（计算机软件与理论专业论文）基于skyeye和uclinux的轻量级web服务器的设计与实现.pdf

基于s k y e y e 和u c l i n u x 的轻量级w e b 服务器的设计与实现 摘要 摘要 随着嵌入式i n t e m e t 的发展，嵌入式w e b 服务器已被越来越广泛的应用到信息家 电、网络视频监控、工业自动化等领域。嵌入式w e b 服务器也逐步成为嵌入式研究 领域的一个热点。开源项目s k y e y e 实现了对硬件平台的模拟，给缺少硬件开发环境 的人员提供了更广泛的嵌入式开发的途径。本文正是在s k y e y e 这一模拟平台下，通 过对国外一些开源嵌入式h t t p 服务器如b o a ，m i n ih t t p d 的分析和研究，设计和实 现了基于u c l i n u x 嵌入式操作系统的w e b 服务器- - p a n d o w d y 。相对于b o a 、m i n ih a p d 的基本认证，本系统实现了更为安全可靠的摘要认证。目前基于s k y e y e 所开发的应 用比较少，本系统的开发成功将给应用s k y e y e 平台开发的人员提供一个借鉴。 本文首先提出了p a n d o w d yw e b 服务器的设计目标和整体设计框架，在此基础上 具体阐述了h t t p 协议、c g i 、摘要认证在本系统中的实现，然后详细介绍了系统从 宿主机的r e d t t a t 到s k y e y e 模拟平台上运行的u c l i n u x 的移植。本文最后实现了 p a n d o w d yw e b 服务器在一a d s l 宽带路由器中的应用。 关键词：嵌入式i n t e m e t s k y e y ew e b 服务器摘要认证 u c l i n u x 作者：陆萍 指导教师：徐汀荣 a b s t r a c t a l o n gw i mt h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e di n t e m e t , e m b e d d e dw e bs e r v e r s a r e d e p l o y i n gi n t oi n f o r m a t i o ne l e c t r i c ，n e t w o r kv i d e om o n i t o r i n g d e v i c e sa n di n d u s t r i a l a u t o m a t i o nf i e l dd e e p l nw h i c hm a k e se m b e d d e dw e bs e r v e rb e c o m ea na c t i v er e s e a r c h f i e l d s k y e y ei s a no p e ns o u r c ep r o j e c t i ts i m u l a t e se m b e d d e dh a r d w a r ea n dp r o v i d e sa n e ww a yt oe m b e d d e da p p l i c a t i o nd e v e l o p e r s ，e s p e c i a l l yw h oa r el a c ko fh a r d w a r e t h e p a p e rf i r s ta n a l y s e ss o m eo p e ns o u r c ew e bs e r v e r ss u c ha sb o aa n dm i n ih t t n ，a n dt h e n d e s i g n sa n di m p l e m e n t saw e bs e r v e r p a n d o w d y , b a s e do ns k y e y ea n du c l i n u x c o m p a r i n gt on l cb a s i ca u t h o r i z a t i o no f b o aa n dm i n ih t t p d p a n d o w d yi m p l e m e n t s am o r e s e c u r ea u t h o r i z a t i o n m e t h o d ：d i g e s ta u t h o r i z a t i o n a s t h e r eh a v e b e e no n l yaf e w a p p l i c a t i o n sb a s e do ns k y e y ea tp r e s e n t ，d e v e l o p e r sc a r ll e a r nf o r mp a n d o w d y ss u c c e s s f u l e x p e r i e n c ea n dd e v e l o pt h e i ro w na p p l i c a t i o n sb a s e do ns k y e y e i nt h eb e g i n n i n g ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h e s y s t e m sd e s i g no b j e c t sa n dt h e n i m p l e m e n t sh t t pp r o t o c o l ，c g i ，d i g e s ta u t h e n t i c a t i o n f u n c t i o n s a tl a s t , t h e p a p e r i n t r o d u c e st h ep r o c e s so fm i g r a t i n gp a n d o w d yf r o mr e d h a tl i n u xt ou c l i n u x ，r u n n i n go n s k y e y e t h ep a p e ra l s oa p p l i e sp a n d o w d yw e bs e r v e rt oa d s lh o m er o u t e rf o rr o u t e m a n a g e m e n tb a s e do nw e b k e y w o r d s ：e m b e d d e di n t e m e t ，s k y e y e ，w e bs e r v e r , d i g e s ta u t h e n t i c a t i o n ，u c l i n u x w r i t t e nb yl up i n g s u p e r v i s e db yx ut i n gr o n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独翻鳇声暖 零人勰重声载：濒强交豹攀位论文嫩零入程导努貔籀导下，毯立逡行舔究王馋黢 取得的成果。除文中已经注硬弓i 用的内餐外，本论文不舍其他个人或集体已经发表或 撰写避的研究成栗，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的掌位证书而使用道的树 糕。对本文懿磷突俸出整要羹熬弱令人鼗集体。鸷已森文中以鞠确方戏振羁。零入最 担本声明的法律责任。 谚 究生蕊名：建鸯 掰期： 垒因 学位论文使用授权声弼 苏州大学、中国科学技术信息研究所、圉家图书馆、清华大学论文合作部、中国 李主瓣酸文麸接患情报孛，貉寿投保餐本人掰送蹙学位论文羽复印耱裁l 电擎文摆，弼戳采 糟影印、缩印绒其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容张纸质论文的内容相一 致。除在保密潮内的保密论文外，允许论文梭瘴阅和储阅，可以公布( 包括刊登) 论 文豹全部或部分内容。论文的公布( 包括列登) 授权苏煳大学学位办办理。 研究生熊名： 导师签名 基于s k y e y e 和u c l i n u x 的轻量扭w e b 服务器的设计与实现 第一章前言 第一章前言 1 1 课题的研究背景 1 1 1嵌入式i n t e r n e t 的发展 后p c 时代的到来引发了嵌入式系统的产生，人们很少会意识到自己随身携带了 好几个嵌入式系统智能手机、智能手表或者智能卡，而且人们在与汽车、电梯、 厨房设备、电视、录像机以及娱乐系统的嵌入式系统交互时也往往对此毫无觉察。 通常，多于一台电脑的家庭会选择一台低端的宽带路由器来连接a d s lm o d e m 和家庭计算机网络。这样，每一台电脑都可以方便的接入因特网，这里所用的宽带路 由器通常就是一个嵌入式的系统。以上的例子是嵌入式系统在家庭中的应用。实际上， 从嵌入式系统发展的历程来看，促使嵌入式系统出现并发展是在工业控制、仪器仪表 等领域。 虽然嵌入式系统的应用越来越广泛，但是对它的定义却没有一个公认的标准。通 常人们认为嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适用于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统 【”。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序 等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。图1 1 为嵌入式 系统的结构图。 图1 1嵌入式系统结构图 嵌入式系统的开发人员逐渐发现，嵌入式系统就象是一个密封的盒子，缺少和人 l 第一章前言 基于s k y e y e 和u c l i n u x 的轻量级w e b 服务器的设计与实现 交互的界面。大多数的嵌入式的系统没有图形接口( i n t e r f a c e ) ，用户不能象在p c 上 一样非常直观的去设置系统运行的参数，监视系统运行的状态。或许这对于有经验的 开发人员还不算什么，因为他们可以通过t e l n e t 、f t p 等方式连接到设备中。然而对 于设备的使用者，w i n d o w s 操作系统以先入为主的优势让他们以为什么操作只要通过 点击图标就可以了，而让他们通过t e l n e t 去访问设备并以命令行方式设置或查看设备 参数无疑是比较困难的。