（信息与通信工程专业论文）基于嵌入式linux的web+server.pdf

鬻薮争 技夭学磺究生兢学链论文 摘要 嵌入式w e bs e r v e r 是嵌入式系统应用的一个关键组成部分，也是嵌入式i n t e m e t 时代 的一个建要砚究对象。本文介绥了在嵌入式l i n u x 平台上w e bs e r v e r 的实现；对w e bs e r v e r 迸行了性能仿真分析，给出每秒处理请求数，用户数、释吐量胴j 户数两个性能分析结论图； 通过分析结论，找出性能下降的主要因素：t c p 连接过多，影响到系统的处理能力；在理 论上掇崮w e b s e r v e r 傲镌优能途径，邋过线程取代迸獠、使用缓存、服务器聚类( c l u s t e r i n g ) 来优化服务器性能。为完善嵌入式w 曲s e r v e r 的功能，论文提出一种w e bs e r v e r 与数据库 的连接方案，通遥t c p a p 协议，完成了嵌入式w e b 服务器与蕊台数掇庠m y s q l 的逡接。 在最厝，论文还给出嵌入式w e bs e r v e r 的两种应用设计：实验跟踪、家庭自动化，这两种 设计褒接应溺予穗泉豹实际系统。 【关键蠲】焱入式l i n u x 嵌入式w e bs e r v e r m y s q l 嵌入式i n t e r a c t 里堕型垫- 大兰! ! 窒生堕堂垡丝苎 a b s t r a c t e m b e d d e dw e bs e r v e ri sak e yp a r to fe m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o n ，a n di sa l li m p o r t a n t r e s e a r c ho b j e c ti ne m b e d d e di n t e m e t a g e t h i sp a p e r i n t r o d u c e dt h er e a l i z a t i o no fw e bs e r v e ro n e m b e d d e dl i n u x s y s t e m ；a n a l y z e d i t se m u l a t e p e r f o r m a n c e ，g a v e t w or e s u l tc h a r t s ： r e q u e s t s s e c o n d ，t h r o u g h p u t ( b y t e s s e c o n d ) ；g o t t h em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e di t s p e r f o r n l a n c et h r o u g ha n a l y z i n gt h er e s u l t ：t o om u c ht c pc o n n e c t i o n si n f l u e n c e dt r a n s a c t i n g a b i l i t yo fs y s t e m ；p u tf o r w a r dt h ew a y so fo p t i m i z i n gp e r f o r m a n c eo nt h e o r y ：t h r e a d si n s t e a do f p r o c e s s ，u s i n gc a s h ，s e r v e rc l u s t e r i n g i no r d e rt op e r f e c tt h ef u n c t i o no fe m b e d d e dw e bs e r v e r , t h ep a p e rb r o u g h tf o r w a r dac o n n e c t i o np r o j e c to fe m b e d d e dw e b s e r v e ra n dm y s q ld a t a b a s e t h r o u g ht c p i pp r o t o c 0 1 a tl a s t ，t h i sp a p e rg a v et w oa p p l i c a t i o nd e s i g n s ：e x p e r i m e n tt r a c k i n g ， h o m e a u t o m a t i z i n g t h i st w od e s i g n s c a nb eu s e di nt h ef a c ts y s t e mi nt h ef u t u r e 【k e yw o r d