基于ARM的嵌入式Web服務器設(shè)計

1、 題目：基于ARM的嵌入式Web服務器設(shè)計與實現(xiàn) 學 號： 1308010139姓 名： 吳明川班 級： 1308010139專 業(yè)： 計算機科學與技術(shù)課程老師： 孔軍二零一六年五月 摘 要隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)通信和Internet 技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷進步，嵌入式系統(tǒng)在家庭和工業(yè)應用越來越廣泛。如何將嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)接入Internet，綜合利用嵌入式系統(tǒng)資源，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的遠程管理和控制，已成為倍受關(guān)注的研究課題，而實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化則成為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。網(wǎng)絡(luò)通信時，應用程序使用C/S（客戶/服務器）模式進行信息交互。傳統(tǒng)的服務器程序一般運行在大型的擁有高級操作系統(tǒng)的服務器

2、的計算機上，這樣服務器軟件需要強大的硬件和系統(tǒng)軟件支持。嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務器是利用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)服務器的軟件和硬件功能，是嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)服務器相比，嵌入式Web服務器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性強以及方便靈活等特點。這些讓它具有很大的發(fā)展?jié)摿?。另一方面，嵌入式Web服務器與傳統(tǒng)的web服務器相比，也受到一些限制。傳統(tǒng)的Web服務器主要用于處理較大的客戶量的同時并發(fā)訪問，硬件方面有強大的處理器和內(nèi)存支持，軟件方面有商業(yè)數(shù)據(jù)庫支持，而嵌入式Web服務器的處理能力和存儲容量都有限，這就要求嵌入式Web服務器在設(shè)計過程中需要盡量合理利用資源。將嵌入式技術(shù)與Web 技術(shù)相結(jié)合，已成

3、為目前嵌入式系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向和必然趨勢。利用源代碼開放的uClinux 為操作系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了以ARM微處理器為核心的嵌入式Web 服務器，在分析了嵌入式Web 服務器的體系結(jié)構(gòu)后，給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成和軟件設(shè)計。對Web 服務器的測試結(jié)果表明，該服務器運行穩(wěn)定、控制方便，將在智能家居、遠程數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。 關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)通信；嵌入式系統(tǒng)；ARM處理器；uClinux；Boa服務器；引言 隨著Internet 技術(shù)的飛速發(fā)展，導致許多領(lǐng)域的傳統(tǒng)控制方式發(fā)生變革。這些領(lǐng)域的控制系統(tǒng)可以通過Web 服務器接入Internet，這樣用戶在世界任何一個地方都可以通過

4、Internet 獲取Web 服務器提供的信息，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制和管理。但以具有高運算處理能力和海量存儲容量的工作站或PC機為硬件平臺，以非實時操作系統(tǒng)為軟件平臺，運行著大型復雜程序的傳統(tǒng)Web 服務器，并非在任何環(huán)境下都適用，尤其是對實時性要求比較高的領(lǐng)域，如工業(yè)控制、遠程數(shù)據(jù)采集等?；谇度胧较到y(tǒng)的Web服務器的出現(xiàn)，為以上問題的解決開辟了一條新途徑。1 發(fā)展背景 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已成為計算機領(lǐng)域的一個重要組成部分。廣義講，凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)。所謂嵌入式設(shè)備，是指具有計算機功能，但又不稱為計算機的設(shè)備或器材，幾乎包括了我們周期的所有電

5、路設(shè)備：PDA、手機機頂盒、汽車、微波爐、電梯、安全系統(tǒng)、自動售貨機、醫(yī)療儀器、自動取款機等。嵌入式系統(tǒng)可以通過各種無線形式（如WAP、BlueTooth等）和有線形式（TCP/IP、PPP等）的網(wǎng)絡(luò)連接方式實現(xiàn)它們之間的相互連接，因此，在網(wǎng)絡(luò)通信市場上極具生命力。現(xiàn)在人們對Internet應用的依賴程序日漸增加，也促進了嵌入式技術(shù)的增長。信息家電的發(fā)展也為嵌入式Internet技術(shù)提供空間，如面向Internet的信息冰箱。這種信息家電的特點就是價格低廉、軟件功能強大、全面支持Internet訪問、軟件可通過網(wǎng)絡(luò)升級、有效保護用戶投資。 嵌入式Internet技術(shù)主要包括傳感器技術(shù)、通信技術(shù)