因此迫切需要在嵌入式设备和用户之间架起一座桥梁。 幸运的是，i n t e r n e t 这一技术可以被引入到嵌入式设备中来，形成嵌入式i n t e m e t 。 与早期的嵌入式设备相比，由于目前的嵌入式操作系统上大都可以移植实现t c p i p 协议栈，因此嵌入式设备连接入i n t e m e t 比以前来得容易。图1 2 为嵌入式设备接入 i n t e m e t 连接示意图。 图1 2嵌入式设备接入i n t e m e t 示意图 通俗的说，嵌入式的i n t e m e t 使得终端用户可以通过浏览器( 通常是m 或者 f i r e f o x ) 来和嵌入式设备交互。用户可以通过静态或者动态h t m l 页面来查看目前 设备的状态，以及设置设备运行参数。用户访问嵌入式设备就象访问因特网上的一个 w e b 站点，非常直观。这给用户带来了巨大的方便，同时也促进了嵌入式系统的应用。 1 1 2嵌入式i n t e r n e t 目前存在的问题 嵌入式i n t e r a c t 在给用户带来方便的同时，也对系统开发人员提出了要求，首要 的一点就是要在嵌入式系统中部署一个w e b 服务器来对用户的请求做出响应。虽然 已经有a p a c h e 这样优秀的开源软件，但是嵌入式系统的系统资源不足以来运行 a p a c h e ，因此嵌入式系统的开发人员必须另外开发一个适合于嵌入式设备的w e b 服 2 基于s k y c y e 和u c l i n u x 的轻量蔽w e b 微务器盍搴霞计与赛珑 第一章前害 务器。国外这方丽的研究做的比较多，如开发人员将b o a 、m i n ih t t p d 、h t t p d 等l i n u x 下我簌传移接戮了嵌入式搡髂系统u c l i n u x 孛，两国内澎没有类戗鳇嚣源软佟。我们 语楚要通过这一课题，来实现一个可以在u c l i n u x 中使翔的开源的w e b 服务器。 另外，嵌入式的i n t e m e t 也对安全性提出了要求。狂嵌入式设备中，有一些资源 势零是每令人郝魏访阉斡，程楚昃有授权戆怒户才能谤瓣。困憩，瑕务器需要对客户 进行验证。在秘前移植到u c l i n u x 的w e b 服务器软件中，b o a 、m i n ih t t p d 只提儆了 基本认证功能，h 钍p d 则不包禽认证功能。识是由于基本认证采取b a s e 6 4 编码来加密 弱声懿塞毽，瓣b a s e 6 4 绽磷建一穆广泛霞蘑鹣编码方式，它教蜒璐疆廖篷擐容易获 得因此任何入都可能对口令进行窃取并解码，系统安全性不高。针对这个问题本文 采取了摘要认诚来实现客户端的认证功能。 1 1 3嵌入戎系统开发襁学者面旗媳难嚣 嵌入式系统都是基于一定的硬件，_ 葶n 常见的x 8 6 结构的处理器不同，他们的处 璞貔力程对较羁，俸积较拳，始嚣稳建一块并发援戒免嵌入式并发乏蔫靛一令难赢。 虽然厂家掇供了很多的汗发板可以选用，但是一块主流的开发扳的价格在千元庭 卷，这个给戆学习嵌入式系统开发的人员设置了个门槛。予是，就出现了 g d b a r m u l a t o r 这一a r mc p u 靛模攮嚣，丽渍肇大学豹麟士螽陈臻叉在 g d b a r a m u l a t o r 的基础上开发了s k y e y e 硬件模拟平台，宝可以模拟众多开发板以及 瞬络劝裁。有了s k y e y e 硬停模羧平台，扔学者就可以在缺乏硬件静馈况下来学习嵌 入溅系统开发，遮客疆上降低了嵌入式稽缴入门的门撩。 然而有了s k y e y e 硬件模拟平台以后，并不是所有的问题都已经解决了。s k y e y e 虽然是一个毙较耋 瓣嵌入式磺l 零豹模拟嚣，毽秘学者遴豢只是基于s k y e y e 硬俘模拟 平静安装运行一魏嵌入式操作系统，使蔫它来进行嵌入斌开发的实黼应用还比较少。 因此，初学者不知道如何基于s k y e y e 来进行嵌入式的系统开发。本文可以为基于 s k y e y e 送行应趱开发提供一个寨爨，可塔为怒学习嵌入式开发恧又缺少开发板戆入 员提供一个借鉴。 第一幸前言 基于s k y e y e 和u c l i n u x 的轻量级w e b 服务器的设计与实现 1 2本文所做的工作和意义 本文基于s k y e y e 硬件模拟平台和u c l i n u x 开发了嵌入式的w e b 服务器，取名叫 p a n d o w d y 。本文的所做的工作和意义在于： ( 1 ) 比较和分析了s k y e y e 模拟的各类主要开发板和目前较为流行的嵌入式操 作系统的优缺点，选出了适合于本文的硬件和操作系统：s k y e y e 硬件模 拟平台模拟的a t 9 1 开发板和u c l i n u x 。 研读和分析了r f c 2 6 1 6 所定义的h t t p1 1 协议，实现了h 丌p 协议的基 本功能。 分析了b o a 、m i n ih t t p d 的代码，提出了在u c l i n u x 下现有的w e b 服务器 中单纯采取基本认证的方法的缺点。在比较分析了客户端认证功能的几 种实现方法以后，提出了用摘要认证来实现客户端的认证功能。通过研 读r f c 2 6 1 7 所规定的 r r r p 认证协议，本文实现了p a n d o w d yw e b 服务 器的摘要认证，并且成功移植到u c l i n u x 中。 