（系统工程专业论文）基于嵌入式网络摄像机的Web服务器研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 如何将嵌入式设备接入网络，是目前全世界研究的热点，而通过在嵌入式 设备中植入w e b 服务器的方式，则是最常用的技术之一。几十年来，视频监控 一直局限于本地监控或通过p c 机实现远程监控。显然，在视频监控领域内实 现监控设备小型化、网络化是监控系统发展的必然趋势。嵌入式网络摄像机是 视频监控领域的最新成果，它是否能满足无论用户在何时何地都能使用普通浏 览器查看远程监控现场视频、查看系统的实时状态、对嵌入式设备进行监测、 控制、诊断和配置的要求，与网络摄像机是否拥有个稳定、高效、安全的嵌 入式w e b 服务器( e w s ) 息息相关。 本文主要在s 3 c 2 5 1 0 + u c l i n u x 网络摄像机开发平台上，针对视频监控系统 应用环境，实现了一个h t t p d 服务器，并采用c g i 、l a v a s c r i p t 、a c t i v e x 等动态 交互技术实现对网络摄像机的远程控制和观看视频图像。本文的工作是基于美 国w l sg 0 7 0 0 7 s bi p c a ms d k 的基础上进行的。论文首先对一些相关技术进 行了深入的研究，包括：嵌入式w e bs e r v e r 的体系结构及工作方式，u c l i n u x 环境下应用程序的开发、编译、移植，嵌入式i n t e m e t 的通信协议t c p 1 p 协 义、 h t t p 协议等的工作原理，浏览器与服务器动态交互实现方法等。在此基础上， 本文对在嵌入式摄像机上添加w e b 服务器并通过w e b 服务器实现对底层设备 摄像机的控制做了w e b 服务器工作流程，数据存储管理，w e b 服务器安全性能， 与服务器进行动态交互的方法等方面的初步设计。随后，本文对几个关键实现 技术做了详细的分析，其中部分给出了c g i 程序源代码或流程图，同时给出了 部分程序的测试结果。最后，详细说明了h t t p d 应用服务程序的调试及移植步 骤。 本文的工作对如何将视频监控设备接入网络在局域网内部做了实践，促进 了视频监控领域网络化的发展。同时本文的研究内容和实现方式也对在其它领 域内实现嵌入式w e b 服务器具有一定的借鉴作用。 关键词：网络摄像机；嵌入式w e b 服务器；u c l i n u x ；c g hh t t p d 服务器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t h o wt oc o n n e c tt h ee m b e d d e dd e v i c ew i t ht h en e t w o r ki sar e s e a r c hf o c u sa l l o v e rt h ew o r l d w h i l eb yt h em e a n so fe m b e d d i n gaw e bs e r v e ri nt h ee m b e d d e d d e v i c ei so n eo ft h ef r e q u e n t l yu s e dt e c h n i q u e s t h ev i d e om o n i t o rh a sb e e nl i m i t e d t ol o c a lp l a c eo rc o n n e c t e dw i t hn e t w o r k b yt h ep c f o rm a n y y e a r s c o n n e c t i n gt h e m o n i t o rd e v i c e sw i t hn e t w o r ka n dm i n i a t u r i z i n gt h e mi sa uo b v i o u sd e v e l o p m e n t t e n d e n c y t h ee m b e d d e di pc a m e r a i st h en e wf r u i ti nv i d e o s u p e r v i s i o nf i e l da n di f i tc a nm e e tt h ed e m a n do ft h eu s e r si sm o s t l yd e p e n do nt h a ti fi th a sas t a b l e a n e f f i c i e n t ，as a f ee m b e d d e dw e b s e r v e r ( e w s ) t h eb a s i cd e m a n d si n c l u d el o o k i n ga t t h er e m o t ev i d e or e c o r d ，k n o w i n gt h er e a l - t i m es t a t u so ft h es y s t e m ，m o n i t o r i n g 、 d i a g n o s i n ga n dc o n f i g u r i n gt h ei pc a m e r ar e m o t e l yw h e n e v e ro rw h