6、、計算機技術(shù)和集成電路技術(shù)等。以前的設(shè)備控制系統(tǒng)一般是通過專用通信線中進行的，其通信介質(zhì)、通信協(xié)議、相關(guān)軟件和硬件都是專用的，而Internet技術(shù)的發(fā)展使嵌入式設(shè)備的遠程控制和管理方式有了改變。不需要專用的通信線路，并且傳輸?shù)男畔⒉痪志钟跀?shù)據(jù)信號，還有聲音和圖像。最重要的是其通信協(xié)議是標準且公開的。隨著Web技術(shù)的發(fā)展，幾乎改變了現(xiàn)在的信息表達形式，很多應用都是基于Web技術(shù)的。由于HTML語言的標準統(tǒng)一性，只要在嵌入式設(shè)備中有一個微型服務器，就可以使用任意一種Web瀏覽器接收和發(fā)送信息。所以如何設(shè)計這種特別Web服務器，如何在嵌入式設(shè)備中安裝Web服務器，就成了嵌入式Web服務器的發(fā)展和研

7、究方向。 對于嵌入式Web服務器的研究和應用，其意義是重大的。它為我們管理、控制和監(jiān)測各種各樣設(shè)備提供了一個很好的途徑。這種設(shè)備可以是具有有限內(nèi)存資源的8位或16位系統(tǒng)，已足夠提供一個用戶界面，而且這種方式是基于Internet的。這種設(shè)備可以在世界任何一個地方，只要它連入Internet就能夠控制它。1.1 課題的研究意義Internet的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的Client/server體系結(jié)構(gòu)(客戶機/服務器)，漸漸的在某些方面顯示出它的局限性，Browser/server結(jié)構(gòu)(瀏覽器/服務器)的出現(xiàn)恰恰彌補了這種缺陷。B/S方式已成為一種時尚，大部分網(wǎng)絡(luò)應用系統(tǒng)都是以這種B/S方式與網(wǎng)絡(luò)用戶交

8、換信息。B/S的基礎(chǔ)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。顯然，Web服務器在B/S方式下起著決定性的作用，因此，一般互聯(lián)網(wǎng)站都采用功能強大的通用Web服務器。隨著網(wǎng)絡(luò)各個核心部分業(yè)務量的提高，其訪問量和數(shù)據(jù)流量快速增長，處理能力和計算強度也相應增大，使得單一設(shè)備根本無法承擔，而且許多企業(yè)級應用系統(tǒng)的應用請求具有突發(fā)性和緊急性的特點，當應用訪問急劇上升時，容易造成網(wǎng)絡(luò)瓶頸。解決這一問題的辦法是采用多臺嵌入式Web服務器為一個應用服務，集群負載均衡機制就是為解決多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間實現(xiàn)合理的業(yè)務量分配而提出的。 1.2 論文研究內(nèi)容嵌入式Web服務器是指將Web服務器引

9、入到現(xiàn)場測試和控制設(shè)備中，在相應的硬件平臺和軟件系統(tǒng)的支持下，使傳統(tǒng)的測試和控制設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆淞艘訲CP/IP為底層通信協(xié)議，Web技術(shù)為核心的基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測試和控制設(shè)備。EWS系統(tǒng)與傳統(tǒng)的Web應用相比，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將信息采集和信息發(fā)布都集成到現(xiàn)場的測控設(shè)備中。而有了標準的接口形式和通信協(xié)議，內(nèi)嵌于設(shè)備的從Web服務器同樣可以向任何接入它所在網(wǎng)絡(luò)的合法用戶提供統(tǒng)一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面，瀏覽器成了設(shè)備的前端控制板。由于Web技術(shù)的開放性和獨立平臺特性，大大降低了軟件系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的設(shè)計、維護工作量，節(jié)省了人員培訓費用等，提高了現(xiàn)場測試和控制設(shè)備的管理水平。本文設(shè)計的基于AR

