（信号与信息处理专业论文）嵌入式安全web服务器的设计与应用.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 近年来，3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m e r ) 合一的发展趋势 逐渐明朗，计算机微型化和专业化趋势己成事实。这两种发展趋势都产生了 一个共同的需求：嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ，e s ) 。现在研究e s 的开 发，有着广阔的应用前景和重大的现实意义。 论文首先概述了嵌入式系统的组成结构及性能特点，介绍了嵌入式技术 的国内外研发现状。在综合比较现在各种嵌入式操作系统的基础上，分析了 使用l i n u x 构造嵌入式系统的优点和缺点。并介绍了开发环境的建立。 嵌入式文件系统是嵌入式操作系统的一个重要组成部分，随着嵌入式系 统硬件设备性能的提高和价格的不断降低以及嵌入式系统应用范围的不断扩 大，嵌入式存储设计的重要性显得更加突出。对嵌入式系统来说，非正常断 电或其他错误会导致文件系统不一致性，带来文件系统的破坏和信息的丢 失。本文分析了各种文件系统的特点，及在n o r f l a s h 上多文件系统的建 立与实现，并说明了这种多文件系统的优点所在。 图形用户界面一直是计算机的重要组成部分，对于嵌入式系统而言，也 是如此。本文介绍了嵌入式g u i 的特点，m i n i g u i 的技术特点与体系结构， 及向开发板的移植和应用。 嵌入式w e b 目a 务器是指将w e b 服务器引入到现场测试和控制设备中，在 相应的硬件平台和软件系统的支持下，使传统的测试和控制设备转变为具备 了以t c p i p 为底层通信协议、w e b 技术为核心的基于互联网的网络测试和控 制设备。对于嵌入式w 曲服务器的研究和应用有着重要的意义。s s l 协议提 供了数据加密、服务器认证、信息完整性以及t c p i p 连接的用户认证。本文 使用c 语占设计了w e b 服务器和s s l 安全代理服务器，并且在r h 9 0 和 $ 3 c 2 4 1 0 上运行良好。 关键词嵌入式：文件系统：g u i ；w e b 服务器 s s l 安全代理 竺竺鋈三些查兰三兰竺圭兰竺尘圣 一 _ a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yi ni n f o r m a t i o nt i m e sa n d t h ea b o a r da p p l i c a t i o no fi n t e r n e t ，i ti sc l e a r t h a t3 c ( c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n dc o n s u m e r ) w i l lc o n v e r g ei nt h en e a r f u t u r ew h i c hw i l ll e a dt h ef o c u so f c o m p u t e ri n d u s t r yf r o mt h ec o m p u t ep r o d u c t t oi n f o r m a t i o n p r o d u c t t h e e m b e d d e d s y s t e m a n de m b e d e d d e do sh a v e a p p r o a c h e d ar e m a k a b l e d e v e l o p m e n t t h e e s t a b l i s h m e n to f d e v e l o p i n g e n v i r o m e n ti si n t r o d u c e d f i r s t l y ，t h i s t h e s i ss u m m a r i z e st h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h e e m b e d d e ds y s t e m ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h er e s e a r c ho fe m b e d d e dt e c h n o l o g ya t d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l o nt h eb a s eo fs y n t h e t i cc o m p a r i n ga l lk i n d so f e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e me x i s t i n gt o d a y , t h ep a p e ra n a l y s e st h ee x c e l l e n c e a n dl i m i t a t i o n so fu s