分析了w e b 服务器和用户交互的特性，通过阅读c g i 的一些文档和l i n u x 进程间的通信机制，实现了用c g i 来实现服务器端和客户端的交互，从 而扩展了p a n d o w d y w e b 服务器的应用范围。 在s k y e y e 模拟的a t 9 1 开发板中成功运行了u c l i n u x ，并把前期在l i n u x 宿主平台上实现的w e b 服务器，成功移植到了s k y e y e 所模拟的开发板上。 p a n d o w d yw e b 服务器是基于s k y e y e 模拟平台和u c l i n u x 开发的，可以给 想使用s k y e y e 进行嵌入式应用开发的用户提供借鉴。 p a n d o w d yw e b 服务器是遵循g n u g p l 的，可以自由的获得并修改发布 它的源代码。用户可以通过阅读源代码来学习h t t p 协议、摘要认证和 c g i 的实现过程。 通过本项目的使用，可以给s k y e y e 的开发团队提供反馈信息，从而进一 步促进s k y e y e 的完善。 参考p a n d o w d yw e b 服务器在u c l i n u x 下的移植过程，可以根据自己的实 际应用需求移植其他开源软件到u c l i n u x 下。 ) ) ) ) ) ) ) q o 似 g 基于s k y e y e 和u c l i n u x 的轻量级w e b 服务器的设计与实现 第一章前言 1 3 p a n d o w d yw e b 服务器可以应用的场合 本文开发了p a n d o w d y w e b 服务器，它可以应用的场合包括： ( 1 ) 信息家电、网络设备等领域 在信息家电或者网络设备中植入p a n d o w d yw e b 服务器，授权用户就可以在远程 监控设备的运行状态，以及完成一些设置工作。 ( 2 ) 网络视频监控在生产过程管理中的应用 在视频服务器内置p a n d o w d yw e b 服务器，对摄像机传送来的视频信号数字化后 由高效压缩芯片压缩，通过内部总线传送到内置的p a n d o w d y w e b 服务器。用户可以 直接用浏览器观看p a n d o w d yw 曲服务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像 机动作或对系统配置进行操作。具有节省费用、即插即看、高性能、独立网络环境和 设备的灵活接入等优点 2 1 。 1 4本文的组织结构 本文余下章节的组织结构如下： 第二章讲述p a n d o w d yw e b 服务器的设计，从项目起源、设计目标入手，讲述 系统的整体构建以及设计原由，最后讲述系统选择的开发平台和采取的开发方法。 第三章本章描述了h t t p 协议在p a n d o w d yw 曲服务器中的实现。 第四章本章讲述p a n d o w d yw e b 服务器的c g i 设计和实现。 第五章对于一些嵌入式系统上的资源，只有特定的用户才可以访问，因此 p a n d o w d yw e b 服务器需要提供认证功能。在分析了b o a 、m i n ih t t p d 采取的基本认证 的缺点后，决定在p a n d o w d yw e b 服务器中实现摘要认证功能。本章主要讲述摘要认 证的原理和实现。 第六章本章详细讲述移植的过程，从如何建立交叉编译环境开始，到如何搭建 s k y e y e 硬件模拟平台和移植u c l i n u x 到s k y e y e 模拟的开发板下，最后讲述了p a n d o w d y w e b 服务器的移植和运行的过程。在这一章的最后，还会给出基于u c l i n u x 进行嵌入 篡一章羲言 基于s 每e y e 和u c l i n u x 轻量投w e b 疆务器的设馥岛窭琨 溅系统开发工作的一些关镳点。 第七章本牵实现了p a n d o w d yw e b 缀务器在家感a d s l 宽带路出器中的一个应 掰实铡。 6 基于s k y c y c u c l i n u x 转轻量簌w e b j 务器祷连计每赛瑗筹= 章暮统骋谩诗 2 。l设计謦标 第二章系统的设计 通常在进行一项课题研究的时候，需簧确立一个旗本原则和研究目标，即课题最 露要秧残季 么。闲撵豹道璞，在送行系统豹其钵设嚣之藩，应该先确立系统设计瓣囊 标和设计的原则，这些和系统最终的用途是相关联的。 2 1 1 单镁务( s i n g l e - t a s k i n g ) 单任务( s i n g l e - t a s k i n g ) 还是多任务( m u l t i t a s k i n g ) 是需要作出的第一个选择。 单任务表示p a n d o w d yw e b 服务器不会为每一个连接请求f o r k 一个新的进程来处理。 擎任务辐对于多任务来说，瓣褥产数蠹懿支持主显褥举定，也蕤楚说一里嚣蘸蠢一夺 h t y p 的连接请求，另外的h t t p 请求将进入一个队列等候。采用多任务技术则可以 阂时并发晌威多子一个的 鞭 请求。