10、M的嵌入式Web服務器，響應速度快，實時性強，用戶通過瀏覽器中的表單向服務器發(fā)送控制信息，操作方便、快捷，經(jīng)過適當修改，能夠很好地適應智能家居等遠程監(jiān)控的需要。2 嵌入式Web服務器的軟件構(gòu)成嵌入式 Web 服務器主要解決的問題是通過 Internet 來進行遠程訪問和控制現(xiàn)場的設(shè)備，所以必須在嵌入式設(shè)備中配置 TCP/IP 協(xié)議和 Web 服務器 ， 以解決網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問題。但是嵌入式服務器系統(tǒng)只需要使用其中的某些基本 的功能，也要減去一些使用不到有功能 ，以節(jié)省有限的嵌入式資源。TCP/IP 此外還要用到的軟件資源有嵌入式實時操作系統(tǒng) 、HTTP 協(xié)議 ,同時帶有 SMTP 和 SNMP 協(xié)議

11、 ，使其具有網(wǎng)絡(luò)管理的簡單功能 ，通過網(wǎng)絡(luò)可以對接 入到 Internet 上的設(shè)備進行管理和控制。 2.1 CGI技術(shù)2.1.1 CGI概述由于傳統(tǒng)的Web 服務器無法實現(xiàn)Web 數(shù)據(jù)庫訪問功能，CGI 技術(shù)充當了訪問數(shù)據(jù)庫的重要媒介。CGI 是使用應用相關(guān)軟件增強Web 服務器的一種標準方法， 可以用任何語言書寫。CGI 根據(jù)需求更新網(wǎng)頁， 是一種公共網(wǎng)關(guān)接口。它通過客戶提供給Web 服務器的各種信息， 由Web 服務器啟動指定CGI 模塊函數(shù)， 完成客戶端與服務器端動態(tài)的交互， 從而實現(xiàn)靜態(tài)HTML 網(wǎng)頁無法實現(xiàn)的功能( 如表單查詢、數(shù)據(jù)庫查詢等)。通常CGI 應用程序處于休眠狀態(tài)， 通

12、過使用一定的網(wǎng)絡(luò)事件觸發(fā)回調(diào)函數(shù)來實現(xiàn)， 并顯示動態(tài)頁面。例如，Web 服務器收到一個URL 里面包含的網(wǎng)頁請求時， 將執(zhí)行結(jié)果返回給HTML 網(wǎng)頁，CGI 可實現(xiàn)處理表格、數(shù)據(jù)庫查詢和電子郵件等操作。2.1.2CGI工作原理系統(tǒng)嵌入式Web服務器通過CGI程序來獲取用戶的請求、查詢條件，使用HTML方式描述結(jié)果并直接回送到客戶端的瀏覽器上，此過程中瀏覽器將用戶輸入的數(shù)據(jù)發(fā)送到Web服務器，Web服務器將數(shù)據(jù)使用STDIN（標準輸入）送到CGI程序。在執(zhí)行CGI程序后，會訪問數(shù)據(jù)庫的記錄，最后使用STDOUT輸出HTML形式的結(jié)果文件，經(jīng)Web服務器送回瀏覽器顯示給用戶。使用CGI實現(xiàn)客戶與服

13、務器的交互分一下九個標準步驟：Web客戶（瀏覽器）通過URL與Web服務器相連；服務發(fā)送HTML(和別的組成請求頁面的文件)給用戶，一旦頁面內(nèi)容傳完，這個連接自動斷開；在客戶方，HTML腳本提示用戶做動作或輸入，當用戶響應后客戶請求Web服務器建立一個新的連接；一旦建立連接，客戶把用戶輸入的數(shù)據(jù)傳送給Web服務器；Web服務器把這些信息和別的進程變量傳給由HTML以URL形式提交的CGI程序；CGI程序根據(jù)輸入作出相應的操作，產(chǎn)生對客戶的響應（一般以一個HTML文檔的形式），并將其傳送給Web服務器；Web服務器把應答數(shù)據(jù)傳送給客戶，并關(guān)閉連接；圖2.4 CGI工作原理其中CGI與表單之間的信