i n gl i n u xt ob u i l de m b e d d e ds y s t e m t h e r e f o r e t h e d i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe v e r yd i f f e r e n t f i l es y s t e m sa n dt h ee s t a b l i s h m e n ta n di m p l e m e n to fm u l t i f i l es y s t e mb a s e do n n o r f l a s h t h e nt h es t r o n g p o i n to f t h em u l t i f i l es y s t e mi se x p l a i n e d g u ii so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so fc o m p u t e rs y s t e ma ta l l t i m e s f o re m b e d d e ds y s t e mi t i sa l s ot r u e t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fg u io fe m b e d d e ds y s t e m t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f m i n i g u ia n di t sa r c h i t e c t u r e t r a n s p l a n t i n gt h e mt ot h eb o a r df o rd e v e l o p m e n t a n di t sa p p l i c a t i o na r ea l s oi l l u m i n a t e d 。 e m b e d d e dw e bs e r v e ri sa ni n t e r n e tb a s e dw e bt e s t i n ga n dc o n t r o l e q u i p m e n tw h o s et e c h n i c a l k e r n e li sw e b w h i c hi m p o r t sw c bs e r v e rt ot h e t e s t i n ga n dc o n t r o le q u i p m e n t ，a n dm a k e st h et r a d i t i o n a lt e s t i n ga n dc o n t r o l s e q u i p m e n tt o 。t r a n s f o l - i n t ot h eo n ew h o s ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si st c p i p r e s e a r c h i n ga n da p p l y i n ge w s a r ev e r ys i g n i f i c a n t s s lp r o t o c o lo f f e r su sd a t a e n c r y p t ，s e r v e ra t t e s t i n g ，i n f o r m a t i o ni n t e g r a l i t y a n dt h eu s e r sa t t e s t a t i o nf o r c o n n e c t i n gt o t c p i et h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n s 、bs e r v e ra n ds s ls e c u r i t y p r o x y s e r v e ru s i n gc l a n g u a g e t h es o f t w a r ew o r k s w e l lo i lr h 9 0a n d $ 3 c 2 4 1 0 k e y w o r d s e m b e d d e d ，f i l es y s t e m ，g u i ，w e bs e r v e r ，s s ls e c u r i t yp r o x y i i - !堕! i 堡三些盔兰：兰墨主兰竺鎏兰 。 1 1 课题背景 第l 章绪论 随着数字信息技术和网络技术的高速发展，计算机已经从以p c 为主的模 式进入到了目前的网络模式。在后p c 时代一场新的、更加深入的i n t e m e t 革 命正在兴起，这场革命的主旨是将目前实现了的人与人之间的互连，进一步发 展为人与设备，设备与设备的互连。即是不仅要为数以亿计的p c 联网，还要 为那些内置计算机芯片的包括仪器仪表、w e b t v 、d t v 、p d a 、i p 电话以及冰 箱、空调、洗衣机等家电在内的基本上所有电子设备提供运算和联网功能，导 致这场革命的核心技术就是嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 。 