识是，因为p a n d o w d yw e b 服务器是主要用在 焱入式翡设餐牵，撵供绘溺户一个设嚣逶行参数和套麓运行获态豹赛蟊。因魏多任务 对于p a n d o w d yw e b 服务器来说不是一个必要的特憔。采用多任舒技术，意味着提高 系统编程的笈杂度以及加火系统资源的淤耗。嚣用户慰设备的访问弗不是一个缀频繁 的操作，逶常廷有在需要修改参数和系统有一些敖障翡时候才需要游闯设备，闲j 魄单 任务完全能满足实际的需辨。 2 。1 2支稔c g l p a n d o w d yw e b 服务器不应该只具有盟示静态页面的能力，它戍该还要具有和用 交互豹能力。举一令箍攀戆穰子，对予一台家雳宽袋a s d l 鼹幽器，在使弱之藩， 廉该设置拨母的用户名和密码，这样路融器才能通过a d s lm o d e m 拨号连入因特麟。 因为每个实隧用户的用户名和密码是不同的，因此不能由厂商固化在路由器中，只能 袋激蠲户设嚣瓣方法。这令靛零要弼产誉饺莰是读取羚态h t m l 炎嚣，嚣虽逐霹毅 向服务器提交信息。c g i 怒公共网关接i 一( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) 的简称，它是外 部的应用和w e b 服务器之类的信息服务器交互的标凇。一个c g i 程序可以被实时执 第= 幸系境棼竣 基于s k y e y e 和u c l i n u x 妨轻量缎w e b 蔽务器羲设谛岛宴麓 行，因此能产生动态的信息【3 1 。同时c g i 程序还能处理用户提交的数据，例如向配置 文件中写入信息。因此，对c g i 豹支持避必须的。 2 1 3摘要认证 在嵌入戏设备孛，可能育一些资源是需要经j 童认涯才能谤阀的，例如焱使用 p a n d o w d yw e b 服务器的家庭a d s l 宽带路由器中，只有经过认谣的角户才能测览路 由器的状态、设置路由器的运行参数。认证的意思熙：基于一定的原因需要确定用户 豹身傍。这黧艨谤的认透攘的是客户璇鹣诀证。 目前通常采用如下几种方法来实现客户端认证：第一种是在爝户程序中来实现， 这种方法是嗣前广泛采用的方法，如访问邮箱的时候需要输入用户名和密码，对用户 名器密羁豹黢涯是囊疆务嚣上嚣发太爨编写魏程痔突戒豹。第二秘楚镬蘧s s l 熬窖 户端认证功能，主要是客户端通过申请证书来完成。第三种方法怒通过r f c 2 6 1 7 所 定义的h t t p 认证来实现，它提供了用户认证的完熬机制，通过遮个机制，不需要在 藏务器臻编麓程彦魏霹苏辩嚣户送露诀谖。h t t p 谈逐又势鸯嚣张：基本谈逐鞠接要 认证。 采用第糟方法来进行用户认证，错要由程序员来控制程序的逻辑。由于糕序编 篝豹不严密，傻褥系统安众毪苓毫。莠藏，在实舔疲掰静过程审，缀多壤嚣下，羯产 输入的用户名和密码并没肖经过加密，盥接以明文传输，这无疑魑不安全的。 第二种方法采用了s s l 协议来进行骏证。s s l 魁一种通信协议，它概括了使用 凝密技术寒获墩毫缀数攒缳密、数据宠蹙经帮试证瓣标准方法。爽旗上，它逶邋僳护 传输中的数据保护了应用胺。s s l 是目前使用的最流行的安全性协议之一。s s l 内 建在w e b 浏蹩器中，当它同连接另一端的认证服务器建立了连接对，它会创建端对 鞴的数据保密。但是s s l 使用复杂豹数学公式进行数据翔密窝解密，这些公式静复 杂性根据密码的强度不同黼不同。高强度的计算会使多数服务器停顿，导致性能下降。 多数w e b 暇务器在执行s s l 楣关任务孵，吞蛙量会熙箸下降，性能拢在只执行h t t p 1 1 连接时的遽度馒5 0 多倍。两且出于s s l 复杂的认证方案和夯，解密算法，s s l 需 要大量地消耗c p u 资源，从而造成w e b 服务器性能很大的下降”j 。由于运行s s l 需 要谗多代码，这限铡了它在嵌入琢境中的应用【4 】。嘏撼资料，在u c l i n u x 采取静态编 8 基于s k - y e y e 争u c l i n u x 砖轻量缓w e b 艇务器砖设事 毒窦瑰 第- 二幸摹统砖设计 译的方式编译b o aw i t hs s l ，文件大小增大5 0 0 k ，运行时候消耗的内存容爨增大 1 1 0 k 1 5 1 ，这对于嵌入式系绕来说是一个比较大的消耗。如果要在资源有限的嵌入式环 壤牵使蠲s s l ，需要对已缀脊的痒迸行裁减苏满是安众往豹要求，然箍，这警瓣技巧 是不要丢得太多，否则会诚代码变得不徽安全，这是一项很难的工作，需要有专家的 参与1 4 1 。劳鼠使用该方案辩袋申请客户端的证书，代价离而且不方便使用。 第三种方粲是使用h t t p 协议提供酌谈证方案，瀵过该方案骶不需要使用庞大的 s s l 库又可以满足客户端认证的要求。谯p a n d o w d yw e b 服务器的设计中，本文采取 了h t r p 认诞褥没畜采取s s l 。h t t p 认诞分为基本认证鞍摘要认诚，在u c l i n u x 中， b o a 和m i n ih t t p d 都只实现了基本议诞。然而基本认诞非常脆弱，笼箕是对密碣孵保 护。因此，p a n d o w d yw e b 服务器必须能有所增强。综合考虑之下，本文决定实现摘 豢认诞并移棱捌u c t i n u x 下。 