e r e v e rt h eu s e r s a r e a s i n g l e t h r e a d h t t p d e w sa i m e da tt h ev i d e o s u p e r v i s i o na p p l i c a t i o n i s r e a l i z e db a s e do nt h es 3 c 2 5 1 0 + u c l i n u xp l a t f o r mw h i c hi sai pc a m e r ad e v e l o p m e n t p l a t f o r ma n d s o m e d y n a m i ct e c h n i q u e ss u c h a sc g i ，j a v a s c r i p t ，a c t i v e xa r eu s e dt o c o m p l e t et h ec o n t r o l l e rt o r e m o t ei pc a m e r aa n dl o o ka tt h ev i d e or e c o r d t h i s w o r ki sa c c o m p l i s h e db a s e do nt h ew i sg 0 7 0 0 7 s bi p c a ms d k a tt h eb e g i n n i n g o ft h i s t h e s i s ，s o m er e l a t e dt e c h n i q u e sa r ed e e pr e s e a r c h e di n c l u d i n gt h es y s t e m a r c h i t e c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ee w s tt h ed e v e l o p m e n t 、c o m p i l i n g 、 t r a n s p l a n to fa p p l i c a t i o ni nt h eu c l i n u x ，t h ep r i n c i p l eo f t c p i pp r o t o c o la n dh t t p p r o t o c o l w h i c ha r et h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s i nt h ee m b e d d e di n t e r n e t ， r e a l i z a t i o np r o c e s so ft h ed y n a m i cc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb r o w s e ra n ds e r v e re t c a f t e rt h a t s o m er e a l i z a t i o n sa b o u tt h ee w sa r ed e s i g n e di n c l u d i n gt h ew o r k i n g m o d eo fw e bs e r v e r , t h em a n a g e m e n to fd a t as t o r a g e ，t h es a f e t yo fw c bs e r v e r t h e m e t h o d st oc o m m u n i c a t ew i t hw e bs e r v e ri uo r d e rt oe m b e dae w si nt h ei p c a m e r aa n dc o n t r 0 1t h ei pc a m e r a b y t h ee w s n e x t ，af e wk e yr e a l i z a t i o n t e c h n i q u e sa r ea n a l y z e d ，p a r to ft h e mi sc o m p a n i e dw i t ht h ec g is o u r c ec o d eo r f l o w c h a r t i nt h ee n d ，t h ep r o c e s so fd e b u ga n dt r a n s p l a n tf o rh t t p da p p l i c a t i o ni s g i v e n t h ew o r ko ft h i s p a p e r d o e ss o m e p r a c t i c e o nh o wt oc o n n e c tt h ev i d e o 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 s u p e r v i s i o nd e v i c ew i t ht h en e t w o r ki ni a n i tn o to n l ys p e e du pt h ed e v e l o p m e n t o ft h en e t w o r ki nv i d e os u p e r v i s i o nf i e