1 2 嵌入式系统的特点 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控 制、监视或者辅助设备、机械和车间运行的装置”j 。上述定义并不能充分体 现出嵌入式系统的精髓。目前国内普遍认同的是：嵌入式系统是以应用为中 心、以计算机技术为基础，软硬件可裁减，满足应用系统对功能、可靠性、成 本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【2 i 。这个定义将操作系统和功能软 件集成于计算机硬件系统之中，简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一 体化，类似b i o s 的工作方式，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等 特点。特别适合于要求实时的和多任务的体系。 这一定义几乎包括了我们周围的所有电子设备：如掌上p d a 、移动计算设 备、电视机顶盒、手机上网、多媒体、汽车电子、微波炉、家庭自动化系统、 电梯控制、安全系统、自动售货机、医疗仪器、自动取款等等。 下面具体介绍嵌入式系统的软硬件特性p j 。 l 、硬件特性 嵌入式系统总是面向特定应用的，与通用p c 的硬件相比，它的硬件系统 具有以下特性： 体积小，集成效率高。嵌入式系统总是去除冗余，力争用最小的系统 完成目标功能，特别在一些手持设备中更是这样。 哈力 滨工业人学工学硕上学位论义 面向特定应用的特性。具体嵌入式系统只能适合某一特定应用，针对 另一应用就要重新设计硬件系统。 低功耗，电磁兼容性好，能在恶劣环境下工作，即使死机也要求能够 快速重启。 总之，嵌入式系统硬件在价格、功能、体积、重量、能耗等方面都有严格 的限制。 2 、软件特性 软件是一个应用系统的灵魂，对于嵌入式系统的软件部分，它具有以下特 点： 嵌入式软件的研发与硬件紧密相关。由于嵌入式软件的丌发是针对具 体硬件平台进行的，它往往牵涉硬件驱动方面的一些软硬结合部分， 这就要求丌发人员必须具备相关的硬件知识。 软件代码要求高效率和可靠性。由于嵌入式系统中软件运行空间有 限，内存空间非常宝贵，在软件的编程过程中必须时刻考虑软件的运 行效率，同时选用高质量的编译工具。在实时系统中，处理器必须严 格处理异步发生的各种任务，这对程序的算法设计提出了更高的要 求。另外，嵌入式软件系统还应该有异常处理、快速复位等特点。 软件一般固化在f l a s h 或r o m 中。为了提高执行速度和系统的可靠 ，陆，同时缩短系统复位时间，一般在嵌入式软件调试好后，会下载固 化到目标板中的f l a s h 或r o m 中。目标板启动时，在其中运行代 码，而不是像p c 那样从硬盘存储器中读耿程序。 一般而言，整个嵌入式系统的体系结构可以分成四个部分：嵌入式处理 器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件，如图1 - 1 所示。 嵌入式 应用软件 嵌入式操作系统 佰忑磊i 未，瓦碱、 、 ( ! 岁r 倒阪台 峨入式 一 硬件平台 图1 - 1 嵌入式系统的结构 哈尔滨工业人学工学_ 吼十学位论文 1 3l i n u x 的特点 目f j ，f 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。l i n u x 之所以能在嵌入式系统上取得如此快速的发展，与其自身的优良 特性有着不可分割的关系忡l ： 1 、丌放源码，丰富的软件资源 2 、功能强大的内核，性能高效、稳定、多任务 3 、支持多种体系结构 4 、完善的网络通信、图形和文件管理机制 5 、支持大量的周边硬件设备，驱动丰富 6 、大小功能都可定制 1 4 国内外发展的情况 目前，国外不少大学、研究机构和知名公司都加入了嵌入式l i n u x 的开发 工作，较成熟的嵌入式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。下面就简要介绍一些嵌入式l i n u x 系统。 ( 1 ) r t - l i n u x 。这是美国新墨西哥理工学院开发的基于标准l i n u x 的嵌入式 操作系统。截至目前为止，r t - l i n u x 已成功地应用于航天飞机的空阳j 数据采 集、科学仪器测控和电影特技图象处理等广泛的应用领域。r t - l i n u x 开发者并 没有针对实时操作系统的特性重写l i n u x 的内核，这样做工作量会很大，而且 要保证兼容性也很困难。为此，r t - l i n u x 提出了一个精巧的实时内核，并把标 准的l i n u x 内核作为实时内核的一个进程同用户的实时进程一起调度。这样做 的好处是对l i n u x 的改动量最小，充分利用了l i n u x 下现有的丰富的软件资 源。 ( 2 ) e m b e d i x 。e m b e d i x 是由嵌入式l i n u x 行业主要厂商之一l i n e o 推出的， 是根据嵌入式应用系统的特点重新设计的l i n u x 发行版本。