14、息交互方法有兩種模式：“GET”和“POST”。選擇哪一種模式取決于表單（FORM）的“METHOD”字段的設(shè)置，如果METHOD設(shè)定為GET，CGI程序從環(huán)境變量QUER_STRING中獲取數(shù)據(jù)。為了解釋數(shù)據(jù)和執(zhí)行需要的動作，CGI程序必須要分析（處理）此字符串；如果METHOD設(shè)定為POST，數(shù)據(jù)會以STDIN，必須使用CONTENT_LENGTH值。在本設(shè)計中CGI程序采用的是POST方法。如果想從服務器獲得數(shù)據(jù)并且不改變服務器上的數(shù)據(jù)時，應該選用GET方法；也有例外，當傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很長時，選用POST方法較好；使用GET方式編寫CGI程序會更加簡單，但是POST方式則更加先進；當發(fā)送的數(shù)

15、據(jù)將改變Web服務器端的數(shù)據(jù)時，或者想給CGI程序傳輸大量數(shù)據(jù)（一般地，超過1024字節(jié)，這是URL的極限長度）時，應該選用POST方法。 3 嵌入式Web 服務器簡述 嵌入式Web 服務器(Embedded Web Server)是指將Web 服務器嵌入到控制設(shè)備和現(xiàn)場測試中，借助于相關(guān)的軟硬件平臺系統(tǒng)，將傳統(tǒng)嵌入式設(shè)備轉(zhuǎn)變成了以TCP/IP 為底層通信協(xié)議和Web 技術(shù)為核心的網(wǎng)絡(luò)測試及遠程控制設(shè)備。嵌入式Web 服務器基于HTTP 協(xié)議運作，具有標準的接口形式和通信協(xié)議，所以它可以向接入其所在網(wǎng)絡(luò)的用戶提供統(tǒng)一的基于瀏覽器的控制界面和相關(guān)操作。這種技術(shù)因具有平臺獨立特性和開放性，在某種程

16、度上降低了開發(fā)難度，使通信系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計維護工作更容易，提升了控制設(shè)備和現(xiàn)場測試的管理水平。如圖1所示是典型的嵌入式Web服務器的系統(tǒng)模型：圖1 典型的嵌入式Web服務器系統(tǒng)模型Internet可以提供多種網(wǎng)絡(luò)服務，比如通過SMTP（簡單郵件傳輸協(xié)議）收發(fā)郵件，通過FTP（文件傳輸協(xié)議）傳輸文件。Internet能得到如此大規(guī)模的流行，WWW（World Wide Web）技術(shù)居功至偉。可以說如果沒有WWW和HTTP技術(shù)就不會有這么多人使用Internet，正是WWW技術(shù)把Internet的結(jié)構(gòu)、服務和應用引上了一個新臺階。3.1 嵌入式Web 服務器的主要應用目前嵌入式Web 服務器主

17、要用于設(shè)備管理和企業(yè)應用程序網(wǎng)絡(luò)擴展，它作為后臺程序在運行嵌入式設(shè)備上，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備進行配置、監(jiān)測和控制，以保證設(shè)備正常而高效地運作。Web 接口可以讓用戶借助于Web 瀏覽器和網(wǎng)絡(luò)來訪問嵌入式設(shè)備。以這種方式對設(shè)備進行管理不僅可以監(jiān)測和控制，而且可以根據(jù)設(shè)備的特點設(shè)計地更加人性化和智能化。Web 服務已成為支撐現(xiàn)代應用程序的技術(shù)和系統(tǒng)的核心組件，目前大部分企業(yè)用戶都希望為他們的程序添加上基于Web 的用戶接口。3.2 嵌入式Web 服務器的優(yōu)點嵌入Web 服務器的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）它可以與Internet 連接，不再使用專用的線路，這樣就具有了最大的普及范圍；2）傳輸

18、內(nèi)容不局限于數(shù)據(jù)信息，還有圖像和聲音等多媒體信息；3）通信協(xié)議(HTTP)獨立于系統(tǒng)平臺，而且是標準而且公開的；4）Web 頁面使用的HTML 語言是統(tǒng)一的網(wǎng)頁語言， 這使標準化界面與客戶端的軟硬件平臺相互獨立， 節(jié)省了客戶端的開發(fā)工作；5）Web 架構(gòu)能夠減少了在設(shè)計系統(tǒng)時的工作量；6）存在大量的工具和函數(shù)庫，減少了開發(fā)的工作量；7）嵌入式Web 服務器具有通用性，能夠嵌入到任何設(shè)備當中。通過應用程序接口，服務器可以運行程序去實現(xiàn)高級功能，普通的監(jiān)控方式達不到這樣的效果。3.3 嵌入式Web 服務器實現(xiàn)原理Web 服務器監(jiān)聽來自客戶端請求，并根據(jù)請求類型提供相對應的服務。它將Web 服務器引