s e m b e d d e dl i n u x ，e m b e d d e dw e b s e r v e r ，m y s q l ，e m b e d d e di n t e r a c t i i 独创性声明 y 缸0 9 7 7 本人声臻掰虽交褥学像论文蹩我本人农导舞撩导下逡褥戆磅舞王俸及取簧 的研究成皋尽我所知，除了支中特别加以标注和致谢的地方步卜，论文中不瓴合 其他人已缀发表和撰写过的研究成采，也不包含为获得国防料学技术大学或其它 教育机祷的学位或证书丽使用过的材料与我一同工作的鞠志对率错究所做的任 侮贾藏臻范在论文串终了唆磺戆 蔓臻劳表零谢意 学位论文题目：基i 避盎k l 娶坠煎里盐盟! ! ! 学位论文作者签名：垄。囊日期：。护j 年if 月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本人究全了解蘅防科学技术大学有关保留、使阕学位论文的规愆本人授权 篷黪辩学技寒大学胃激豫藜劳巍霪家考关部藤或瓶髓送交论文装鬟带彳牛秘戆子 文档，允许论文被套阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印戏扫描等复制手段保存、汇编学位论文 f 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题摩：基至熬厶耋釜i 墼坚憋塞馥望! i ! 学位论文作者签名 作者指导教师签名 兹奠 日期：j ，o j 年1 1 月j 日 日期：o 2 年h 月够日 第一章绪论 目前，l i n u x 是最为流行的免费操作系统。它的产生，完全是无数计算机爱好者共同 努力的结果。自诞生之日起，它就伴随着i n t e r a c t 一同成长。从1 9 9 2 年问世至今，l i n u x 已发展成为一个功能强大设计完善的操作系统。据i d c 统计，2 0 0 0 年l i n u x 在服务器操作 系统市场中占的份额达到2 5 ，比u n i x 高出1 0 。l i n u x 不仅在服务器领域取得了成功， 在嵌入式领域也获得了飞速发展。目前，正在开发的嵌入式系统中，4 9 的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统。 将w e bs e r v e r 移植到以嵌入式l i n u x 为操作平台的嵌入式设备中，形成嵌入式服务器， 再加上嵌入式网关和嵌入式因特网路由器便形成了嵌入式i n t e r n e t 。它的广泛应用将这个世 界变得更加自动化、智能化和个性化。 1 1 嵌入式l i n u x 概述 嵌入式操作系统按实时性可以分为两类：一类是面向控制、通信等领域的强实时操作 系统，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、i s i 的p s o s 、q n x 系统软件公司的q n x 、a t i 的 n u c l e u s 等，其中在国内市场中v x w o r k s 和p s o s 有较大影响；另一类是面向消费电子产品 的弱实时操作系统，这类产品包括个人数字助理( p d a ) 、移动电话、机顶盒、电子书、 w e b p h o n e 等，比较著名的有w i n d o w s c e 、p a l mo s 。 1 1 1 嵌入式l i n u x 简介 l 、主流嵌入式操作系统的介绍 微软的w i n c e 是一个较具代表性的、由桌面操作系统演变而成的实时嵌入式操作系 统。虽然提供了较为强大的类似于桌面操作系统的功能，但针对嵌入式操作系统的特征与 特性而言，w i n c e 显得笨拙且在内核结构的设计中并未考虑适应系统的高度可裁减性的要 求。 以w x w o r k s 为代表的传统嵌入式操作系统是应用最广泛、市场占有率较具优势的几 个系统，它们是专门为嵌入式微处理器设计的高模块化、高性能的实时操作系统，广泛应 用于高科技产品中，包括消费电子设备、工业自动化、无线通信产品、医疗仪器、数字电 视与多媒体设备，具有很好的安全性、容错性以及系统灵活性。虽然它们提供专有的a p i 接v i ，但是缺乏应用的高效性，网络连接功能较差，系统对应用程序开发支持相对较弱。 对现在复杂的、网络化的、多处理器的嵌入式系统的许多应用需要而言，它已显得力不从 心。 第1 页 曼眨型垫盔塑壅兰旦璺燕兰苎一 目前备种嵌入斌l i n u x 操作系缡芷迅遗发展，鑫经形成了能与w i n d o w s c e 等嵌入式 撵作系统避行有力兜挚的爨霞。嵌入式l i n u x 操作系统的迅漆崛起，主要出予l i n u x 自身存 在的优良特秣；- 歼放源码，丰富的软件资源；功能强大翡内核，经能商效、稳定、多任务； 支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 、s p a r c 镣多种体系结构；完善的网络淑信、图形和文 襻篱理辊涮；支持大显的髑边疆 孛设备，蕊动丰富；大小功戆都可定裁。