2 2总体框架设计 上一小：箨骥定了系统鹣整俸设谤曩撅，嚣蠡薅交毅嚣，藏需要遴髫系统豹夔髂浚 计了。p a n d o w d y w e b 服务器主要分为如下几个模块。 ( 1 )系统参数设置模块 秀了霞餐p a n d o w d yw e b 疆务器瓣运行更热瑟活，囊毒戮侵雳京令参数在 p a n d o w d yw e b 服务器运行的时候对其进行配置，也可以使用配置文件。由于 p a n d o w d yw e b 服务器是逡彳予在嵌入式设螽中的，一般嵌入式设备的程序是在系统启 动戆薅候自动逡霉，莠不是学动翔教赛韵，因藏选择命令行参鼗寒没鬟系统参数楚爨 较简单的设计。 ( 2 )请求监听模块 该模块妻黉完成登褥客户请求静凌链。有h t r p 连接请求的辩候，穗客户请求 放到输入缓冲送中。该模块监听由- p 参数指定的端阴，如果一p 参数没有指定，则默 认监听8 0 端翻。 ( 3 )请求预处理模块 在接收到用户的连接请求后，解析请求的各个字段，放到相应的变量中。按下来 判凝请求的类攫。如果需要认证，则调崩攮要认证模块；如果不需鬃认证，就判酝请 9 第二章系统的设计 基于s k y e y e 和u c l i n u x 的轻量级w e b 服务器的设计与实现 求的类型是页面、目录还是c g i 根据不同的请求调用不同的处理模块。 ( 4 )页面处理模块 根据请求预处理模块传来的参数，到服务器的指定目录中读取客户请求的文件。 根据请求文件的不同类型，生成不同的h t t p 响应的头和内容部分。如果请求的文件 不存在，则返回4 0 4n o tf o u n d 响应。如果请求的文件是摘要认证的密码文件，返回 4 0 3f o r b i d d e n 响应等。 ( 5 )c g i 处理模块 如果是c g i 请求，需要判断提交的方法是g e t 还是p o s t 方法，不同的方法有 不同的处理过程。该模块会f b r k 一个子进程来执行c g i 程序。当予进程执行完成以 后，将执行结果传回到父进程。 ( 6 )目录列表模块 如果请求的是一个目录，则首先去寻找目录中默认的网页文件，如果默认的网页 文件不存在并且不允许目录列表，则返回4 0 3f o r b i d d e n 响应。否则，将该目录中所 有文件信息如文件名、文件大小等以列表的形式返回。 ( 7 )摘要认证模块 如果用户请求的资源是需要认证的，那么摘要认证模块将首先产生摘要认证的 n o n c e 值，然后对测览器第二次传来的请求进行认证。只有通过认证后，才将用户请 求的资源发送给用户。 基于s k y e y e 和u c l i n u x 的轻量扳w e b 服务嚣的设计与实现 第二章系统的设计 请求瓶处理模块1 ( 系一设i 撇 i 接收e j r 蓄臻 1r接慵e 麓蹬模f 播甍认证窑 请柬蚺e 馘l _ 码文件 ，撼i 斌 接收h t t p 连 h 接信息 t 解析h t t p、 t p 浏 请求 输 臻冲区) 览 i ， i r 一 景 | c g i 栉il 面辩l i8 淤l 1，1 l 一锩 y t m m r 、+ _ _ _ ”b ， 豁盔鬻、 图2 1 系统模块关系图 以上七个模块的关系如图2 i 所示。 2 3 硬件平台的选择 对于嵌入式开发，系统设计完成以后，应该根据系统的特点进行开发板和操作系 统的选择。目前市面上可用的开发板很多，本文没有选择这些可用的开发板而是选择 了s k y e y e 硬件模拟平台。 2 3 1 s k y e y e 项目背景 对于想进行嵌入式系统软件开发和学习或者想研究嵌入式l i n u x 等操作系统和 一些底层系统软件如t c p f i p 的研究人员来说，可能存在如下几个问题【6 】： ( 1 ) 经常苦与经费不足，缺少足够的硬件开发板和软件开发环境，相关的书 籍对些最新软件分析还不够全面，无法深入研究和开发嵌入式软件。 ( 2 ) 高层次的软件设计和开发一般不用太考虑底层硬件的实现细节，如果直 接处于一个具体的硬件环境下，在开发和研究中可能会陷入硬件的具体 j l 第二章乐统的设计 基于s k y e y e 和u c l i n u x 的轻量投w e b 服务器的设计与实现 细节中不能自拔，而不能把精力放在高层的软件设计和开发中。 ( 3 ) 如果硬件开发环境不太稳定( 这种情况经常遇到) ，且对具体的硬件不是 很了解，则可能在排除问题上花费大量不需要的时间。 2 3 2 s k y e y e 模拟的c p u 和开发板 目前s k y e y e 可以模拟的c p u 主要是基于a r m 内核的c p u ，包括a r m 7 t d m i 、 a r m 7 2 0 t 、s t r o n g a r m 、x s c a l e 等。a r m 7 9 1 0 d t m 是a r m 系统c p u 的基本核心 部分，它们不支持m m u c a c h e 和一些扩展指令，是a r mc p u 基本核。s t r o n g a r m 、 x s c a l e 是建立在以上a r mc p u 核上，并扩展了m m u c a c h e 和其他功能。