19、入到現(xiàn)場嵌入式設(shè)備中，并將信息采集與發(fā)布都集成到現(xiàn)場的嵌入式設(shè)備中。在相應的軟硬件平臺支持下，利用標準的通信協(xié)議和接口形式，內(nèi)嵌于嵌入式設(shè)備的Web 服務器就具備了向接入它所在網(wǎng)絡(luò)的合法用戶提供統(tǒng)一的基于瀏覽器方式的控制界面和操作，此時瀏覽器成了設(shè)備的前端控制板。當前在嵌入式應用領(lǐng)域，主要通過兩種方式將嵌入式系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍度胧絎ebServer：1）通過網(wǎng)關(guān)服務器實現(xiàn)Internet 接入；2）直接通過TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn)嵌入式設(shè)備的Internet 接入。4 嵌入式Web 服務器硬件整體結(jié)構(gòu) 嵌入式Web 服務器的硬件系統(tǒng)包含了具有Web 通信能力的微處理器，它可以通過現(xiàn)場總線與應用系統(tǒng)相連

20、，也可以與前端的應用系統(tǒng)直接集成在一起。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)中的FLASH ROM 存儲器是用來存儲軟件系統(tǒng)的內(nèi)核、HTML 文檔、TCP/IP 協(xié)議；RAM 存儲器用于存儲各種數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)接口用于與Internet 連接；前端現(xiàn)場測控的硬件完成對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)測、監(jiān)測、報警、自動控制等功能；微型處理器負責全體的管理與運行；人機接口是可選條件，實現(xiàn)在本地對現(xiàn)場設(shè)備的人工監(jiān)控。數(shù)據(jù)存儲器RAM存儲器FLASH ROM 網(wǎng)絡(luò)接口部件 微型處理器 應用系統(tǒng)硬件 圖2 (a) 嵌入式系統(tǒng)web 服務器硬件結(jié)構(gòu) Internet虛擬文件系統(tǒng)文檔（網(wǎng)頁頁面小程序）HTP引擎配置模塊安全模塊應用程序接口嵌

21、入式操作系統(tǒng) 應用系統(tǒng)管理嵌入式應用系統(tǒng) 圖2（b） 嵌入式系統(tǒng)Web 服務器軟件系統(tǒng)4.1 嵌入式Web 服務器軟件構(gòu)成 嵌入式Web 服務器主要解決的問題是通過Internet 來進行遠程訪問和控制現(xiàn)場的設(shè)備，所以必須在嵌入式設(shè)備中配置TCP/IP 協(xié)議和Web 服務器，以解決網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問題。但是嵌入式服務器系統(tǒng)只需要使用其中的某些基本的功能，TCP/IP 也要減去一些使用不到有功能，以節(jié)省有限的嵌入式資源。此外還要用到的軟件資源有嵌入式實時操作系統(tǒng)、HTTP 協(xié)議， 同時帶有SMT P 和SNMP 協(xié)議，使其具有網(wǎng)絡(luò)管理的簡單功能，通過網(wǎng)絡(luò)可以對接入到Internet 上的設(shè)備進行管理和控

22、制。4.2 精簡TCP/IP 協(xié)議及實現(xiàn) 嵌入式Web 服務器軟件中必須實現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議，但要根據(jù)實際的需求作相應的裁減。精簡的TCP/IP 協(xié)議通常只包含TCP，IP，ARP，ICMP 等協(xié)議。4.2.1 ARP 協(xié)議及其實現(xiàn) 嵌入式Web 服務器軟件方面需實現(xiàn)ARP 協(xié)議中的應答部分: 嵌入式Web 服務器在收到遠程ARP 請求后， 將ARP 請求報文中目標機和本地IP、物理地址進行了交換處理，并將EWS 的物理地址寫在ARP 應答報文的本地物理地址段。實際上此ARP 協(xié)議的實現(xiàn)是通過向網(wǎng)絡(luò)接口層發(fā)送含有目標機物理地址和本機IP 地址的ARP 應答報文這一過程來完成。4.2.2 IC

