嵌入式Web服务器的设计及其CGI实现

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Send response Callback CGI funotions Parse Script Code
CGI functions/ XML generators
Server Script Engine
Read Read
CGI Environments
Create HTTP/XML Parser
第 28 卷 第 7 期 Vol. 28 No. 7
计算机工程与设计
Computer Engineering and Design
2007 年 4 月 Apr. 2007
嵌入式 Web 服务器的设计及其 CGI 实现
谢仕义， 徐 兵 (广东海洋大学 信息学院，广东 湛江 524088)
摘 要：由于嵌入式设备 的资源有限，RAM 和 ROM 都非常小 ，在 资源受限的情况 下实现 Web 服务功能是 非常困难的。 在分 析 HTTP1.1 的基 础上，讨论了嵌 入式 Web 服 务器的特点及设 计思想，提出了 一种简化的嵌入 式 Web 服务 器的软件结构。重点 描述 了嵌入式 Web 服务器中 CGI 的实 现方法。最后，结 合 C 语言 编程成功地实现 了 HTTP 连 接。 关键 词：嵌入式系统 ; 网络服务器; 通用网关接口; 超文本传输协 议; 回调函数 中图 法分类号：TP393.03 文献标识码：A 文章编号：1000-7024 (2007) 07-1598-03
Abstract：The resource of embedded device is limited, and the capacity of RAM and ROM is very small, so it is difficult to implement the web server function under the resource limited situation. Based on the analysis of HTTP1.1, the features of the embedded web server and its designing idea are given, and simplified software architecture for embedded web server is also introduced. The implement strategy of CGI for embedded web server is described in detail. Finally, the HTTP connection is successfully achieved with C language program. Key words：embedded system; web server; CGI; HTTP; callback function
……
HTTP Parser Socket
fork and parse
图 2 CGI 应用架构
Callback Callback Callback
CGI Function 1
CGI Function 2 …… CGI Function n ……
HTTP parser
图 3 回调 CGI 函数
3 CGI 实现
结 合 嵌 入 式 系 统 的 应 用 ，考 虑 到 我 们 没 有 必 要 处 理 大 量 的客 户请 求，也 没有 必要 去一 味追 求并 行处 理速 度，我 们需 要的 是设 计一 个基 于 Web 的管 理模 块 ，所以 减小 应用 程序 大小非常关键。本文中减小应用程序大小的具体作法是把 传统的 CGI 应用程序 和嵌入式 Web 服务器 模块整合在一起 ， 这样就能从根本上减小应用程序长度。在具体实现中是把 每个传统的 CGI 应用程序中的主函数(一般是 main 函数)都 转为 嵌入 式 Web 服务 器内 部的 一个 回 调函 数，并 由嵌 入式 Web 服 务器 在分 析 HTTP 请 求之 后，负责 回调 CGI 函 数。如 图 3 所示。
多任务 CGI 实现方法的好处是有较大的吞吐量，能并行
CGIs
CGI
Application 1
CGI Application 2
……
CGI Application n
stdin, stdout fork and pipe stdin, stdout stdin, stdout
HTTPD Send response
Design of embedded web server and its implementation of CGI
XIE Shi-yi, XU Bing (College of Information, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)
2.1 多 任 务 环 境 下 的实 现 方 法 在嵌入式 Web 服务器中，CGI 提供一个执行外部程序的
通 道 。这 种 服 务 端 技 术 使 得 浏 览 器 和 服 务 器 之 间 具 有 交 互 性 。 CGI 程序属于一个外部程序，需要编译成可执行文件，以便在 服务器端运行。其应用程序结构如图 2 所示，浏览器将用户 输入的数据送到 Web 服务器，Web 服务器将数据使用 stdin 送 给 CGI 程序。在执行 CGI 程序后，可能会访问存储数据的一 些文档，最后使用 stdout 输出 HTML 形式的结构文件，经 Web 服务器送回浏览器显示给用户。
1.2 软 件 架 构 本文提出的嵌入式 Web 服务器软件结构如图 1 所示，主
要功能模块说明如下： (1)Socket 层：HTTP 建立在运输层 TCP 之上，嵌入式 Web
服务器则建立在安全套接口之上； (2)HTTP/XML 解析：HTTP 请求报文分析模块，分析 HTTP
报文头部，支持 HTTPv1.1 版本、支持请求方法 GET 和 POST、 支持认证、支持 CGI。如果 HTTP Parser 发现 HTTP 报文中的 有 XML 消息，那么 HTTP Parser 将把这个报文交由 XML Parser 来处理；