e m b e d i x 提供了超 过2 5 种的l i n u x 系统服务，包括w e b 系统服务器等。系统需要最小8 m 内 存，3 mr o m 或快速内存。e m b e d i x 基于l i n u x 2 2 核心，并已经成功移植到了 i n t e lx 8 6 和p o w e r p c 处理器系列上。可以说，e m b e d i x 是一种较完整的嵌入式 l i n u x 解决方案。 ( 3 ) x l i n u x 。x l i n u x 是由美国网虎公司推出的，主要开发者就是c i h 病毒的 作者台湾的天才少年陈盈豪。x l i n u x 号称是世界上最小的嵌入式l i n u x 系 哈尔滨工业 学工学硕士学位论文 统，核心只有1 4 3 k 字节，而且还在不断减小。x l i n u x 核心采用了“超字元 集”专利技术该l i n u x 核心不仅可以与标准字符集相容，还涵盖了1 2 个国 家的字符集，因此，x l i n u x 在推广l i n u x 的国际应用方面有独特的优势。 ( 4 ) p o c k e t l x 。致力于国产嵌入式l i n u x 操作系统和应用软件开发的广州博 利思软件公司，推出了嵌入式l i n u x 中文操作系统。它基于标准的l i n u x 内 核，并包括一些可以根据需要定制的系统模块。支持标准以太网和t c p i p 协 议，支持标准的xw i n d o w ，带中文支持，提供桌面和窗口管理功能，带w e b 浏览器和文件管理器，并支持智能拼音和五笔字型输入，可适应个人p d a 、 w a p 手机、机顶盒等广泛的智能信息产品。 ( 5 ) u c l i n u x 。u c l i n u x 是专门用于微型控制领域的嵌入式l i n u x 操作系统， 它已被成功的移植到很多平台上。 ( 6 ) 红旗嵌入式l i n u x 。这是由红旗公司推出，也是国内傲的比较好的嵌入 式l i n u x 。 目前，中科院计算机所自行开发的开放源码的嵌入式操作系统一一e a s y e m b e d d e do s ( e e o s ) 已开始进入实用阶段。该操作系统重点支持p j a v a ，系 统目标一方面是小型化，一方面能重用l i n u x 的驱动和其它模块。 现在绝大部分的嵌入式系统的硬件平台还掌握在外国公司的手中。国产的 嵌入式操作系统在技术含量、兼容性、市场运作模式等方面还有很多工作要 做，但是嵌入式操作系统的巨大商业价值和l i n u x 的开放性，为民族软件产业 的发展提供了难得的机会。应该在跟踪国外嵌入式操作系统最新技术的同时， 坚持自主产权。力争找到自己的突破点，探索出一条适合中国国情的嵌入式操 作系统的发展道路1 5 j 。 1 5 开发环境的建立 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于嵌入式系统 的软件开发，因为对于嵌入式系统的开发，没有足够的资源在本机( 即扳子上 系统) 运行开发工具和调试工具。通常的嵌入式系统的软件丌发采用一种交叉 编译调试的方式。交叉编译调试环境建立在宿主机( 即一台p c 机) 上，对应 的开发板叫做目标板。开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及连接工具形成 可执行的二进制代码，( 这种可执行代码并不能在宿主机上执行，而只能在目 标板上执行。) 然后把可执行文件下载到目标机上运行。调试时的方法很多， 哈尔滨工业大学t 学顸卜学位论文 可以使用串口，以太网口等，具体使用哪种调试方法可以根据目标机处理器所 提供的支持作出选择。宿主机和目标板的处理器一般都不相同，宿主机为i n t e l 处理器，而目标板如h h a r m 2 4 1 0 为s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 ，g n u 编译器提供 这样的功能，在编译编译器时可以选择开发所需的宿主机和目标机从而建立开 发环境。所以在进行嵌入式开发前第一步的工作就是要安装一台装有指定操作 系统的p c 机作宿主开发机，对于嵌入式l i n u x ，宿主机上的操作系统一般要 求为r e d h a tl i n u x ，在此，我们使用r e d h a t 9 ，0 作为开发系统的宿主机p c 操 作系统。在宿主机上我们要建立交叉编译调试的开发环境。环境的建立需要许 多的软件模块协同工作扣j 。 1 6 论文内容 本论文主要研究了嵌入式l i n u x 系统的开发与应用，对嵌入式系统的软硬 件开发，图形用户界面接口，文件系统，和嵌入式w e b 服务器和s s l 安全代 理服务器进行了比较深入的研究。 以下是论文的主要内容： 第l 章，序论，讲述了嵌入式了l i n u x 系统的特点和国内外的发展情况。 第2 章，嵌入式l i n u x 的文件系统，讲述了各种文件系统的特点和在 n o r f l a s h 上的多文件系统的建立与实现的方法。第3 章，嵌入式l i n u x 用 户图形界面，讲述了m i n i g u i 的移植和在开发板上的应用。