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摘要：将IEEE 802.11b技术应用于工控网络，必须对无线网关进行有效监控。文章介绍了无线网关接入工业以太网的原理和的功能，对SNMP（SimpleNetworkManagementProtocol）管理模型及协议体系结构进行了分析，详细阐述了SNMP在嵌入式无线网关系统上的实现过程，并给出了测试结果。
关键词：嵌入式Linux；SNMP；无线网关；管理模型
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)23-927-03
The Realization of SNMP on Embedded Wireless Gateway
ZHU Bin, TAN Yong
(Physics and Electronic Information Department of Yangtze Normal University, Chongqing 408100, China)
Abstract: IEEE 802.11b technology is being used in industrial control networks, the need for effective monitoring and control of wireless gateways is necessary. This paper introduces the function of the wireless gateway and the principle that the wireless gateway access to industrial ethernet, it analysisess the management model and the architecture of protocol system of SNMP, and also gives a particular description of the realization process of SNMP on embedded wireless gateway. At last, it presents the experiment results.
Key words: embedded linux; SNMP; wireless Gateway; management model
1 引言
将IEEE 802.11b技术应用于工控网络，工控网络就在现场总线体系结构的基础上兼有了无线通信的优点。与此同时，工控网络规模的扩大，使其结构日趋复杂，如何对工控网络进行有效监控，及时发现存在的故障和不安全因素，尽可能提高设备的利用率和运行效率，逐渐成为工控网络管理者面临的问题。
2 嵌入式无线网关
2.1 嵌入式无线网关接入工控网络的模型
基于802.11b的工业现场设备接入工业以太网的协议模型如图1所示，无线网关接入采用主从接入方式，所有基于802.11b的工业现场设备与 802.11b 无线网关连接，由802.11b无线网关负责无线通信管理和与有线网络的连接。
协议模型中，RF物理层是802.11b协议模型的第1层，具有载波监听，传送和接收等功能。802.11b MAC，802.1d和802.2LLC(Logic Link Control)是802.11b协议模型第2层（数据链路层）。MAC 层具有无线介质访问，网络连接以及提供数据验证和保密等功能。逻辑链路控制LLC 层定义了所有 802LAN 类型的差错控制，包括 802.11b 的差错控制。LLC具有传统数据链路控制协议：高级数据链路控制(HDLC：High_ Level Data Link Control)的相似功能，提供寻址和数据链路控制服务。
2.2 通信原理
基于802.11b的无线终端工业现场设备→工业控制网络通信时，基于802.11b的无线网关按照802.11b协议接收无线终端现场设备的数据包并按IEEE802.3协议进行封装后，转发到工控网络；工控网络→无线终端工业现场设备通信时，基于802.11b的无线网关将工控网络传来的数据包按802.11b协议进行封装后，发送到无线终端现场设备；无线终端现场设备→无线终端现场设备通信时，若通信双方相互同时处于对方的无线覆盖区域，则可直接进行通信；若通信双方处于不同无线基本服务区域BSS(Basic Service Set)，可以先通过某一无线网关进入工控网络（无线→有线），再由别的无线网关发送给相应的无线终端现场设备（有线→无线）。
3 SNMP体系结构
从上面的分析可以看出，对无线网关进行有效监控非常必要，这是无线工控网络健康、高效运作的保证，而简单网络管理协议 SNMP （Simple Network Management Protocol）为实现这一目标提供了可能。
SNMP 管理模型包括四个部分：管理器（Manager）、管理代理（Agent）、管理信息库（MIB：Management Information Base）、SNMP协议。管理器和被管代理之间的信息交换以类客户/服务器的方式进行。管理器从管理代理处取得网络结点的状态数据，接收代理发来的Trap，将网络的状态及时反映给管理员，管理器在C/S结构中处于Client的地位。管理代理Agent在被管理的网络设备中运行，在网络管理中代表被管对象工作。代理收集所代表对象的状态数据，在C/S结构中处于Server的地位，它对到来的数据请求做出响应，维护和报告被管理设备的有关信息。SNMP 管理信息库 MIB（Management Information Base）是一个面向对象的数据库，由 MIB 对象的信息单元组成。MIB 对象记录管理设备的管理信息，每个对象用来代表一个网络资源，代理通过 MIB 来表示所代表对象的各个方面的参数。SNMP 协议是一个应用层协议，在一个 SNMP 管理器和一个或多个分布式代理（Agent）之间进行双向的数据交换。管理器通过SNMP协议，请求管理代理检索和改变网络设备的 MIB 信息，管理代理用 SNMP 协议向管理器主动报告网络设备的状态变化。