l db u ta l s ot h er e s e a r c h e rc o n t e n ta n dt h e r e a l i z a t i o nm e t h o dh a ss o m er e f e r e n c eo ni m p l e m e n t i n ge w si no t h e ra r e a s k e yw o r d s ：i pc a m c r a ，e m b e d d e dw e b s e r v e r ，u c l i n u x ，c g ! ，h t t p d s e r v e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 嵌入式系统泛指单片机和微处理器构成的电子设备它出现至今已经 有3 0 多年的历史。嵌入式技术在经历了以单芯片为核心的可编程控制器形式 的系统和以嵌入式微处理器为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统以 及以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统这三个阶段后，而今正在进入以 i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统【2 j 。 这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术结 合同益密切，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代表嵌入式系统的未来【3 】。 毫无疑问，未来将是嵌入式i n t e r n e t 的时代，嵌入式系统将与我们能想 到的各种物理信息、生物信息相联接，通过i n t e r n e t 自动地、方便地和简单 地提供给需要这些信息的对象。而w e b 服务器能给客户提供标准丽友好的统 一界面，使得嵌入式系统更加标准化和人性化。嵌入式w e b 服务器( e w s ) 已经在各个领域开始得到应用，从家电领域到汽车领域等【4 1 。而在视频监控 领域，虽然社会已经对其提出了强烈的需求，但由于嵌入式w e b 技术、网络 技术、视频网络传输技术等方面的制约，一直未有成熟的嵌入式网络监控产 品面市。现在这些配套技术已经得到前所未有的发展，在数字视频监控领域 大力发展e w s ，将单独的嵌入式设备接入网络的条件已经成熟。 1 2 嵌入式w e b 技术国内外研究现状 嵌入式i n t e r n e t 是近几年发展起来的一项新兴概念和技术，国外许多大 公司包括e m w a r e 、m i c r o c h i p 、p h i l i p s 和m o t o r o l a 等在内的数十个公司联合 成立了“嵌入式i n t e r n e t 联盟( e t i ) ”，来专门讨论和制定嵌入式i n t e r n e t 领 域的标准和开发相关的技术，共同推动这一市场【5 1 。而实现嵌入式i n t e m e t 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 系统的w e b 化，其实质就是实现嵌入式w e b 服务器。 本节针对嵌入式设备接入i n t e r n e t 技术介绍一些国内外已经实现的方案。 p h a r l a p 公司 p h a r l a p 公司把能独立的智能部分和网络部分尽可能的移出嵌入式设备， 如有些预定义的数据转到胖客户机上，使用时用嵌入式设备通过远端调用本 端的d l l 来访问：经过对代码的高度优化，将w e b 服务器尽可能的做到最 小。p h a r l a p 最后做出的m i c r o w e b 服务器是2 5 k b y t e ，加上网络协议不足 3 0 0 k b y t e i 6 1 。 o a g r a n a t s y s t e m 公司 a g r a n a t s y s t e m 公司在嵌入式设备上创建了具有自己特点的e m b e d 服务 器。在h t m l 文本中嵌入c 语吉。程序对实时数据进行访问；为h t m l 增加 了特殊标记，使w e b 页上的动态数据与系统软件相接口；再把c 语言库中的 t c p i p 协议和其它重要的i n t e r n e t 高层软件标准( 如h t m l 、x m l 、r v s a 、 t c n 等1 合并到e m w e b 服务器中去。所以e m w e b 服务器名之为服务器，实 际上包含网络协议，功能上是二合一的。e m w e b 服务器内部采用了许多独到 的措施，整体容量缩小到2 5 k b t y e 以下，同时性能也有很大地提高。譬如它 内置了状态机，支持h t m l 的同时性多请求、图形元件的多接口和多用户同 时请求。因为它独立于操作系统，不需要多任务或多线程的支持。尽管如此， e m w e b 还是为了客户应用的方便而提供了与著名工业级r t o s 的接口，譬如 与v x w o r k s ，p s o s ，c h o r u s ，n u c l e u s 等的接口，e m w e b 在开发时使用了复 合功能的开发平台。