第4 章，嵌入式 w 曲服务器，讲述了怎样设计了w e b 服务器与s s l 安全代理服务器。 哈尔滨工业人学工学硕上学位论史 第2 章嵌入式l i n u x 文件系统 文件系统是指在一个物理设备上的任何文件组织和目录，它构成了l i n u x 系统上所有数据的基础，l i n u x 程序、库、系统文件和用户文件都驻留其中， 因此，它是系统中庞大复杂且又是最为基本和重要的资源。值得提出的是， l i n u x 系统中的文件不仅包括普通的文件和目录，和设备相关的实际实体也都 被映射为一个文件，例如磁盘、打印机、终端等等，这样的设备文件又称为特 殊文件。所以，l i n u x 下的文件是操作系统服务和设备的简单而又统一的接 口，从某种意义上可以说，l i n u x 里的一切事务都是文件t ”。 2 1 文件系统概述 2 1 i 文件与文件系统 文件是l i n u x 用来存储信息的基本结构。它是被命名的存储在某种介质上 的一组信息的集合。文件这个概念包括：字段、记录和数据库。字段是数据的 基本单位。一个字段通常是一个有着特定长度和类型的值。记录是若干个相关 的字段所组成的集合，可以被某些应用程序作为一个整体来看待。文件是一些 相似记录的集合。文件都有一个唯一标识的文件名，应用程序或用户可以通过 它来对文件定位。数据库用来对一些相关数据进行管理，它通常是通过文件管 理相关程序对一些可能属于不同类型的文件进行统一管理。一般而占，这些文 件或者数据之间的关系是明确界定了的m , 9 1 。 文件系统向用户或程序提供一个使用文件的统一界面，从而能够使得对文 件的各类操作能够在更加抽象、更加简便的层次上进行。引入文件系统的目 的： 1 ) 满足用户管理数据的需要，其中包括数据的存储和对数据的操作； 2 ) 尽可能保证文件中数据的有效性； 3 ) 性能优化，以提高系统的吞吐量和响应速度； 4 ) 提供不同类型的存储设备的“0 支持； 5 ) 消除或降低数据丢失或遭破坏的可能性； 6 ) 提供一个标准的功d 界面； 7 ) 在多用户系统中，向多用户提供l ，o 支持等。 坚尘鎏三些垒耋三耋竺：! 兰竺竺圭 文件系统是指存在的物理空间，l i n u x 系统中每个分区都是一个文件系 统，都有自己的目录层次结构。l i n u x 会将这些分属不同分区的、单独的文件 系统按一定的方式形成一个系统的总的目录层次结构。 l i n u x 文件系统使用索引节点( i n o d e ) 来记录文件系统信息，其作用像 w i n d o w s 的文件分配表。索引节点是一个结构，它包含了一个文件的长度、创 建及修改时间、权限、所属关系，磁盘中的位置等信息、一个文件系统维护了 一个索引节点的数组，每个文件或目录都与索引节点数组中的唯一一个元素对 应。系统给每个索引点分配一个号码，也就是该节点在数组中的索引号，称为 索引节点号。 l i n u x 文件系统将文件索引节点号和文件名同时保存在目录中。所以，目 录只是将文件的名称和它的索引节点号结合在一起的一张表，目录中每一对文 件名称和索引节点号称为一个连接。对于一个文件来说，有唯一的索引节点号 与之对应；对于一个索引节点号，却可以有多个文件与之对应。因此，在磁盘 上的同个文件可以通过不同的路径去访问它1 1 0 】。 2 1 2l i n u x 的虚拟文件系统 l i n u x 的文件系统引入了虚拟文件系统v f s ( v i r t u a lf i l es y s t e m s ) 机制，它 采用面向对象的思想，提供了统一的抽象文件系统接口层。实际的文件系统在 v f s 注册后，通过v f s 提供的统一接口来和操作系统核心管理模块交互。对 于操作系统的核心管理模块来说，它不关心实际的文件系统的实现细节，对于 应用层来说，也只是通过v f s 接口来访问具体文件系统中的数据，它也不关 心实际的文件系统中的具体数据组织形式【1 1 1 。 v f s 在系统启动时建立，在系统关闭时消亡。v f s 的功能包括： ( 1 ) 对具体文件系统的数据结构进行抽象，以一种统一的数据结构进行管 理。 ( 2 ) 将设备同具体的文件系统联系起来，接受内核其他子系统的操作。 ( 3 ) 支持多种具体文件系统之间的相互访问。 ( 4 ) 涉及到针对文件系统的操作时，v f s 把他们映射到与控制文件、目录、 以及i n o d e 相关的物理文件系统。 当某个进程发布了一个面向文件的系统调用时，核心将调用v f s 中相应 的函数，这个函数处理一些与物理结构无关的操作，并且把它重定向为真实文 件系统中相应的函数调用，而这些函数调用则用来处理那些与物理结构相关的 哈尔滨工业大学工学硕上学位论义 操作。图2 1 显示了v f s 与各具体文件系统之间的关系。 图2 1v f s 与具体文件系统关系图 有了v f s 后，实际的文件系统对操作系统的核，心的管理模块和应用层来 说都是透明的。实际的文件系统对于操作系统核心来说是独立的模块，在设计 实际的文件系统模块时，只要保证它能够按照v f s 提供的接口来和v f s 进行 交换，它就能够成为l i n u x 核心支持的文件系统的一部分。这样，通过v f s ， l i n u x 就能够实现对多种实际的文件系统的支持 1 2 1 。 