器中，考慮到資源限制問(wèn)題，一般都只提供CGI （Common Gateway Interface）支持，因此在嵌入式設(shè)備中Web方式應(yīng)用實(shí)際上就是基于CGI的程序開(kāi)發(fā)。

CGI提供了客戶機(jī)與服務(wù)器交互的接口，服務(wù)器響應(yīng)客戶端請(qǐng)求后執(zhí)行相應(yīng)的CGI程序，并把執(zhí)行結(jié)果返回給客戶端，從而實(shí)現(xiàn)了基于WEB的動(dòng)態(tài)交互。使用FORM方式作為輸入界面，用戶在FORM中輸入的信息經(jīng)過(guò)URL編碼處理后再送到CGI程序中，這就是CGI的關(guān)鍵所在。程序完成對(duì)輸入處理和結(jié)束工作后，把結(jié)果以信息流的方式傳給服務(wù)器，服務(wù)器負(fù)責(zé)把要反饋的信息流以HTTP的形式封裝起來(lái)，轉(zhuǎn)換到客戶端的瀏覽器上。

CGI程序分為以下幾部分：①用戶在客戶端的瀏覽器上訪問(wèn)網(wǎng)關(guān)，載入用戶界面，并在FORM中輸入ID和口令，采用get方法提交；②服務(wù)器響應(yīng)請(qǐng)求，分析瀏覽器請(qǐng)求的資源，發(fā)現(xiàn)是一個(gè)CGI程序，于是引導(dǎo)到指定位置的CGI程序；③URL編碼的解碼，程序從環(huán)境變量“QUERY_STRING（path&info）中提取信息”；④用printf（）函數(shù)來(lái)產(chǎn)生HTML源代碼，并將經(jīng)過(guò)解碼后的數(shù)據(jù)正確地返回給瀏覽器。

5 IPv6家庭網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)及測(cè)試

在家庭網(wǎng)絡(luò)中的配置主要包括PC主機(jī)和網(wǎng)關(guān)兩部分的配置。

PC主機(jī)安裝家庭用戶常用的Windows XP操作系統(tǒng)，在DOS方式下使用命令“ipv6 install”安裝IPv6協(xié)議棧，然后通過(guò)命令“ipconfig /all”查看，可以發(fā)現(xiàn)在本地連接下面，除IPv4地址外，又增加了一個(gè)IP地址“fe80：：20c：76ff：fe67：5832％5”，表示該網(wǎng)卡在操作系統(tǒng)中的接口索引是5，于是通過(guò)以下命令．為PC主機(jī)和網(wǎng)關(guān)分別指定在本地鏈接IPv6地址，即“ipv6 adu 5/ 3ffe：：1”等，然后在網(wǎng)關(guān)的CGI控制程序中分別為各個(gè)家電控制器依次分配地址。

最后要注意的是目前IE瀏覽器尚不支持IPv6訪問(wèn)，需要通過(guò)Firefox瀏覽器進(jìn)行訪問(wèn)。

圖3家庭網(wǎng)絡(luò)登錄界面

6 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于IPv6的嵌入式WEB平臺(tái)，并從虛擬化管理方面針對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)的情況進(jìn)行了優(yōu)化，具有一定的實(shí)用價(jià)值。該系統(tǒng)還存在一些值得改進(jìn)和進(jìn)一步努力的地方，如屬于網(wǎng)關(guān)的顯示模塊的引入、和控制總線的融合等，這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)IPv6在家庭網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)了基于IPv6和Linux-2.6.8內(nèi)核的家庭網(wǎng)絡(luò)嵌入式WEB平臺(tái)，并從虛擬化管理等方面簡(jiǎn)化了管理和使用。

責(zé)任編輯：gt