囊静较为蔽熬戆 嵌入式l i n u x 产品不断涌现，如r t - l i n u x 、e m b e d i x 、u c l i n u x 等。 2 ，l i n u x 熬嵌入讫 嵌入式l i n u x ( e m b e d 。dl i n u x ) 是指对l i n u x 经过小型化裁剪后，能够网化在容髓只有 晁十万字= 爨焚尼+ 亿字节豹存绩器芯片或攀片橇中，痿曩予特定嵌入式臻会豹专臻l i n u x 操作系统。 一令，j 、塑魏墩入式l i n u x 系统嚣要弓l 警王县、l i n u x 擞波棱 s o c k = s o c k e t ( a f _ i n e t , d g r a m ? s o c k _ d g r a m ：s o c k _ s t r e a m ，0 ) ； 将本地地址与套接字绑定在一起： b i n d ( s p - s o c k ，( s t r u c ts o c k a d d r + ) & s o c k a d d r , s i z c o f ( s o c k a d d r ) ) ； 建立侦听套接字： l i s t e n ( s p - s o c k ，s o m a x c o n n ) ； 通过这些步骤，完成了侦听套接字的建立，为侦听客户端的请求做准备。 2 、对每一个客户端的请求进行操作 建立好了侦听套接字后，w e bs e r v e r 就处于等待状态，准备接收用户的请求。这时， 第1 2 页 皂堕型垫盔兰翌苎生堕兰堡兰苎一 w e bs e r v e r 调用s o c k e t r e a d y 函数来判断套接字上是否存在正待处理的事件，调用 s o c k e t s e l e c t 函数来判断套接字上是否有可读、写的东西。若用户一直没有请求，s o c k e t r e a d y 和s o c k e t s e l e c t 就不停的循环工作。其中，s o c k e t s e l e e t 函数调用了l i n u x 系统自带的s e l e c t 函数： n e v e n t s = s e l e c t ( s o c k e t h i g h e s t f d + 1 ，( f ds e t + ) r e a d f d s ，( f d _ s e t + ) w r i t e f d s ，( f 虻s e t + ) e x c e p t f d s ，“) ； s e l e c t ( ) 的机制中提供f d _ s e t 的数据结构，实际上是一l o n g 类型的数组，每一个数组 元素都能与一打开的文件句柄( 不管是s o c k e t 句柄，还是其他文件或命名管道或设备句柄) 建立联系，建立联系的工作由程序员完成，当调用s e l e c t 0 时，由内核根据i o 状态修改f d s e t 的内容，由此来通知执行了s e l e c t 0 的进程哪一s o c k e t 或文件可读。 当一个客户端的请求来到时，w e bs e r v e r 会调用w e b s a c c e p t 函数来接收请求，建立 客户端与服务器之间的连接。通过w e b s s o c k e t e v e n t 函数来处理s o c k e t 句柄： i f ( m a s k & s o c k e tr e a d a b l e ) f w e b s r e a d e v e m ( w p ) ； ) i f ( m a s k s o c k e tw r i t a b l e ) f i f ( w e b s v a l i d ( w p ) & & w p 一 w r i t e s o c k e t ) f p w p - w r i t e s o c k e t ) ( w p ) ； ) 如果该s o c k e t 可读，则调用w e b s r e a d e v e n t 函数来处理；若s o c k e t 为可写，这表明要 传数据给用户，则将w p 转换成写套接字。 