在平台上可选用标准w e b 工具，如m i c r o s o f t 的f r o n t p a g e ， m a c l o m e d i a 的d r e a m w e a v e r 等。平台还同时支持c 、j a v a 、j a v a s c r i p t 的编泽 和g i f 、h t m l 等文件格式。人机对话可用w i n d o w s 或u n i x 图形界面。 o c m w a r e 公司 c m w a r e 公司面对8 1 6 的单片机的实现，另辟蹊径，服务器部分刻意地 简化到仅仅保留h t m l 的标记，其它的服务器部分全部移到客户机一侧：网 络协议部分则放弃使用代码较长的t c p t p 协议而换用十分轻型的网络协议， 从而将设备端的e m m i c r o 减小到很小的i k b y t e 字节，而且e m m i c r o 有两个部 分：e m t a g 对应于h t m l 标记，e m n e t 对应于网络协议也是功能二和一的。 轻型的( 1 i n g t w e i g h t ) 络协议可以支持在本端构筑小网络。如果不与i n t e r n e t 网相联便是孤立网，为要和i n t e r n e t 网进行国际鞋接，则须增加网关，实行 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 异种网络协议的互换。网关可以单独设置，或结合具体条件与胖型客户机相 结合等。这个网关名为e m g a t e w a y 。e m g a t e w a y 的i n t e r n e t 端留有与挂网的 w e b 设备相对话的接口，接口的典型使用方法是用网页，因网页可以在任一 种浏览器下工作，灵活适应于全球网各个地域的多样环境。接口也可根据需 要用于用户的应用程序中_ j 。 另外，在1 9 9 8 年n 月的美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于r t o s 的e m b e d d e di n t e m e t 成为一个技术新热点。在国内，“维纳斯计划”和“女 娲计划”一度闹得沸沸扬扬。机顶盒、信息家电这两年更成了i t 热点，而实 际上，这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用f 8 】。在视频监控领 域进行这方面的研究的大多仍是基于p c 机的d v r 系统，国内市场上出现的 网络摄像机产品大多是代理国外的，国内拥有自己技术的屈指可数。目前国 内从事嵌入式i n t e r n e t 技术相对比较有名的公司有深圳的英蓓特信息技术有 限公司、合肥的华恒网络技术有限公司等；科研团体有中科院计算所、中国 单片机公共实验室等，高校有清华大学、中国科技大学和上海交通大学等。 1 。3 视频监控系统发展现状 视频监控系统因为其视频数据量的庞大，一直以来视频信号只能通过闭 路电视线、光纤等传输介质，人们无法将其与i n t e r n e t 联系起来。主要的困 难在于当时的 n t e r n e t 速度慢和确定性低，不能满足通信网络要求；另外， 各种网络通信协议对于嵌入式系统的存储器容量、运算速度等方面的要求比 较高，当时的嵌入式系统很难达到这一要求。 现尢，3 2 位微处理在嵌入式系统中的应用己成功地解决了系统运算速度 慢的问题，且i n t e r n e t 技术的不断发展已经出现了千兆传输介质，为监控视 频信号的传输提供了有利的条件。另一方面，国际上的一些组织如运动图像 专家组m p e g 、国际电报电话咨询委员会i t u t 等一童致力于压缩算法的研 究，于近年推出的m p e g 系列和h 2 6 x 系列视频压缀算法，在不断提高视频 传输质量的刷时，三经使视频图像在最低6 4 k b p s 的网络上传输，并且能根 据网络情况，自适应的调节网络传输速率f 纠，这一切都为视频监控系统连入 i n t e r n e t 提供了发展条件。 将嵌入式摄像机内置w e b 服务器，通过以太网接口连入i n t e r n e t 成为网 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 络摄像机，是视频监控系统发展的最新趋势( 1 0 j 。每个网络摄像机都有一个l p 地址，客户只需通过普通浏览器如l e 或n e t s c a p e 等即可访问网络摄像机， 无需安装专门的客户端软件。用户通过统一的w e b 界面可以观看摄像机端清 晰的视频图像，对摄像机的运行状态进行控制，并可通过网络将系统远程升 级等。这种摄像机构成的视频监控系统规模可大可小，安装使用都非常方便。 不难预测，随着网络在社会生活的各个角落的拓展，网络摄像机将逐渐成为 安全防范、远程监控、远程教学、病房监护、社区服务等各方面广为采用的 工具之一l l “。然而，在这种b r o w s e r s e r v e r 通信模式中，客户只能通过w e b 界面与摄像机的w e b 服务器进行交互，w e b 服务器是否稳定、高效、完善则 成了监控系统是否成功的关键因素之一。 1 4 论文的研究意义和主要工作 将各种各样的嵌入式设备接入i n t e r n e t 是全世界都在研究的课题。而在 嵌入式设备上添加高效、稳定、安全、易于维护的w e b 服务器则是将嵌入式 设备接入i n t e r n e t 的关键技术。