基于Ｌｉｎｕｘ平臺嵌入Ｗｅｂ服務器的設計與實現

[提 要] 隨著嵌入式系統的發展和Internet的普及，嵌入式系統接入網絡已經成為嵌入式系統應用的一個重要方向和必然結果，嵌入式Web服務器是嵌入式系統網絡化應用的重要方面#65377;本文簡要介紹了Web服務器的基本原理，闡述了嵌入式Web服務器的實現方法與技術，論述了實現嵌入式Web服務器的關鍵技術———HTTP協議和通用網關接口CGI，對TCP/ IP協議族進行了一定的選擇和精簡#65377;

[關鍵詞] Linux;嵌入式;Web服務器; HTTP協議; TCP/ IP協議棧

[作者簡介]祝繼華(1983—)，男，江西先鋒軟件職業技術學院網絡工程系教師;熊 炎(1982—)，男，江西先鋒軟件職業技術學院網絡工程系教師#65377;(江西南昌 330041)

隨著計算機的日益普及，互聯網的迅猛發展，信息共享程度的不斷提高， Browser/Server方式已成為一種趨勢和時尚，大部分網絡應用系統都是以這種方式與網絡用戶交換信息#65377;B/S的基礎是客戶端要有一個瀏覽器程序，服務器端要有一個與之對應的Web服務器#65377;顯然，Web服務器在B/S方式下起著決定性的作用，一般互聯網站都采用功能強大的通用Web服務器，如Apache等#65377;但是，對于一般的管理信息系統或中小型應用系統，所需的Web服務功能比較簡單，若仍采用大型的通用Web服務器，將是一種資源的浪費，并且，在某些專用嵌入式系統內，由于內存容量有限，對實時性要求高，通用的Web服務器同樣不能適應#65377;此時，使用功能相對簡單#65380;體積更小#65380;消耗資源更少#65380;可便攜的簡單嵌入式Web服務器將更具優勢#65377;

一#65380;嵌入式Web服務器的設計思想

嵌入式Web服務器不同于一般Web服務器#65377;首先，在嵌入式系統中，由于存儲器容量和處理器能力等外部條件的制約，嵌入式Web服務器不能對系統資源占用量很大的程序(如Java應用程序)提供支持，也不需處理外部很大流量的訪問，但要能夠為遠程訪問#65380;管理和監控設備提供服務支持，并且嵌入式的Web服務器要做到盡可能的小#65377;其次，為達到遠程管理和監控設備的目的，必須使客戶機能同本地系統進行交互，這種交互可使用很多種方法來實現，如SSI#65380;Java#65380;Serverlet等，但最適合嵌入式系統的方法是通用網關接口CGI#65377;再次，嵌入式系統對安全性能有較高的要求，對動態應用內容的安全和驗證是它必須要解決的問題#65377;最后，嵌入式設備一般都沒有硬盤，為實現基于文件的HTTP協議帶來很多困難，嵌入式的Web服務器必須用輔助的軟件來實現文件的映射問題#65377;基于以上種種考慮，嵌入式Web服務器必須能在嵌入式系統的制約條件下，滿足管理和監控嵌入式系統的需要#65377;因此，它應該實現HTTP1.1協議的標準功能，實現HTTP認證協議中的相關內容，并實現對通用網關接口CGI的支持#65377;

二#65380;嵌入式Web服務器技術

1.嵌入式Web服務器體系結構#65377;嵌入式Web服務器為基于3層B/S結構的瘦Web服務器#65377;其中，Web服務器和客戶端之間的通信協議采用HTTP 1.1，嵌入式實時多任務操作系統提供TCP/IP協議支持，編程接口為Berkerly Sockets4.3，Web服務器與數據庫服務器間的交互接口為CGI(Common Gateway Interface)#65377;

2.嵌入式Web服務器實現原理#65377;從功能上講，Web服務器監聽客戶端的服務請求，并根據客戶請求的類型提供相應服務#65377;嵌入式Web服務器是指將Web服務器引入到現場嵌入式設備中并駐留其中有限的代碼空間內#65377;與傳統的Web應用相比簡化了系統結構，在相應的軟硬件平臺支持下，利用標準的接口形式和通信協議，內嵌于嵌入式設備的Web服務器可以向任何接入它所在網絡的合法用戶提供統一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面#65377;用戶端使用Web瀏覽器與Web服務器進行通信#65377;客戶端與服務器交換數據之前，首先用TCP/IP建立連接，客戶端向服務器請求數據，服務器在接收到用戶端的請求后，處理用戶請求并返回需要的數據#65377;這些數據可來自靜態主頁和文件，也可以根據請求動態產生#65377;它是一種請求/響應協議，使用可靠的TCP連接，通常采用端口80#65377;客戶端和服務器間是以HTTP協議進行請求和響應#65377;服務器和客戶端只能為一次事務處理建立并維持連接，完成一次事務處理后便結束連接#65377;由此可見，接收客戶端請求#65380;解析客戶端請求#65380;響應客戶端請求#65380;向客戶端回送請求的結果是Web服務器所需完成的主要任務#65377;