w e b s r e a d e v e n t 函数是用来处理r e a d 事件，并调用w e b s o e t l n p u t 函数读取用户端的数 据，如下： i f ( s p - f l a g s & s o c k e t _ d a t a g r a m ) f l e n = s i z e o f ( s e r v e r ) ； b y t e s r e a d = r e c v f r o m ( s p - s o c k ，b u r , t o r e a d ，0 ， ( s t r u c ts o c k a d d r + ) & s e r v e r , & l e n ) ； e l s e b y t e s r e a d 2 r e c v ( s p - s o e k ，b u f , t o r e a d ，o ) ； ) 其中，r e c v 、r e c v f r o m 函数都是l i n u x 自带的读函数。 然后由w e b s p a r s e f i r s t 来解析h r r p 请求的第一行；请求若不止一行，反复调用 w e b s g e t i n p u t 和w e b s p a r s e r e q u e s t 来接收请求、解析请求。 根据用户的不同请求，w e bs e r v e r 将做出不同的反应。在s o c k e t d o e v e n t 函数中根据 s o c k e t 的不同( s o c k e t - l i s t e n i n g 、s o c k e tr e a d a b l e 或s o c k e t _ w r i t e b l e ) 第1 3 页 里堕型垫盔堂塑塞兰堕兰些兰兰一一 将进行不同的操作。操作结束后，调用s o c k e t c l o s e c o n n e c t i o n 函数来结束该s o c k e t 的连接， 这就完成了对一个客户端请求的操作。多个请求时，每个请求都是在不同的进程中被处理， 互不干扰。 2 2 4w e bs e r v e r 的平台移植 在l i n u x 操作系统中，没有w i n d o w s 中强大的v c 支持，较为庞大的c 程序编译起 来极为繁琐。所以，在l i n u x 中的大型c 程序就使用m a k e f i l e 文件作为编译蓝本，将各程 序文件之间的关系按特定规则列出，通过运行m a k e 命令来编译程序。 本实验室的嵌入式开发板中微处理器采用的是m o r t o r o l a 公司的p o w e r p c 8 5 0 ，嵌入式 l i n u x 内核版本为2 2 1 4 。由于嵌入式系统的特殊性，w e bs e r v e r 要在嵌入式l i n u x 上运行， 就要对w e bs e r v e r 进行一定的修改。其中就包括修改m a k e f i l e 文件，将l i n u x 系统的c 编 译器改成嵌入式l i n u x 的c 编译器。将修改、编译后的可执行文件w e b s 通过网络下载到 嵌入式板上的p o w e r p c 中，通过超级终端运行。与嵌入式开发板相连的p c 机都可以访问 嵌入式w e bs e r v e r ，这在本实验室的局域网中已经实现。 2 3 嵌入式w e bs e r v e r 性能分析及优化 w 曲s e r v e r 是一个典型的c l i e n t s e r v e r 结构的应用系统。用户在客户端通过浏览器与 服务器( w e bs e r v e r ) 进行通信，获取所需页面。w e b 技术的发展十分迅速，一种越来越 强的趋势表明，在不久的将来，w e b 有可能取代各种不同的服务器和客户端的软、硬件平 台以及相应的应用系统，成为人们在i n t e m e t 上进行信息发布和获取的标准平台。 w e b 的出现使i n t e r n e t 上的信息访问产生了质的飞跃，但随之而来的问题就是网络上 w e b 流量的激增，导致某些热门w 曲站点由于负载过重而变得反应迟缓。许多基于w e b 的大型公共信息系统和i n t e m e t 上正在开发研究的领域，如搜索引擎、远程教学、电视会 议系统、网上贸易等，涉及的信息量非常庞大，用户访问的频率很高，这些特点都在实时 性和吞吐量上对w e b 服务器系统的性能提出了很高的要求。 尤其是在w e bs e r v e r 运行在嵌入式平台上时，对w e b 服务器系统的性能要求更加严 格。由于嵌入式系统多用在信息家电、办公系统中，这对实时性就有较高的要求；在未来 嵌入式i n t e r n e t 时代到来时，运行于嵌入式设备的w e bs e r v e r 也同样面临着大量访问的负 担。因此，对于w e b 服务器性能的分析与优化是相当重要的。 目前，网络都采用b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 模式，也就是“瘦客户、肥服务器”。将所有的 功能和操作都放在s e r v e r 上，客户端只需要普通的浏览器。如图2 7 所示。这样一来，w e b s e r v e r 就成了整个w e b 服务系统的关键因素，它