SNMP 协议体系结构由管理信息结构（SMI）、管理信息库（MIB）和 SNMP 本身三部分组成。其中，SMI 和 MIB 两个协议是关于管理信息的标准。SMI 是表示被管对象的描述工具，是 ISO 的抽象句法表示 ASN.1 的一个子集，其中详细定义了 MIB 库的组成结构。SNMP 组织体系结构如图2所示。
4SNMP在嵌入式Linux上的实现
4.1 开发平台构建
为便于调试，选择直接在目标板上进行的开发模式，连线如图3所示。在宿主机上运行 minicom 作为目标板的显示终端，mount 宿主机硬盘，直接在目标板上调试应用。目标板上处理器为 MPC852T，操作系统是嵌入式 Linux ，编译器则选择 powerpc-linux-gcc。
4.2SNMP 代理的实现
MIB 是委托代理的关键，定义了可通过网络管理协议进行访问的管理对象的集合，是被管理对象的虚拟数据库。MIB 可描述为一棵树，各数据项构成树的叶结点。每个 MIB 对象都有一个惟一的对象标识符（OID）来标识和命名，这个标识符取决于 MIB 对象在树中的位置，对象的实例也有标识符，由对象类的对象标识符加上实例标识符构成的。
对默认的 SNMP 配置，代理已经包含了基本的 MIB 库，但基本设备和厂家的私有MIB 需要加入，所以需要对 MIB 进行扩展。扩展 SNMP 代理程序有多种方法：静态加载、动态加载共享链接库和 AgentX 子代理协议扩展 [4]，这里采用静态加载方式。
编写需加入的 MIB 库文件。根据 ASN.1 标准语法创建MIB，MIB 库文件的编写是根据 SNMP 协议中 SMI 部分描述，SMI 所采用的是ASN.1 的一个子集。ASN.1 是一种可用来定义数据结构的语言，他的基本组成单元是模块；结构定义以命名模块的形式进行，然后模块的名称就可以被用来引用该结构，模块的基本形式为：
DEFINITIONS : : =BEGIN
EXPORTS
IMPORTS
AssignmentList
END
EXPORTS结构表示该模块中的一个定义可由其他模块引入。IMPORTS接口表示有其他模块中的哪一些类型和取值定义要被引入到该模块中。AssignmentList 是赋值列表，是由类型赋值、取值赋值和宏定义组成。
编写MIB模块程序。MIB 模块程序是为代理进程所在的网络设备中的 MIB 变量设计的，用于判定所请求的对象是否在代理进程的 MIB 中、验证对象的访问方式、确定对象的位置以及读取和设置对象的值。他包含一个头文件（如devicecont rol. h）和源文件（如devicecont rol.c），并置于.../net SNMP/agent/mibgroup 中，编写方法可参考源包中 example 模块程序。
实现模块程序静态链接。在源包的一些文件（mib module includes.h、mib module inits.h等）中添加模块程序文件或者通过在 MakeFile.in 文件中的 MIBS 里面添加 DEVICE CONTROL MIB. txt 重新生成 MakeFile 文件。
这样，编译生成的SNMP扩展代理程序中就包含了编写的模块程序。在usr/src/uClinux dist目录下执行make user only命令可得到SNMP代理应用程序SNMPd 。
配置文件 snmpd.conf 和 snmp.conf 在 /usr/local/snmp/ 目录下。前一个是 net-sump 代理的配置文件，包括扩展子代理、动态装载模块、访问控制、系统信息、PASS-THROUGH 控制等。snmp.conf 是 net-snmp 应用程序的配置文件，大多是应用程序(命令)的缺省配置，如sump版本、community、端口等。重新定制 ramdisk ，运行./easy_build 得到新的 linux.bin，烧写 linux.bin 即可。
5系统测试
在宿主机上建立一个 /snmplib 目录，拷贝 libnetsnmpagent.so.5、libnetsnmphelpers.so.5、libnetsnmpmibs.so.5、ibnetsnmp.so.5 到该目录下。完成配置和 mount 的工作后，板子可启动 snmpd，在 shell 下面打上 /usr/local/snmp/sbin/snmpd 即可，或直接加在 /etc/rc.d/rc.local 中，可实现自动开机启动了。开发板上电运行，在根目录下键入相应的命令，即可得到如下结果：
# snmpwalk -v 1 localhost PUBLIC .1.3.6.1.4.1.2021.10.1.5.1
enterprises.ucdavis.laTable.laEnter.laLoadInt.1= 89
# snmpwalk -v 1 localhost PUBLIC .1.3.6.1.4.1.2021.10.1.5.2
enterprises.ucdavis.laTable.laEnter.laLoadInt.2 = 60