23、MP 協(xié)議及其實現(xiàn) ICMP（網(wǎng)際控制報文協(xié)議）主要用來將處理一個IP 數(shù)據(jù)過程中的錯誤顯示出來，并提供相關(guān)狀態(tài)和管理信息。ICMP 的差錯信息由8 位代碼和8 位類型組成。嵌入式Web 服務器簡化了ICMP 協(xié)議，只需簡化實現(xiàn)與Ping 命令相關(guān)的ICMP 報文處理部分。具體可通過編制PingACK()過程來完成，用PingACK()監(jiān)測Ping 命令，如果監(jiān)測到對本機的Ping 連接，則發(fā)送類型為0 的ICMP 報文。4.2.3 IP 協(xié)議及其實現(xiàn) IP 協(xié)議提供無連接的、不可靠的數(shù)據(jù)分組傳送服務，在嵌入式Web 服務器中，IP 協(xié)議只需要完成接收數(shù)據(jù)的IP 解包和發(fā)送數(shù)據(jù)的IP 封裝。I

24、P 協(xié)議在嵌入式Web 服務器中的實現(xiàn)可通過以下兩個過程來完成：1）IPPack（），此過程將傳輸層傳來數(shù)據(jù)的前部添加20 字節(jié)的IP 報頭。2）IPUnpack( )，此過程提取網(wǎng)絡(luò)接口層送來的IP 報頭的20 字節(jié)數(shù)據(jù)并與本機的IP 地址進行比較，如果相同，記錄對方的IP 地址，并去除報數(shù)據(jù)的前20 字節(jié)的報頭；否則，丟棄。4.2.4 TCP 協(xié)議及實現(xiàn) TCP 協(xié)議提供面向連接的、可靠的字節(jié)流傳輸服務。建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和關(guān)閉連接的工作過程，保證了TCP 協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在?shù)據(jù)傳輸前，必須在信源與信宿建立一條連接，只有連接成功才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，接收端也要對收到的第一個報文進行確

25、認，未經(jīng)確認的報文被認為是出錯。由于嵌入式Web 服務器傳輸數(shù)據(jù)量較少，支持單進程的TCP 任務即可，故只需要簡化TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)重組和分組的功能。方法為:嵌入式Web 服務器在本地打開一個端口監(jiān)聽TCP 報文數(shù)據(jù)，監(jiān)測到遠程用戶對系統(tǒng)的TCP請求連接時，系統(tǒng)發(fā)送確認報文并建立TCP 連接，然后開始傳送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時，TCP 狀態(tài)機會在數(shù)據(jù)前面加上TCP 報頭后發(fā)送到IP 層； 接收數(shù)據(jù)時， 從IP 層來的數(shù)據(jù)經(jīng)過TCP 狀態(tài)機去掉TCP 報頭后送到應用層。TCP 協(xié)議軟件可通過兩個過程來實現(xiàn)：1）TCPPack( )，將TCP 報頭添加到應用層送來的數(shù)據(jù)前部；2）TCPUnpack( )，

26、將網(wǎng)絡(luò)接口層送來的TCP 報數(shù)據(jù)的34 字節(jié)數(shù)據(jù)（目的端口號）與系統(tǒng)默認端口作對比，如相同，則去除數(shù)據(jù)報的前20 字節(jié)的報頭；否則，丟棄。TCP 數(shù)據(jù)報重發(fā)、確認是通過發(fā)送特定內(nèi)容的報文來控制。4.3 HTTP 協(xié)議 HTTP 引擎是嵌入式Web 服務器的核心，它是瀏覽器與Web 服務器通信的協(xié)議。HTTP 規(guī)定了瀏覽器和服務器之間傳輸?shù)南⒏袷郊案鞣N控制信息和發(fā)送和處理請求的標準方式，從而定義了所有Web 通信的基本框架。如圖所示，在嵌入式Web 服務器中，為了不影響嵌入式系統(tǒng)的CPU 和內(nèi)存資源而又得到一個穩(wěn)定的用戶界面，應該使用HTTP1.0 標準。 HTTP客戶端 HTML文檔 HTT