虚拟文件系统所隐含的思想在于引入了一个通用的文件模型，这个模型能 够表示所有支持的文件系统。我们可以把通用的文件模型看作是面向对象的。 通用文件模型由以下对象类型组成： 超级块( s u p e r b l o c k ) 对象：存放系统中已安装文件系统的有关信息这类 对象通常对应于存放在磁盘中的文件控制块。每个文件系统都有一个超级块对 象。 索引节点( i n o d e ) 对象：存放关于具体文件的一般信息。这类对象通常对 应于文件控制块( f c b ) ，每个文件都有个索引节点，每个索引节点对象都有 一个索引节点号，这个号唯一的标识某个文件系统中的指定文件。 目录项( d e n t r y ) 对象：存放目录项与对应文件进行连接的信息。v f s 把 哈尔滨工业人学工学硬1 学位论义 每个1 1 录看成一个由若个目录和文件组成的常规文件。 文件( f i l e ) 对象：存放打开文件与进程之间进行交互的有关信息。这类信 息仅在文件进程期间存在于内存中。 这类对象的数据结构都有两个共同的特点： 充分考虑到对多种具体文件系统的兼容性。 是虚拟的，也就是只存在于内存中。 2 2l i n u x 文件系统的结构层次 l 、l i n u x 系统的文件属性概述 每一个文件都具有特定的属性。l i n u x 系统的文件属性比较复杂，主要包 括文件类型和文件权限两个方面。 1 ) 文件类型 l i n u x 下的文件可以分为5 种不同的类型：普通文件、目录文件、连接文 件、设备文件和管道文件。 普通文件 这是一类常见的文件，也是常使用的一类文件，其特点是不包含文件系统 的结构信息。 目录文件 目录文件是用于存放文件名及其相关信息的文件，是内核组织文件系统的 基本节点。目录文件可以包含下一级目录文件或普通文件。 链接文件 连接文件是一种特殊的文件，实际上是指向真实存在的文件的链接。 设备文件 设备文件是l i n u x 中最特殊的文件。l i n u x 系统为外部设备提供一种标准 接口，将外部设备视为一种特殊的文件。用户可以象访问普通文件一样访问外 部设备，使l i n u x 系统可以很方便的适应不断发展的外部设备。 管道文件 管道文件主要用于不同进程间的消息传递。 2 、文件权限 l i n u x 系统是一个典型的多用户系统，不同的用户处于不同的地位。为了 保护系统的安全性，l i n u x 系统对不同用户访问同一个文件的权限做了不同的 规定。 哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文 对于个l i n u x 系统中的文件来说，它的权限可以分为三种：读的权限、 写的权限和执行的权限，分别用r 、w 和x 表示。不同的用户具有不同的读、 写和执行的权限。 2 、l i n u x 的树型目录结构 l i n u x 系统以文件目录的方式来组织和管理系统中的所有文件，就是将所 有文件的说明信息采用树型结构组织起来。整个文件系统有一个“根” ( r o o t ) ，根在顶部，文件空间的各个目录和文件从树根向下分支，顶层的 “根”被称为根目录。 l i n u x 系统通过目录将系统中所有的文件分级、分层组织在一起，形成了 l i n u x 文件系统的这种树型层次结构：以根目录为起点，所有其他的目录都由 根目录派生而来【“j 。 在标准l i n u x 目录树中，根目录的第一级予目录是：b i n 、h o o t 、d e v 、 e t c 、h o m e 、l i b 、l o s t + f o u n d 、m n t 、p r o c 、r o o t 、s b i n 、t m p 、u s r 、v a t 等。 下面分别介绍这些主要的目录及其属下的文件。 1 ) b i n b i n 为b i n a r y 的简写，这个目录是系统中最主要的二进制可执行文件的存 放地，这些可执行文件大都是l i n u x 系统里最常用的命令，一般用户和超级用 户都会使用其下的命令。简单介绍b i n 下的一些可执行文件： c a t把文本文件的内容送到标准输出。 c h g r p c h m o d c h o w n 改变文件和目录的组，组可以用组名或者组识别号表示。 改变文件和目录的权限，权限可以用符号或者八进制表示。 改变文件和目录的所有权。 把文件从一个地方复制到另一个地方。 以特定的格式显示当前时间或者设置系统日期。 以可选块长度复制文件，还可以对文件进行一些转换。 显示磁盘空间的使用情况。 显示或者控制内核的启动信息。 显示一行文本。 设置或者显示当前主机的名字。 向指定的进程发出信号。 做文件之间的硬软( 符号) 连接。 实现一个新的对话( s e s s i o n ) 。 列出给出的文件或者目录名。 印础砸蛔池m岫k 哈尔滨工业大学工学硕j 。学位论文 m k d i r建立目录，使用给定的参数作为目录名。 m o r e分屏显示文件。 m o u n t把一个文件系统从一个设备挂载到一个目录。 m v 把文件或者目录移动到另外的目录或者将其改名。 口s显示当前进程的快照。 p w d显示当前工作目录。 r l n删除文件或者目录。 r m d i r删除目录( 目录必须为空) 。 