目前已经有一些机构针对某些应用领域研究 出很有特色的嵌入式w e b 服务器，然而由于各种嵌入式设备的组成和功能千 差万别，嵌入式w e b 服务器的应用需求、网络接入所采用的技术和方案也各 不相同，因此其它嵌入式设备接入i n l c r n e l 方面的研究成果只能作为借鉴， 很难赢接应用在本视频监控系统中。 本文在对w e b 体系结构、i n t e r n e t 通信机制进行研究的基础上，通过对 应用于局域网监控领域的w e b 服务器进行需求分析，以目前广泛采用的3 2 位处理器加t c p i p 协议栈接入i n t e r n e t 的方案为实现平台，以允许网络上多 节点、多用户对嵌入式摄像机的快速、高效、安全访问及控制为实现目标， 通过对关键技术的分析，设计并实现一个适合在3 2 位处理器和r t o s 环境_ 卜 实现的，支持多点访问的小型嵌入式w e b 服务器，并编写c g i 程序及h t m l 页面文档，在局域网内部实现对网络摄像机的运行控制、运行参数配置及视 频图像的观看。文中对e w s 的实现进行了设计并对几个关键实现技术做了 详细分析并进行测试。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章嵌入式w e b 服务器软硬件开发平台 2 1 硬件开发平台 2 1 1 搭建硬件平台 宿主机是台运行l i n u x 的p c 机，目标板是w i s 公司的d a r e d e v i l 板。 其开发的硬件配置如图2 - 1 所示。 图2 1 开发配置连接 绝大多数的l i n u x 软件开发都是以n a t i v e 方式( 本地方式) 进行的，即本 机( h o s t ) 开发、调试，本机运行的方式。这种方式通常不适合嵌入式系统软 件丌发，因为对于嵌入式系统的开发，在本机运行开发工具和调试工具没有 足够的资源。通常的嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译调试的方式。 交叉编译调试环境建立在宿主机上，对应的开发板叫做目标板。 2 1 2 目标板简介 在嵌入式系统中。为了方便对系统的开发，目前一般采用的方法是先使 胴评估板做，r 发，当在评估板上，t 发运行调试成功以后，再去除开发中需要 而实际中不需要的硬件，最后做成产品批量生产，有很多厂商提供这种评估 板应用于嵌入式系统的开发，如l i n e o 公司的u c s i m m ，m o t o r o l a 公司的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 m c f 5 2 7 2 等。本系统采用的硬件平台如下【1 2 以太网 外部电 源 图2 z 网络摄像机硬件设计参考 处理器：主控制芯片为$ 3 c 2 5 1 0 a ，它是s a m s u n g 公司生产的基于以 太网应用系统的高性价比1 6 3 2 位r i s c 微控制器，内含a r m 公司设计的低 功耗、高性能a r m 9 4 0 t 内核，主频1 6 6 m h z ；内置2 个1 0 1 0 0 m b p s 以太网 控制器：6 个d m a 通道；6 个3 2 位定时器；6 4 个可编程的i o 口：2 个高 速u a r t s ；此外还有中断控制器，d r a m s d r a m 控制器，r o m s r a m 和 f l a s h 控制器，系统总线仲裁器、外部存储器控制器等。 存储器：系统主要采用2 片s d r a m 和1 片f l a s h 作为存储器。s d r a m 具有存取速度快的特点，适用于被访问频率较高的场合。本系统应用于视频 监控场合，需要存储大量的中间视频数据，因此采用1 片m i c r o n 公司8 m b s d r a m 专门存储这些数据。另外一片1 6 m ( 4 m 3 2 ) 的s d r a m 供整个系 统使用。f l a s h 的特点是掉电不易失，适用于存放永久性数据。本系统采用 1 6 位的大小为4 m b 的f l a s h 来固化操作系统内核、应用程序及其它永久数 据。 网络接口芯片：网络接口芯片需要采用符合i e e e 8 0 2 3 协议的通用接口 芯片。在此采用r e a l t e k 公司的r t l 8 2 0 1 b l ，它是具有1 0 m 1 0 0 m b p s 自适 应功能的以太网收发控制器，是目前应用最为广泛的一种网络接口芯片。 2 2 软件开发平台 基于u c l i n u x 的应用开发环境般是由目标系统硬件开发板和宿主p c 机 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 所构成。硬件开发板用于操作系统和目标系统应用软件的运行，而操作系统 内核的编译、应用软件的开发和调试则需要借助宿主机来完成，这就要用到 交叉编译的方法。交叉编译是指在宿主机上编译链接生成可在嵌入式目标板 上运行的程序的过程1 1 2 】。在本系统上，建立基本的开发环境过程如下： ( 1 、在宿主机上安装标准l i n u x 操作系统，本系统采用的是r e d h a tl i n u x 9 0 ， 必须完全安装，否则有些服务不能正确开启。配置好网卡驱动，开启 t f t p 、n f s 服务，修改宿主机的i p 地址，使宿主机的1 p 和目标机在同 一个网段。