3.嵌入式Web服務器的主要設計技術與實現#65377;嵌入式Web服務器的主要設計技術與實現與傳統的Web服務器不同，嵌入式Web服務器是運行在資源有限的嵌入式系統上的，同時嵌入式領域一般僅要求提供必要的信息交互手段，因此，在設計中應盡可能使代碼精簡高效#65377;采用的主要技術為:

(1)超文本傳輸協議HTTP#65377;可持續連接HTTP協議是一個面向事務的#65380;無狀態的應用層協議，使用TCP作為傳輸層協議，知名的HTTP服務器端口是TCP的80端口#65377;HTTP1.0不支持持續連接，由客戶進程發起建立一條同服務器進程的TCP連接，然后發出請求并讀取服務器進程的響應，服務器進程關閉連接表示本次響應結束#65377;這樣，對每一次請求和響應，都要通過TCP的3次握手建立連接，造成對網絡資源的浪費#65377;HTTP1.1對HTTP1.0最大的改進就是支持了持續連接，只用建立一次TCP連接而重復地使用它傳送一系列的請求/響應消息，減少了額外開銷#65377;

(2)通用網關接口CGICGI#65377;通用網關接口CGICGI是在Web服務器上運行外部程序的接口，它允許將其輸出結果經HTTP服務器傳送給Web瀏覽器#65377;如果沒有CGI，Web服務器就只能提供靜態的文檔和到其它頁面或服務器的鏈接，有了CGI，程序就可以在后臺進行各種動態的操作#65377;CGI的主要功能是在Web環境下，從客戶端傳送一些信息給Web服務器，Web服務器把接收到的有關信息放入環境變量，然后再去啟動所指定的CGI腳本以完成特定的工作#65377;CGI腳本從環境變量中獲取相關信息來運行，最后使用STDOUT輸出HTML形式的結果文件，經Web服務器送回瀏覽器顯示給用戶#65377;

(3)多進程服務器結構#65377;采用多進程服務器結構從服務器響應用戶請求的方式來看，有循環方式#65380;多線程方式#65380;多進程方式等多種模式#65377;一般來說，在Windows操作系統下比較適用多線程方式#65377;考慮到Linux操作系統的特點和Web服務器的特點，采用多進程方式來設計嵌入式Web服務器#65377;對于每一個客戶連接，服務器首先創建一個子進程，然后將連接套接字轉向子進程的標準輸入#65380;標準輸出#65377;在子進程中服務器完成相應的HTTP服務，服務結束后終止了進程#65377;

(4)TCP/IP協議棧#65377;TCP/IP協議棧的實現主程序的循環包括:對接收到的TCP/IP數據幀進行解包，供應用程序使用;對欲發送的數據進行打包，將TCP/IP數據幀的格式發送出去兩大部分#65377;結合嵌入式系統的實際，本TCP/IP協議棧主要是實現ARP協議#65380;IP協議#65380;ICMP協議#65380;TCP協議#65377;

(5)實現虛擬下載#65377;從Web服務器下載文件是客戶端的重要需求，Web服務器響應下載請求最簡單的辦法就是直接將用戶請求的數據文件從服務器磁盤上讀出然后傳給客戶端#65377;但有時需要調用一個CGI程序，由CGI程序讀取數據，然后經過CGI程序加工后傳給客戶機#65377;這就帶來一個問題，即URL的文件名是所調用的CGI程序名而不是實際的數據文件名，這為用戶在客戶端存盤選擇文件名帶來極大不便#65377;嵌入式Web服務器采用URL內部轉向的方法，為用戶提供虛擬下載文件名，較好地解決了這一問題#65377;

三#65380;結束語

嵌入式Web服務器是實現嵌入式系統通過Web方式與Internet互聯的關鍵組成部分，直接影響網絡應用系統的運行質量與效率，對其進行研究對嵌入式Internet技術的發展有重要意義#65377;實踐證明，在各種基于客戶機/服務器模式的In-ternet應用中使用這種嵌入式Web服務器，可節省系統資源，提高運行效率，其功耗低#65380;體積小#65380;性能高#65380;成本低廉#65380;可便攜#65380;易于布置實施等特點，在應用環境靈活多變#65380;任務響應實時性強#65380;系統可靠性高等復雜應用領域中必將得到廣泛應用，具有良好的發展前景#65377;

[參考文獻]

[1]曲波，吳兆芝.Linux環境下面向Web服務器的設計與實現[J].小型微型計算機系統，2002.

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[3] Jeremy Bentham.嵌入式系統Web服務器——TCP/IP Lean，陳向群等譯[M] .北京:機械工業出版社，2003.

[責任編輯:李麗娜]