27、P服務器端 CGI4.4 CGI 接口 CGI 也就是通用網(wǎng)關(guān)接口，它定義了CGI 腳本與Web 服務器之間的接口標準，其主要功能是在Web 環(huán)境下，將客戶端的一些信息傳送給服務器端，Web 服務器接收有關(guān)信息并放入環(huán)境變量，然后啟動所指定的CGI 腳本以完成特定的工作。CGI 腳本從環(huán)境變量中獲取相關(guān)信息來運行，最后以HTML 格式輸出相應的執(zhí)行結(jié)果返回給瀏覽器端。由于用戶能傳遞不同的參數(shù)給CGI 腳本，所以CGI 技術(shù)使得瀏覽器和服務器之間具有交互性。5 系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1 嵌入式操作系統(tǒng) uClinux 是一種專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的Linux，它從Linux 2.0/2.4 內(nèi)核派生而來，

28、專門應用于沒有MMU的CPU9。uClinux 帶有一個完整的TCP/IP 協(xié)議，同時它還支持許多其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。因此，uClinux對于嵌入式系統(tǒng)來說，是一個網(wǎng)絡(luò)完備的操作系統(tǒng)。另外，由于Linux 的源代碼開放性，任何新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都可以很容易加入到內(nèi)核中，用戶可以方便地開發(fā)定制，不受任何限制。正是基于以上原因，本系統(tǒng)采用了uClinux作為嵌入式Web服務器的操作系統(tǒng)。5.2 Boa的移植 在uClinux 下構(gòu)建Boa服務器的方法由以下步驟完成： （1）從 上下載Boa的源代碼，將其解壓后生成Makefile 文件。修改Makefile 文件，將文件中的CC=gcc

29、改為CC=arm-linux-gcc，CPP=gcc-E 改為CPP=arm-linux-gcc-E。然后運行make 進行編譯，得到可執(zhí)行文件boa，再將調(diào)試信息舍去，使其瘦身。 （2）修改boa.conf文件。Boa啟動時需要用到一個配置文件boa.conf，該文件用于配置Boa服務器的相應接口、服務器名稱、相關(guān)文件路徑等。在這里，將Usernobody 改為User 0，將Group nogroup 改為Group 0，將DocumentRoot/var/www 改為DocumentRoot/etc/boa/html，將ScriptAlias/cgi-bin/usr/lib/cgi-bi

30、n/修改為ScriptAlias/cgi-bin/etc/boa/cgi-bin/。 （3）由于默認的根文件系統(tǒng)是只讀的，所以在編譯內(nèi)核前，需要根據(jù)配置文件boa.conf 在文件系統(tǒng)中建立相關(guān)目錄。 （4）將可執(zhí)行文件boa、配置文件boa.conf、可執(zhí)行的CGI程序和網(wǎng)頁文件分別放入對應的目錄中，并在/etc/boa/html中建立主頁文件index.html。 （5）重新編譯內(nèi)核，將編譯好的內(nèi)核下載到開發(fā)板。5.3 軟件實現(xiàn) 為了實現(xiàn)客戶瀏覽器同Web 服務器之間的動態(tài)交互性，需要采用某種服務器端技術(shù)來動態(tài)生成Web頁。目前，實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁的四種技術(shù)分別是CGI、ASP、PHP 和JSP

31、，但uClinux 不支持ASP 和PHP，故采用CGI來實現(xiàn)動態(tài)Web頁面。 CGI是一種在Web 服務器中運行的程序，它定義了Web 服務器與其他可執(zhí)行程序之間進行交互的接口標準。當Web 服務器接收到客戶瀏覽器發(fā)送的HTTP請求時，先判斷它是靜態(tài)頁面請求還是CGI 動態(tài)請求，如果是后者就將數(shù)據(jù)傳遞給CGI 程序，并重定向CGI程序的輸出到Web 頁，CGI程序在處理時將數(shù)據(jù)封裝成HTML形式發(fā)送到輸出，這樣客戶端瀏覽器就可以看到對應的Web 頁。軟件的設(shè)計框架如圖3所示。開始 監(jiān)聽連接連接是否合法 N Y 接受并解析HTTP請求 靜態(tài)頁面請求/CGI動態(tài)請求靜態(tài)頁面請求 CGI動態(tài)請求