然后关闭r e d h a t 的防火墙，否则在用t f l 甲下载映像文件时 会出现错误。 ( 2 ) 安装g n u 开发工具链( 是g n u 开发的针对a r m 的一组编译开发程序) ， 包括a r m e l f g c c ，a r m - e l f l d 等。从网站h t i p ：w w w u c t i n u x o r g 上下裁文 件a r r f t e l f - t o o l s - 2 0 0 3 0 3 1 4 s h 。然后在保存该文件的目录下运行以下命 令：# s ha r m e l f - t o o l s 一2 0 0 3 0 31 4 s h 该命令执行后会在u s r l o c a l b i n 路径下 产生a r m e l f - g c c 、g + + 、g e n r o m f s 和e l f 2 f l t 等工具。 ( 3 ) 可以从网上免费下载u c l i n u x 内核源代码，将下载的u c l i n u x 内核源代码 解压到相应路径下( 一般可以解压至l j h o m c 目录下) ，此后就可以用上面 提到的a r m 编译工具对内核进行编译了。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 n 3 1 概述 第3 章嵌入式w e b 服务器概述 嵌入式w e b 服务器是嵌入式i n t e r n e t 技术的应用之一。它以t c p i p 协议 栈为基础构建，需要实现h t t p 、t c p 和u d p 等协议，具有i p 地址，通过 网络就可以将设备接入i n t e r n e t 。任何一个客户机，都可以通过h t t p 协议与 嵌入式w e b 服务器建立连接。嵌入式w e b 服务器在w e b 浏览器和设备之间 提供了统一的图形用户界面( g u i ) 接1 2 1 ，并且和基本上所有的w e b 浏览器 兼容，使得客户端可以像在本地一样透明地监控管理设备状况【1 “。 w e b 浏数器嵌入姹w e b 设备 图形用户界面臣画 v d e b 露f 面 嵌入式设备 l 晰i - r r m 器l l f 蚺o r 器m l i j a v al 嵌入式 蛉旃i 生戚器| | 所r 吊i i ，i o ，r m 。l i 虚拟机f w 曲懈 h t t p g l 鼙 h t t p j i 越 l i t c p i p 协扳槐 li 1 r c p i 啉议栈 i 舞络 图3 - 1 嵌入式w e b 服务器系统模型 w e b 技术在i n t e r n e t 上的广泛应用，导致b r o w s e r s e r v e r 这一新的软件应 用模型的流行，该模型本来是奉行“瘦客户胖服务器”的理念，主要的应用 程序在服务器上，客户端只需要浏览器环境，便可根据需要从服务器下载应 用程序来完成相应的任务。但由于需要将w e b 服务器安置在嵌入式系统中， 受嵌入式系统资源有限的影响，我们必须实现瘦w e b 服务器。瘦w e b 服务 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 器是随着w e b 应用环境的改变而提出的。因为在嵌入式应用当中，特别是在 嵌入式设备当中，一个w e b 服务器不可能是很全面的，它必须捌有足够小的 容量，并且不影响嵌入式系统的整体性能，但必须具备一个w e b 服务器应有 的特征。一个典型的嵌入式w e b 应用如图3 - 1 所示。它也可以包含一个实时 操作系统( r t o s l 。w e b 服务器被用作一个单一线程，而不需要r t o s 的支持， 或者是作为多线程应用中的一个线程，不需要动态存储分配【h l 。 3 2w e b 通信协议简介 不同的计算机有不同的操作系统和硬件，操作系统之间的数据格式并不 一定兼容。要实现它们之间的通信，必须采用通信协议。协议是网络上的计 算机为了交换数据所必须遵循的通信规程及消息格式的集合【1 引。 3 2 1 嵌入式t o p ip 协议 嵌入式i n t e m e t 的技术核心是在嵌入式系统中部分或完整地实现t c p i p 协议。标准t c p i p 协议机制比较复杂，它的实现对处理器的存储能力和运 算能力要求较高。而在嵌入式系统中，由于资源有限特别是其存储器、 运算器的限制，实现完整的t c p i p 协议较为困难，必须将其简化，开发一 套嵌入式t c p i p 协议。 图3 - 2t c p i p 协议层次 应用层 传输层 网络层 网络链路层 西南交通大学硕士研究生学位论文，第1o 页 嵌入式t c p i p 协议一般实现a r p 、r a r p 、i p 、i c m p 、t c p 、u d p 、 h t t p 、s m t p 、f r p 和t e l n e t 等协议，可使用4 层结构来实现。为了有效 的利用嵌入式系统有限的资源并提高效率，各层协议的具体实现和标准的 t c p i p 协议相比有较大程度上的简化，但它具有最基本的功能。图3 2 描述 了嵌入式i n t e r n e t 使用的i p 、t c p 、u d p 和i c m p 协议，以及应用层协议之 系【1 引。 数据包在t c p i p 协议栈中流动的时候，也是由上至下或由下至上，逐层 进行传输的。