#snmpwalk -v 1 localhost PUBLIC .1.3.6.1.4.1.2021.10.1.5.3
enterprises.ucdavis:laTable.laEnter.laLoadInt.3 = 43
#snmpwalk -v 1 localhost PUBLIC .1.3.6.1.4.1.2021.9.1.9.1
enterprises.ucdavis.dSkTable.dskEnter.dskPercent.1 = 45
#snmpwalk -v 1 localhost PUBLIC .1.3.6.1.4.1.2021.9.1.9.2
enterprises.ucdavis.dskTable.dskEnter.dskPercent.2 = 60
#snmpwalk -v 1 localhost PUBLIC .1.3.6.1.4.1.2021.9.1.9.3
enterprises.ucdavis.dSkTable.dSkEnter.dskPercent.3 =23
#snmpdelta localhost public -Cp 10s
IF-MIB::ifInOctets.16777219
IF-MIB::ifOutOctets.16777219
6 结束语
目前，基于TCP/IP协议的工业以太网在组网时仍需要布线，但在工业现场，布线在某些场合下会受到限制，电缆的连接也限制了现场设备的移动和网络结构的重组。将IEEE 802.11b技术应用于工控网络，工控网络就在现场总线体系结构的基础上兼有了无线通信的优点，随着网络管理功能的逐步完善，基于802.11b的无线工业现场设备将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。
参考文献：
[1] 崔金玲,闫娟.基于SNMP 的校园网网络性能管理系统的实现[J].河南师范大学学报,2007,35(2):59-61.
[2] Wilmshurst. A design model for embedded systems[C].Newyork:Engineering Education: Innovations in Teaching, Learning and Assessment (Ref. No. 2001/046), IEE International Symposium, 2001:71-77.
[3] RFC 1157, Simple Network Management Protocol (SNMP) [S].
[4] Bourgonjon H, "Embedded systems in consumer products" in Lecture Notes in Computer Science, Lectures on Embedded Systems. Heidelberg: Springer-Verlag,1996,1494:395-403.
[5] 宋国荣,何钦铭.基于SNMP 可扩展代理的网络仿真[J].微电子与计算机,2005,22(6):184-187.
关键词：嵌入式Linux；SNMP；无线网关；管理模型
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)23-927-03
The Realization of SNMP on Embedded Wireless Gateway
ZHU Bin, TAN Yong
(Physics and Electronic Information Department of Yangtze Normal University, Chongqing 408100, China)
Abstract: IEEE 802.11b technology is being used in industrial control networks, the need for effective monitoring and control of wireless gateways is necessary. This paper introduces the function of the wireless gateway and the principle that the wireless gateway access to industrial ethernet, it analysisess the management model and the architecture of protocol system of SNMP, and also gives a particular description of the realization process of SNMP on embedded wireless gateway. At last, it presents the experiment results.
Key words: embedded linux; SNMP; wireless Gateway; management model
1 引言
将IEEE 802.11b技术应用于工控网络，工控网络就在现场总线体系结构的基础上兼有了无线通信的优点。与此同时，工控网络规模的扩大，使其结构日趋复杂，如何对工控网络进行有效监控，及时发现存在的故障和不安全因素，尽可能提高设备的利用率和运行效率，逐渐成为工控网络管理者面临的问题。
2 嵌入式无线网关
2.1 嵌入式无线网关接入工控网络的模型