各硬件 开发公司可以根据他们的需求在上述c p u 核上加上特定的扩展，形成基于各种a r m 基本核心的特定c p u ，如a t m e l 9 1 x 4 0 和e p 7 3 2 1 则分别扩展了a r m 7 t d m i 和 a r m 7 2 0 t 的内存控制和各种i o 控制器，简化了开发板的逻辑设计，大大增强了开 发板的功能1 6 】。 目前s k y e y e 模拟的开发板包括基于a t m e l 9 1 x 4 0 c p u 的开发板，基于c r i r u s l o g i c e p 7 3 2 1 的开发板、基于s t r o n g a r mc p u 的a d s b i t s y 开发板。基于x s c a l ep x a 2 5 0 c p u 的l u b b o k 开发板。它主要模拟了对于各个开发板的串口、时钟、r a m 、r o m 等硬件外设吼- f l 虱g js k y e y e 硬件模拟器的硬件模拟结构图叽 图2 2 s k y e y e 模拟的硬件结构图 基于s k 弦y e 和u c l i n u x 镌轻量鳆w e b 疑务器秘最谴毒窭麓 笨= 章表娆孵最曹 2 3 3r t l 8 0 1 9 a s 网络芯片模拟 嚣藜溺终在嵌入式系绕孛应建越来越广泛，逶避强s k y e y e 攒麴攫熬鞋太嬲蕊冀 设备，使s k y e y e 支持以太网络接口模拟。这样在s k y e y e 硬件模拟平台上运行的操作 系统能够与本地l i n u x 主机进行网络通信【8 】。 签予嚣麓嵌入式设蘩孛广泛壤粥n e 2 k1 0 b a s e - t 兼容瓣络芯嚣，蔟中 r t l 8 0 1 9 a s 又是比较具有代表性的一种。因此网络模拟的设计方案完全基于真实的 r t l 8 0 1 9 a s ( n e 2 0 0 0 兼容，简称8 0 1 9 a s ) ，但是做了部分简化l7 i 。 2 3 4 选择s k y e y e 的疆由 目前可用的嵌入式模拟器包括a r m u l a t o r 和s k y e y e 。前者是a r m 公司推出的集 成嚣发环境a d s ( a r md e v e l o p e rs u i t e ) 巾提供熬攒令集模羧器。籍者是一个溺内舞： 放源码的自由软件项目，宗的目标是实现一个基于a r m 处理器的嵌入式仿真和集成 羚发环境。它可以运行在l i n u x 平台秘w i n d o w s 黪c y g w i n 环壤y i g j 。在比较完嚣 个仿真环缓瑶，本文决定逸释s k y e y e 誉为课题静仿冀开发环境，原因如下： ( 1 ) a r _ m u l a t o r 不囊持网络芯片仿真，而p a n d o w d yw e b 服务器是需要网络功 憨支持熬，没蠢隧络仿真，w e b 服务器麴移在毪就没窝意义了。两s k y e y e 凝有完善的鼷络功能仿真，支持t c 瑚【p 协议栈，可以秘主机进行潦信。 ( 2 ) a r m u l a t o r 支持的操作系统只有u c o s - i i ，而本文选择的嵌入式操作系统 燕u c l i n u x 。 ( 3 ) a r m u l a t o r 不开放源代码，开放程度不商，而s k y e y e 愚完全开源的软件， 遵循g p l 协议。 ( 4 ) s k y e y e 嫠麓一个仿真开发霹瀵，毒戳奁缺少疆箨兹情凝下迸雩亍嵌入淡软 件汗发。由于s k y e y e 目前处于一个活跃的开发期，在囡内基于它开发的 成熟的应用很少。因此，选撵s k y e y e ，可以给基于s k y e y e 进行应用开发 瓣缓爱者提挟一令缮鎏。 ( 5 ) s k y e y e 是一个开源项目，禚系统开发期，需要有大量的使用者来反馈软 件的实际运行情况，这正是一个_ 丌源软件能获得成功的保证。 第二章糸统盎设计 基于s k y e y e 和u c t i n u x 辑轻量级w e b 艇务器的设计与窭现 在s k y e y e 可以模拟的开发檄中，本文选择了基于a t m e t 9 1 x 4 0c p u 的开发板。 a t m e l a t 9 1 系到微控制暴是基予a r m 7 国m l 嵌入式微戆壤器戆1 6 3 2 霞徽控割器， 是目前国内市场威用最广泛的a r m 芯片之一。a t 9 1 系列微控制器已成功应用在工 业自动化控制、m p 3 w m a 播放器、数据采集产品、b b 机、p o s 机、医疗设备、 g p s 粒瓣终系绞产品孛。 2 4嵌入式操作系统的选择 疆终模攘乎套选择磐了蔽矮，魏爨了选搔搽维系统戆羚葭。虽然完全爵戳不饺蠲 操作系统而直接对硬件进行编程( 尤其在比较低端的8 位m c u 等设备上一般没有现 成的搽作系统) ，但是基于一个嵌入式的操作系统，可以搽蔽具体的硬件细节。在较 蠢熬麓次主遗露较传秀发，撬离开发效率。 s k y e y e 可以支持u c o s i i 和u c l i n u x ，但是由于u c l i n u x 支持大量的网络协议， 完整的t c p i p 协议棱和通用酶l i n u xa p i ，褥且移植到u c l i n u x 下的应用很多，相对 予u c o s - i i ，熬悉r e dh a tl i n u x 上开发豹入可戳缀饫静熟悉u c l i n u x 下瓣开发。