在t c p i p 参考模型中，每个实体和另一个系统的同层实体按 协议进行通讯，而一个系统内实体和上下层间的通讯，则通过接口进行。不 同系统间同层实体问的数据传输过程如图3 3 所示i l “。 绽l 蝰进器 网 持收进程 应用层 i h l 教摄il 应甩惩 t c p u d pt h 数据丁c p u d p n h 数据口i p m h数摁m t m cm a c 物理屠比特流 坼珥悬 图3 3 数据包在t c p 1 p 分层模型中的传输过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 3 2 2h t t p 协议 3 2 2 1h t t p 协议简介 w e b ( 或称w o r l dw i d ew e b ) 服务是最常见的i n t e r n e t 服务，而h t t p ( h y p e r t e x t t r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传送协议) 是w e b 应用的标准协议， w e b 服务器利用它与浏览器通信。h r r p 协议是应用层协议它适应了分粕 式超媒体协作系统对灵活性及速度的要求。它是一个一般的、无状态的、基 于对象的协议，通过对其请求方法( r e q u e s tm e t h o d s ) 进行扩展，可以用于 多种用途比如名字服务器( n a m es e r v e r ) 及分布式对象管理系统。通常情 况下，w e b 服务器提供服务的端口是8 0 ，当然也可以使用其它端口。h 订p 规定了发送和处理请求的标准方式，规定了浏览器与服务器之间传输的消息 格式及各种控制信息【1 7 】。 w e b 服务是典型的浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r ，简称c s ) 结构的应 用。一个典型的h t t p 会话过程通常包括以下步骤： w e b 浏览器向w e b 服务器发送一个连接请求； w e b 服务器收到这个连接请求之后，像浏览器发送确认信息，告知 对方已经成功建立起了t c p 连接； 浏览器向服务器发出h t t p 的请求； 服务器分析并处理h t t p 请求，将结果传送给浏览器： 浏览器接收传送过来的文档数据，并将其显示给用户浏览； 当服务器传送完整个文档之后，将中止与浏览器之间的连接； 3 2 2 2h t t p 消息结构分析 h r r p i 办议( r f c19 4 5 1 1 8 1 和r f c2 0 6 8 ) f i g n y 两种消息格式：h t t p 请求 消息( h a t er e q u e s tm e s s a g e ) 格式和h t t p 响应消息f h r r pr e s p o n s e m e s s a g e 。) 格式。h t r p 消息请求格式如表3 1 所示。请求消息由请求行、标 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 题行中的各种标题域和实体主体( e n t i t yb o d y ) 坌且成。 表3 1h 丁r p 请求信息格式 s p s p c rl f c rl f 1 c r l f j 实体主体 卜请求行 标题行 服务器接收到客户的h t t p 请求消息后进行分析，并发送一条h t t p 响 应消息，然后断开相应的t c p 连接。响应消息的一般格式如表3 - 2 所示。从 图中可以看出，除了状态行之外，响应消息的格式与请求消息的格式相同。 实体主体包含有请求消息要求获得的对象，即文件。除了h t t p 的版本号之 外，状态行还包含状态码 和短语 ，它们组合起来表示 客户请求所获得的结果。 表3 2h t t p 响应消息格式 ( v e r s l o n s p s p c rl f c r l f c r l f j 实体主体 _ 3 3u c i i n u x 下实现动态页面的c g i 技术 + 状态行 标题行 嵌入式w 曲服务器需要根据浏览器发出的h t t p 请求及时更新网页或从头 创建网页，因此需要用动态交互技术实现。到目前为止，实现动态w e b 页面 有多种技术可供选择：c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) 、a s p ( a c t i v e s e r v e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 p a g e ) 、p h p ( p e r s o n a lh o m ep a g e ) 矛nj s p ( j a v as e r v e rp a g e ) 等。在u c l i n u x 下如 果要实现动态网页，只能采用c g i ，因为目前u c l i n u x 还不支持a s p 、p h p 等动态网页技术【1 9 】。 公共网关接口c g i 是一种服务器与浏览器信息、交换的标准接口。c g i 建立在浏览器服务器机制上，为外部扩展的应用程序与w e b 服务器交互提 供了一个标准接口。按照c g i 标准编写的外部扩展应用程序可以处理客户端 输入的工作数据，完成客户端与服务器的交互操作等。 