基于802.11b的工业现场设备接入工业以太网的协议模型如图1所示，无线网关接入采用主从接入方式，所有基于802.11b的工业现场设备与 802.11b 无线网关连接，由802.11b无线网关负责无线通信管理和与有线网络的连接。
协议模型中，RF物理层是802.11b协议模型的第1层，具有载波监听，传送和接收等功能。802.11b MAC，802.1d和802.2LLC(Logic Link Control)是802.11b协议模型第2层（数据链路层）。MAC 层具有无线介质访问，网络连接以及提供数据验证和保密等功能。逻辑链路控制LLC 层定义了所有 802LAN 类型的差错控制，包括 802.11b 的差错控制。LLC具有传统数据链路控制协议：高级数据链路控制(HDLC：High_ Level Data Link Control)的相似功能，提供寻址和数据链路控制服务。
2.2 通信原理
基于802.11b的无线终端工业现场设备→工业控制网络通信时，基于802.11b的无线网关按照802.11b协议接收无线终端现场设备的数据包并按IEEE802.3协议进行封装后，转发到工控网络；工控网络→无线终端工业现场设备通信时，基于802.11b的无线网关将工控网络传来的数据包按802.11b协议进行封装后，发送到无线终端现场设备；无线终端现场设备→无线终端现场设备通信时，若通信双方相互同时处于对方的无线覆盖区域，则可直接进行通信；若通信双方处于不同无线基本服务区域BSS(Basic Service Set)，可以先通过某一无线网关进入工控网络（无线→有线），再由别的无线网关发送给相应的无线终端现场设备（有线→无线）。
3 SNMP体系结构
从上面的分析可以看出，对无线网关进行有效监控非常必要，这是无线工控网络健康、高效运作的保证，而简单网络管理协议 SNMP （Simple Network Management Protocol）为实现这一目标提供了可能。
SNMP 管理模型包括四个部分：管理器（Manager）、管理代理（Agent）、管理信息库（MIB：Management Information Base）、SNMP协议。管理器和被管代理之间的信息交换以类客户/服务器的方式进行。管理器从管理代理处取得网络结点的状态数据，接收代理发来的Trap，将网络的状态及时反映给管理员，管理器在C/S结构中处于Client的地位。管理代理Agent在被管理的网络设备中运行，在网络管理中代表被管对象工作。代理收集所代表对象的状态数据，在C/S结构中处于Server的地位，它对到来的数据请求做出响应，维护和报告被管理设备的有关信息。SNMP 管理信息库 MIB（Management Information Base）是一个面向对象的数据库，由 MIB 对象的信息单元组成。MIB 对象记录管理设备的管理信息，每个对象用来代表一个网络资源，代理通过 MIB 来表示所代表对象的各个方面的参数。SNMP 协议是一个应用层协议，在一个 SNMP 管理器和一个或多个分布式代理（Agent）之间进行双向的数据交换。管理器通过SNMP协议，请求管理代理检索和改变网络设备的 MIB 信息，管理代理用 SNMP 协议向管理器主动报告网络设备的状态变化。
SNMP 协议体系结构由管理信息结构（SMI）、管理信息库（MIB）和 SNMP 本身三部分组成。其中，SMI 和 MIB 两个协议是关于管理信息的标准。SMI 是表示被管对象的描述工具，是 ISO 的抽象句法表示 ASN.1 的一个子集，其中详细定义了 MIB 库的组成结构。SNMP 组织体系结构如图2所示。
4SNMP在嵌入式Linux上的实现
4.1 开发平台构建
为便于调试，选择直接在目标板上进行的开发模式，连线如图3所示。在宿主机上运行 minicom 作为目标板的显示终端，mount 宿主机硬盘，直接在目标板上调试应用。目标板上处理器为 MPC852T，操作系统是嵌入式 Linux ，编译器则选择 powerpc-linux-gcc。
4.2SNMP 代理的实现
MIB 是委托代理的关键，定义了可通过网络管理协议进行访问的管理对象的集合，是被管理对象的虚拟数据库。MIB 可描述为一棵树，各数据项构成树的叶结点。每个 MIB 对象都有一个惟一的对象标识符（OID）来标识和命名，这个标识符取决于 MIB 对象在树中的位置，对象的实例也有标识符，由对象类的对象标识符加上实例标识符构成的。
对默认的 SNMP 配置，代理已经包含了基本的 MIB 库，但基本设备和厂家的私有MIB 需要加入，所以需要对 MIB 进行扩展。扩展 SNMP 代理程序有多种方法：静态加载、动态加载共享链接库和 AgentX 子代理协议扩展 [4]，这里采用静态加载方式。
编写需加入的 MIB 库文件。根据 ASN.1 标准语法创建MIB，MIB 库文件的编写是根据 SNMP 协议中 SMI 部分描述，SMI 所采用的是ASN.1 的一个子集。ASN.1 是一种可用来定义数据结构的语言，他的基本组成单元是模块；结构定义以命名模块的形式进行，然后模块的名称就可以被用来引用该结构，模块的基本形式为：
DEFINITIONS : : =BEGIN
EXPORTS
IMPORTS
AssignmentList
END
EXPORTS结构表示该模块中的一个定义可由其他模块引入。IMPORTS接口表示有其他模块中的哪一些类型和取值定义要被引入到该模块中。AssignmentList 是赋值列表，是由类型赋值、取值赋值和宏定义组成。
编写MIB模块程序。MIB 模块程序是为代理进程所在的网络设备中的 MIB 变量设计的，用于判定所请求的对象是否在代理进程的 MIB 中、验证对象的访问方式、确定对象的位置以及读取和设置对象的值。他包含一个头文件（如devicecont rol. h）和源文件（如devicecont rol.c），并置于.../net SNMP/agent/mibgroup 中，编写方法可参考源包中 example 模块程序。