s e d一个流编辑程序，在一个输入上进行基本的文本编辑操作。 s h 特制b o u r n e a g a i ns h e l l ，一种命令解释器。 s y n c 使磁盘和内存的数据同步。 u m o u n t卸载一个被挂载的文件系统。 u n a m e打印系统信息。 2 ) b o o t 这个目录包含了系统启动时的内核文件和其他的一些信息文件，这些都是 很重要的文件，所以这个目录不能任意删除。简单介绍b o o t 下的一些文件： i n i t d i m g 系统启动时最新载入的文件。 v m l i n u z内核的映像文件。 s y s t e m m a p 包含了内核的功能及其位置。 b o o t b o o t 0 3 0 0备份主引导记录m b r 。 b o o t b o o t b作为缺省的引导扇区。 b o o t c h a i n b用来引导非l i n u x 的操作系统。 b o o v c o n f i g - k e n e l v e r s i o n i内核的配置文件。 b o o t m a p包含内核的位置。 b o o t v m l i u z内核或内核的链接文件。 3 ) d e v 这个目录存放设备文件，用户可以经由核心来存取系统中的硬件设备。 l i n u x 系统把所有外设都看成文件，用户对外设的文件操作就是表示对该外设 的操作。简单介绍d e v 下的这些特殊文件： d e v f d *f d 0 、f d l 等几个软盘支持的驱动界面。 d e v h d * d e v s d * d e v c o n s o l e i d e 硬盘的驱动界面。 s c s i 磁盘的驱动界面。 系统的操作控制台。 哈尔滨工业夫学t 学颂十学位论文 d e v l p + d e v p s a u x d e v t t v + d e v t t y s * d e v u s b 4 ) e t c 并行接口，连接打印机、扫描仪等。 p s 2 鼠标接口。 用户的不同终端操作控制台的驱动界面。 串行接口，u y s o 即为c o m l ，t t y s l 即为c o m 2 。 通用串行接口。 这个目录是系统内部存放配置子文件的最主要的地方，一般和系统关系十 分密切的配置文件都放在该目录下，也就是说，对系统的配置主要就是对该目 录下的文件进行配置。在该目录下大多是文本文件。简单介绍e t c 下的这些配 置文件。 e t c x 11包含xw i n d o w s 系统所需要的所有配置文件。 e t c b a s h b a s h r cb a s hs h e l l 的系统级的功能与别名的配置文件。 e t c e x p o r t s 网络文件系统n f s 的设定文件。 e t c f s t a b开机时所需要挂载的文件系统的配置文件。 e t c r d +f t p 服务的相关配置文档。 e t c g r o u p 组的配置文件，可以便个用户拥有自己的组。 e t c h o s t n a m e设定当前主机的名字。 e t c h o s t c o n f设定网络的搜索顺序。 e t c h o s t s设定主机i p 即域名。 e t c h o s t a l l o w记载允许连接到你的主机的那些主机。 e t c h o s t d e n y 记载拒绝连接到你的主机的那些主机。 e t c h t t p da p a c h e 服务的配置文件， e t c i n e t d 。c o n f设定各种网络服务的监控。 e t c i n i t d保存启动描述文件，包括各种模块和服务的挂载描 述。 e t c l i l o c o n f l i n u x 引导装载器“l i l o ”( l i n u xl o a d e r ) 的配置文件。 5 ) h o m e 这个目录是系统默认的普通用户的主目录的根目录，即普通用户的主目录 设置为：h o m e u s e r i d l 目录。 6 ) l i b 这个目录存放系统运行时程序所需要用到的重要的共享库文件，没有该目 录系统就无法正常运行。简单介绍l i b 下的有关库文件： l i b m a c h i n e a r c h i t e c t u r e包含硬件平台结构所依赖的库文件。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 l i b m o d u l e s包含可装载的内核模块。 l i b m o d u l e s k e n e l v e r s i o n 所有内核模块的主目录。 l i b t o o d u l s e k e n e l v e r s i o n t m o d u l e s d e p 所有模块的依赖文件的列表。 7 ) l o s t + f o u n d 这个目录记录硬盘上的分区信息，当资料流失时做文件系统检查，寻找会 遗失的文件片断。它主要是系统有问题的时候存放文件的地方，正常情况下可 以不去理会。 8 ) m n t 这个目录是临时文件系统的挂载点，这个做法的主要目的是不打乱原束的 目录系统结构，否则临时文件系统安装在那里都是可以的，只要那个目录没有 被使用。 