3 3 1 c g i 的工作机制 公共网关接口c g i 程序是存放在h t l p 服务器上，为用户和h t t p 服务 器之外的其它应用程序提供互相“交谈”手段的软件【2 0 】。在使用c g i 时，浏 览器与h t r p 服务器间的数据传输如图3 - 4 所示： 豁砷啦闻卿协 泌以m 咐魁l 柏 啦d 与l 鼢髓垃辩辙 浏黼h p 请啦。 览 器擞撇斟结果 井刿矸搬 搬f 懈# 嘲程 h r 口瑚 e 为( h 妤蟊fc g ij 浒曙咀芋 服 参数。程其岂 务序应用 器捌酣必程畸亏 黝j 鳓麟 图3 4 使用c g i 调用的客户机服务器数据交换模式 客户端的用户通过浏览器完成一定输入工作后，向服务器发出h 竹p 请 求( 称为c g i 请求) ，服务器守护进程接收到该请求后，就创建一个子进程( 称 为c g i 子进程) 。该c g i 子进程将c g i 请求的有关数据设置成环境变量，在 c g i 程序与服务器间建立两条数据通道，然后启动u r l 指定的c g i 程序。 子进程通过标准输出流将处理结果传递给服务器守护进程，守护进程再将处 理结果作为应答消息回送到客户端。 c g i 程序的调用方法有两种，一种是由用户直接在浏览器u r l 输入窗口 西南交通大学硕士研究生学位论文第1a n 中调用，一种是在h t m l 程序中使用f o r m 表单调用。用户输入数据可以 通过两种方式传递给c g i 程序：通过环境变量( g e t 方式) 或通过c g i 程序的 标准输k ( s t d i n ，p o s t 方式) 。 3 3 2c g l 程序的开发语言 在开发c g i 程序时，可根据服务器提供的接口和实际需求选择编程语言， 如c c + + 、p e r l 、s h e l l 、v b 、a p p l e s c r i p t 。如果选用c c + + 等语言，必须编 译成可执行文件；如果选用p e r l 等解释语言，服务器必须安装相应的解释器 。 3 3 3 c g l 与h t t p 协议的关系 c g i 通过h 丁r p 协议在客户端和服务器端进行通讯，客户端用户向服务 器发送的是h t t p 请求消息，该消息中含有处理用户输入的c g i 扩展程序的 u r l 值。c g i 扩展程序在处理结束后，返回给客户端的响应是h 订p 响应消 息。因此c g i 程序的输出数据必须符合h t t f 响应消息的语法格式。 3 34 f d e 标准简介 m i m e ”j ( m u l t i p o s ei n t e r n e tm a i le x t e n s i o n ) 是一种技术规范，提供了 c g i 与w e b 服务器和外部扩展应用程序之间的通信规则，同时它也是一个丌 放的多语言、多媒体的电子邮件标准。 配置m i m e 类型的语法因服务器的不同两不同，但它们都要求相同的信 息：类型、次类型和扩展名。类型是文件最为广泛的分类，包括：文本、图 像、音频、视频、应用等等。在每种类别里边又有很多次类型，例如，图形 文件类型包括的次类型有：g i f ，j p e g 等。扩展指文件的扩展名，服务器根据 它来确定文件的类型和次类型。每一天都有新技术和新的类型出现，服务器 通过这种方法，可以对类型进行扩展。表3 - 3 列出了常见媒体类型及其扩展 名和它们的m i m e 类型次类型信息。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 表3 - 3m i m e 类型和扩展的子类型 序号内容类型文件扩展名描述 1 a p p l i c a t i o n o c t e t s t r e a m d m sl h al z h 可执行程序 b i ne x ec l a s s 2 a p p i c a t i o n p o w e r p o i n tp p t m i c r o s o f tp o w e r p o i n t 3 i m a g e g i fg i f c o m p u s e r v eg i f 图 像 4 t e x t c s s c s s c s s 风格纸 5t e x t h t m lh t m lh t m h t m l 文档 6 t e x t j a v a s c r i p tj s i s m o c h aj a v a s c r i p t 脚本 7 t e x t p l a i n t x t a s c i i 文本 8 v i d e o m p e gm p e gm p gm p e g 影像 i 1 1 p e 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第4 章嵌入式网络摄像机w e b 服务器设计 w e b 服务器在主机u n l x 领域有非常著名的免费服务器软件a p a c h e 、i i s 等不少软件【2 3 】，在嵌入式l i n u x 系统领域，也有b o a 、h t t p d 、m i l l i h t t p d 、t h t t p d 等一些小型的w e b j l 1 务器。这些w e b 服务器都各有特点，非常具有参考价值。 所以，本系统在网络摄像机平台上开发的嵌入式w c b 服务器，尽可能的汲