32、直接輸出HTML靜態(tài)文件數(shù)據(jù)封裝并發(fā)送由CGI程序產(chǎn)生網(wǎng)頁內(nèi)容 圖3 軟件設(shè)計框圖 其中的監(jiān)聽連接部分是一個無限循環(huán)，它總在監(jiān)聽來自瀏覽器端的連接請求，如果發(fā)現(xiàn)連接合法，就建立起客戶端瀏覽器和Web 服務器的連接。可以利用uClinux提供的Socket套接字在80端口進行監(jiān)聽連接，其過程為：socket（）bind（）listen（）accept（）。 在Web 環(huán)境中，瀏覽器與服務器之間的數(shù)據(jù)交互，很多是通過HTTP中的Form表單完成的，F(xiàn)orm提供了兩種數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞紾ET 和POST 方法。雖然HTTP支持的方法有多種，考慮到硬件資源的限制和系統(tǒng)響應的速度，這里只響應GET和POST

33、兩種請求。在嵌入式服務器端，CGI程序接收到來自客戶端瀏覽器的請求，將請求分解后，查看其請求的方法是GET還是POST。當為GET請求時，從請求行中讀取用戶請求的文件名；當為POST 請求時，讀取請求行中的文件名和報文主體中用戶提交的表單數(shù)據(jù)，并對表單數(shù)據(jù)進行處理。 當用戶在網(wǎng)頁中輸入數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)會先傳給Web服務器，再傳給CGI 程序，而Web 服務器將數(shù)據(jù)傳給CGI 程序前，會先經(jīng)過一個編碼程序，這樣CGI 程序如果想要得到用戶輸入的原始數(shù)據(jù)，就需要對數(shù)據(jù)進行解碼。Web 服務器中對用戶數(shù)據(jù)進行編碼的原則是：每個輸入字段的名稱和用戶輸入的數(shù)據(jù)會形成一系列的鍵-值對，鍵和值由“=”分開；每個

34、配好對的鍵-值之間，由“&”分開；對字段中的特殊符號，用十六進制的ASCII 碼的方式來編碼，空格則以“+”來編碼。因此，CGI 程序要想對數(shù)據(jù)解碼，就需要將每個配好對的鍵=值分離出來，去除配對數(shù)據(jù)間的“&”，把“+”置換成空格，將十六進制的ASCII 碼置換成原來的數(shù)據(jù)。最后，就可以得到用戶輸入的原始數(shù)據(jù)。 雖然動態(tài)網(wǎng)頁的處理由CGI完全可以實現(xiàn)，但由于Web 服務器每運行一個CGI程序，就需要fork 一個進程為其服務，這樣服務器與瀏覽器的交互越多，對服務器的總體性能影響就越大。因此，對于數(shù)據(jù)的后期處理和顯示方式等任務，可以采用基于客戶端瀏覽器的動態(tài)HTML技術(shù)來完成，這里由腳本語言Jav

35、aScript來實現(xiàn)，以減輕Web服務器的負擔。6 實驗測試在Web 服務器端生成網(wǎng)頁index.html，放置在目錄etc/boa/html 下。編寫的CGI程序，放置在目錄etc/boa/cgi-bin 下。將目標板的IP 地址設(shè)置為25 后，啟動Boa 服務器。在任意一個Web 瀏覽器上輸入http：/25，可以看到服務器的默認網(wǎng)頁。當用戶選擇相關(guān)信息并提交后，CGI將其接收，并根據(jù)提交內(nèi)容對家居設(shè)備進行相應控制，圖3（a）就是用戶對空調(diào)進行設(shè)置的測試頁面。同時，用戶也可以對家居設(shè)備的目前狀態(tài)進行查詢，查詢結(jié)果如圖4（b）所示?！?圖4（a）Web服務器的空調(diào)控制測試頁面 圖4（b）Web服務器的家居狀態(tài)查詢頁面7 結(jié)束語 本文從整體上介紹了嵌入式Web 服務器的體系結(jié)構(gòu)、程序的組件視圖、嵌入式Web 服務器的組成模塊以及怎樣精簡TCP/IP協(xié)議以減少不必要的資源開支和適應嵌入式系統(tǒng)對資源的要求。支持Web 瀏覽功能的嵌入式設(shè)備不但可以簡化設(shè)備的設(shè)計，而且減輕了用戶的應用難度，可以通過瀏覽器方便地設(shè)置嵌入式設(shè)備的參數(shù)。通過嵌入式Web 技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)控、管理和維護，將降