叉潮 为u c l i n u x 采用的u c l i b c 是对g l i b c 的精简，因此在程序a p i 方面相差不多，移植比 较褒爨。基于上述理由，本系统选择u c l i n u x 作为s k y e y e 硬件模接开发平台上的操 作系统。 u c l i n u x 是基于l i n u x 内核的应用于微控制领域的一种嵌入式l i n u x 操作系统， 其最大的特征就怒没有m m u ( i 鸯存管理单元模块) ，它缀逑奈那些没鸯m m u 的处趱 器，铡如摩托梦控公司的m 6 8 e z 3 2 8 ，a t m e l 公司的a t m e l 9 1 x 4 0 等。u c i i m l x 不 支持虚拟内存，它采用一种不同予标准l i n u x 的内存模型。在l i n u x 中的进程，具脊 取鸯照瘫存空阕，这个内存空阙孛依次毒代码段，嚣态数攥段，堆段秘栈段。在堆段 和棱段之间存在一个空隙。当稷序使用m a l l o c 分配内存的时候，实际上是使用了系 统调用b r k 来动态调整堆段的大小，然后将分配的内存返回给使用者。而u c l i n u x 则 不阏，为了避免滚赞宝责毂走存窆闻，系统为逶疆势配鹣遗j = l 筝区域是连续懿，饩玛段、 数据段和栈段之间没有任何空隙。为了节省内存空间，进程的私有的堆也被取消，代 以一个共享的堆空间。因此m a l l o c 的实现方法不是使用b r k 系统调用，而是采用了 m m a p 柬实现。实鞭上，u c l i n u x 是没套b r k 系统诱矮熬”“。 1 4 基于s k y c y e 和u c l i n u x 的轻量级w e b 服务器的设计与实现 第二章系统的设计 针对u c l i n u x 的内核的二进制代码和源代码都进行了重新编写，以紧缩和裁剪基 本的代码，这就使得u c l i n u x 的内核非常小，仅有5 1 2k b ，加上相关的工具还不到 9 0 0k b ，但却仍然保持了l i n u x 操作系统的主要优点，如稳定性好、有强大的网络功 能和出色的文件系统支持等能力。而且其使用的库u c l i b c 是对g l i b c 的裁减，但是 保留了大部分常用的g l i b c 库函数，在宿主机器是l i n u x 上开发的源代码，只要做很 少的修改就可以移植到u c l i n u x 下。 从上文可以知道，u c l i n u x 程序员在编程的时候，需要参与系统内存空间的分配 j i l l ，需要估算出程序所需要内存的大小。虽然这导致程序员对内存的控制权力增加， 但是也给程序开发带来了不便。在进行程序移植的时候，笔者发现了由于使用m a l l o c 分配内存和没有注意到程序运行需要空间大小而带来的一系列问题。这个都是开发人 员从标准l i n u x 下转移到u c l i n u x 下开发要注意的地方。 2 5 系统开发流程 硬件和操作系统选饕l 后，就应该转入系统的开发。同一般p c 上基于l i n u x 的系 统开发不同，嵌入式系统开发有其自身特点。进行嵌入式开发首先需要弄清楚的一个 概念就是交叉编译。简单的说，交叉编译就是在一个平台上( 宿主平台) 使用交叉编 译器编译生成能在另外一个平台( 客户平台) 上运行的二进制文件。这里的平台指的 是硬件平台和软件平台两个方面。如，人们通常使用的平台是i n t e lx 8 6 硬件上运行 视窗操作系统，这是宿主平台。客户平台如a r m 核c p u 上运行u c l i n u x 。由于本 文的开发平台是r e dh a tl i n u x ，而最终运行的硬件是a r m 核的c p u ( s k y e y e 模拟) ， 因此需要在r e dh a tl i n u x 下面使用交叉编译器来对源代码进行交叉编译。 本文选型的宿主开发平台是r e d h a t l i n u x ，而且p a n d o w d y w e b 服务器相对较小， 可以先在r e dh a tl i n u x 下完成所有的功能模块后，再将程序移植到u c l i n u x 下面。 这样，整个开发就变成了两个阶段：第一阶段是在r e dh a tl i n u x 下的开发，第二阶 段是移植。接下来的第三章、第四章和第五章将重点讲述系统实现部分，即在r e dh a t l i n u x 下是如何实现p a n d o w d yw e b 服务器的。第六章讲述如何将p a n d o w d yw e b 服 务器从r e dh a tl i n u x 下面移植到u c l i n u x 下。 第三章h t l 甲协议原理与实现 基于s k y e y e 和u c l i n u x 的轻量级w e b 服务器的设计与实现 第三章h t t p 协议原理与实现 3 1 h t t p 协议概述 在本章中，主要介绍h t t p 协议原理以及h r r p 协议在p a n d o w d yw e b 服务器中 的实现。本章首先会介绍h t t p 协议，包括h t t p 的请求和响应，然后讲述h t t p 请 求和响应在p a n d o w d yw e b 服务器中的实现。 h 1