9 ) f p r o c 这个目录中的文件就是前面所介绍过的p r o c 文件系统，它是系统内核的 映像。浚目录中的文件存放在系统内存里面，不是存放在磁盘上的，不占用任 何磁盘空间。 1 4 ) r o o t 这个目录是超级用户r o o t 的默认主目录，对一般用户来说该目录是没有进 入权限的。 1 5 ) s b i n 这个目录和b i n 目录一样，主要是存放二进制可执行文件的地方，只不过 这罩的可执行文件主要是给超级用户管理系统时使用的，普通用户几乎没有权 限执行其中的程序。 1 6 ) t r a p 该目录是存放临时文件的。 1 7 ) u s r 这个目录经常是l i n u x 系统里面占用磁盘空间最大的目录，包含了所有系 统用户j 下常操作会用到的文件，比如可执行文件、文档、库及x w i n d o w s 系统 等。 1 8 ) v a r 这个目录中包含经常需要变化的或m 后会经常更新的文件，例如打印机、 邮件、新闻等假脱机目录、日志文集以及临时文件等等，同时也存放一些系统 的配最文件。 晴尔滨t 业大学工学硕士学位论文 2 3 嵌入式l i n u x 中多种文件系统的构建 l 、j f f s 2 文件系统 j f f s 2 是为在嵌入式系统中使用f l a s h 存储设备而专门设计的种f j 志文件 系统，作为一种日志结构的文件系统，它的文件由一长串节点组成，每个节点 包含文件的部分信息。出于j f f s 2 采用新的存储方式，支持损耗平衡，具有断 电保护功能，因而相对e x t 2 而言，j f f s 2 更适合于把f l a s h 作为存储设备的嵌入 式系统i j 4 j 。具有下面的优点 1 5 , 1 6 1 ： 1 ) 垃圾收集技术 j f f s 2 的垃圾收集技术的原理：当需要增添新内容时，就在节点链表的末 端添加新的节点、存储新的内容，若要修改文件的某部分，j f f s 2 将该部分标 记为废弃，并在节点链表末端添加修改后的内容。j f f s 2 如此不断地在f l a s h 上 添加新的内容，当f l a s h 上的存储空间用完时，系统就回收标记为废弃的空间， 该过程就称为垃圾收集。 2 1 平均磨损技术 平均磨损是让有寿命期限的存储设备女g f l a s h 的各个部分同时到达设计期 限。平均磨损技术的主旨是随机地将“干净”( 无需擦写) 的块的内容移至空闲 块后擦写该块，然后再写入新的数据。这里的“移动”时机一定要随机，不能 作为常规动作来实现。j f f s 并没有采用平均磨损技术，到了j f f s 2 才一使用此技 术。平均磨损技术的引入提高了f l a s h 的使用寿命期限。平均磨损技术以垃圾收 集技术为基础，通过一个巧妙的方法来使f l a s h 损耗达到平衡。j f f s 2 改变了 j f f s 没有块队列的状态，将f l a s h 各个块( b l o c k ) 分成三个队列：脏块队列 ( d i r t y l i s t ) 、干净块队y l ( c t e a n i i g t ) 以及空闲块队列。脏块是指该块上至少有一个 节点被标记为废弃( o b s o l e t e d ) ，干净块是指块上的数据皆有效。j f f s 2 正是利用 垃圾收集技术对干净块队列进行处理从而达到平均磨损f l a s h 的目的，这就是 为何称垃圾收集技术是平均磨损技术的基础的原因。 3 ) 断电保护技术 j f f s 2 是一个稳定性高、一致性强的文件系统，不论电源以何种方式在那 个时刻停止供电，j f f s 2 都能保持其完整性，即不需要为j f f s 2 配备像e x t 2 文件 系统拥有的那些文件系统检查应用程序。断电保护技术的实现依赖于j f f s 2 的 日志式存储结构。当系统遭受不正常断电后重新启动时，j f f s 2 自动将系统恢 复到断电前最后一个稳定状态。由于省去了启动时的检查工作，所以j f f s 2 的 n 尔滨t 业大学t 学硕十学位论文 启动速度相当快。 4 ) 数据压缩技术 j f f s 2 提供了j f f s 所没有的数据压缩技术。数据在存放至q f l a s h 之前会先被 压缩，这个过程是由j f f s 2 自动完成。因此，在使用j f f s 2 时无需自己对数据 进行压缩。各种类型的压缩算法皆可内嵌到系统中去，目f i 口j f f s 2 使用的是z l i b 算法。该算法比较适合a s c i i 文件，若压缩对象是二进制文件，压缩效果并不 明显。 j f f s 2 是建立在m t d ( m e m o r yt e c h n o l o g yd e v i c e ) 基础之上的文件系 统，m t d 使用于访问f l a s h 设备的驱动程序更加简单。m t d 在硬件和上层之 间提供了一个抽象的接口，m t d 可以理解为f l a s h 的设备驱动程序，其主要 向上提供两个接口，就可以象读写普通文件一样对f l a s h 设备进行读写操作。 经过简单的配置后，m t d 在系统启动以后可以自动识别支持c f i 或j e d e c 接口 的f l a