实现模块程序静态链接。在源包的一些文件（mib module includes.h、mib module inits.h等）中添加模块程序文件或者通过在 MakeFile.in 文件中的 MIBS 里面添加 DEVICE CONTROL MIB. txt 重新生成 MakeFile 文件。
这样，编译生成的SNMP扩展代理程序中就包含了编写的模块程序。在usr/src/uClinux dist目录下执行make user only命令可得到SNMP代理应用程序SNMPd 。
配置文件 snmpd.conf 和 snmp.conf 在 /usr/local/snmp/ 目录下。前一个是 net-sump 代理的配置文件，包括扩展子代理、动态装载模块、访问控制、系统信息、PASS-THROUGH 控制等。snmp.conf 是 net-snmp 应用程序的配置文件，大多是应用程序(命令)的缺省配置，如sump版本、community、端口等。重新定制 ramdisk ，运行./easy_build 得到新的 linux.bin，烧写 linux.bin 即可。
5系统测试
在宿主机上建立一个 /snmplib 目录，拷贝 libnetsnmpagent.so.5、libnetsnmphelpers.so.5、libnetsnmpmibs.so.5、ibnetsnmp.so.5 到该目录下。完成配置和 mount 的工作后，板子可启动 snmpd，在 shell 下面打上 /usr/local/snmp/sbin/snmpd 即可，或直接加在 /etc/rc.d/rc.local 中，可实现自动开机启动了。开发板上电运行，在根目录下键入相应的命令，即可得到如下结果：
# snmpwalk -v 1 localhost PUBLIC .1.3.6.1.4.1.2021.10.1.5.1
enterprises.ucdavis.laTable.laEnter.laLoadInt.1= 89
# snmpwalk -v 1 localhost PUBLIC .1.3.6.1.4.1.2021.10.1.5.2
enterprises.ucdavis.laTable.laEnter.laLoadInt.2 = 60
#snmpwalk -v 1 localhost PUBLIC .1.3.6.1.4.1.2021.10.1.5.3
enterprises.ucdavis:laTable.laEnter.laLoadInt.3 = 43
#snmpwalk -v 1 localhost PUBLIC .1.3.6.1.4.1.2021.9.1.9.1
enterprises.ucdavis.dSkTable.dskEnter.dskPercent.1 = 45
#snmpwalk -v 1 localhost PUBLIC .1.3.6.1.4.1.2021.9.1.9.2
enterprises.ucdavis.dskTable.dskEnter.dskPercent.2 = 60
#snmpwalk -v 1 localhost PUBLIC .1.3.6.1.4.1.2021.9.1.9.3
enterprises.ucdavis.dSkTable.dSkEnter.dskPercent.3 =23
#snmpdelta localhost public -Cp 10s
IF-MIB::ifInOctets.16777219
IF-MIB::ifOutOctets.16777219
6 结束语
目前，基于TCP/IP协议的工业以太网在组网时仍需要布线，但在工业现场，布线在某些场合下会受到限制，电缆的连接也限制了现场设备的移动和网络结构的重组。将IEEE 802.11b技术应用于工控网络，工控网络就在现场总线体系结构的基础上兼有了无线通信的优点，随着网络管理功能的逐步完善，基于802.11b的无线工业现场设备将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。
参考文献：
[1] 崔金玲,闫娟.基于SNMP 的校园网网络性能管理系统的实现[J].河南师范大学学报,2007,35(2):59-61.
[2] Wilmshurst. A design model for embedded systems[C].Newyork:Engineering Education: Innovations in Teaching, Learning and Assessment (Ref. No. 2001/046), IEE International Symposium, 2001:71-77.
[3] RFC 1157, Simple Network Management Protocol (SNMP) [S].
[4] Bourgonjon H, "Embedded systems in consumer products" in Lecture Notes in Computer Science, Lectures on Embedded Systems. Heidelberg: Springer-Verlag,1996,1494:395-403.
[5] 宋国荣,何钦铭.基于SNMP 可扩展代理的网络仿真[J].微电子与计算机,2005,22(6):184-187.