处 理 多 个 请 求 。 但 这 种 作 法 也 有 它 的 不 利 之 处 ：① 系 统 开 销 大，Fork() 的调用势必造成系统开销大，特别是在嵌入式系统 中，这种开销还带来很多不稳定的因素；②由于 CGI 应用程序 是独立于嵌入式 Web 服务器的，而且 CGI 应用程序之间也是 相互独立的，这样在一些不支持 MMU(内存管理单元)的平台 下，每个 CGI 应用程序都使用静态连接库，这样 CGI 的大小将 大得很难控制。 2.2 回 调 CGI 函 数
针对上述问题，在分析 HTTP1.1 的基础上，结合嵌入式 Web 服务器的特点和要求，本文提出了嵌入式 Web 服务器实 现的主要目标如下：①实现简单文档传输，如 HTML 页面下载、 上载，图片下载、上传等；②支持动态输出页面；③支持表单处 理，支持 GET\POST 请求方法；④支持通过广域网和局域网端 口访问 Web 服务器；⑤支持 XML，使得在不升级软件的情况下 更新页面和业务逻辑成为可能；⑥支持页面和嵌入式 Web 服 务 器 分 离；⑦ 支 持 HTTP Basic Authentication 或 HTTP Digest Authentication；⑧支持 SSL/TLS；⑨支持多用户和事件日志。
(3)CGI 环境变量(CGI Environment)：操作系统提供了许多 环 境 变 量 ，它 们 定 义 了 程 序 的 执 行 环 境 ，应 用 程 序 可 以 存 取 它 们。嵌入式 Web 服务器和 CGI 接口又另外设置了自己的一些 环境变量，用来向 CGI 程序传递一些重要的参数。CGI 的 GET 方法还通过环境变量 Query-String 向 CGI 程序传递 Form 中的 数据。但我们这里的 CGI Environments 不是真正的环境变量， 嵌入式 Web 服务器仅仅是模拟环境变量向 CGI 传递一些重要 的信息，它是由 HTTP Parser 模块创建，所有 CGI 函数和脚本引 擎 模 块 将 读 此 环 境 变 量 ，并 根 据 这 些 变 量 做 出 相 对 应 的 操 作 ；
1 嵌入式 Web 服务器设计概述
1.1 设 计 目 标 由 于 嵌 入 式 设 备 的 资 源 有 限 ，一 般 来 说 嵌 入 式 系 统 都 没
有文件系统或者 TCP/IP 协议栈(网络设备一般都有 TCP/IP 协 议栈，但未必有文件系统)。RAM 和 ROM 都非常小，在资源 受限的情况下实现 Web 服务器功能是相当困难的。
0引言
在嵌入式设备中加入 HTTP 服务能将其转化成 Web Server，可以向 Internet 或内部网提供基于 Web 的图形化管理接 口 。 用 户 可 以 使 用 浏 览 器 作 为 接 口 来 访 问 嵌 入 式 设 备 ，这 样 不仅能使嵌入式设备的易用性大大提高，而且方便统一管理。
嵌入式 Web 服务器是实现嵌入式系统通过 Web 方式与 Internet 互联的关键组成部分，而 CGI 是用户与 Web 服务器交 互的一个重要途径。本文将重点讨论嵌入式 Web 服务器中 CGI 的实现策略，并给出实现 CGI 的主要接口和调用代码。
2 嵌入式 Web 服务器中 CGI 实现策略
3.1 CGI 环 境 变 量 CGI 环境变量是 CGI 的重要组成部分之一，嵌入式 Web
服务器和 CGI 接口都设置了自己的一些环境变量，用来向 CGI 程序传递一些重要的参数。CGI 环境变量是由图 1 中的 HTTP 解析模块创建，所有 CGI 函数和脚本引擎模块将读此环境变 量，并根据这些变量做出相对应的操作。在图 1 中 CGI Environment 模块需要定义一些全局变量作为环境变量，其定义和 注释如下：
File System
HTML paees CSSs JPGs BPMs JSs XMLs
etc
Send response Parse Http request Socket Layer/Secure Socket Layer
HTTPD
图 1 软件架构
的好处是：对于整个 Web 模块来说，可执行文件的长度大大减 小，执行速度大大提高，但这是以牺牲移植性和独立性为代价的。
extern char *cgiServerSoftware; /* Web server software */ extern char *cgiServerName; /* Web server software name */ extern char *cgiGatewayInterface; /* Gateway interface */ extern char *cgiServerProtocol; /* The protocol server used */ extern int cgiServerPort; /* The port server used */ extern char *cgiRequestMethod;/* Request method of client */ extern char *cgiPathInfo; /* CGI Script path information */ extern char *cgiPathTranslated; /* Path translated */ extern char *cgiScriptName; /* CGI script Name */ extern char *cgiQueryString; /* Query string from client */ extern char *cgiRemoteHost; /* client host */ extern char *cgiRemoteAddr; /* client address */ extern char *cgiAuthType; /* Authentication type */ extern char *cgiRemoteUsrer; /* Authentication user */ extern char *cgiRemoteIdent; /* Client Identity */
多任务环境下 CGI 实现主要通过多任务守护进程 HTTPD (如: Apache，uClinux-httpd 等) 来完成。HTTPD 首先接受分析 Web 浏览器的 HTTP 请求，然后 fork() 一个子进程去处理这个 请求。在刚 fork()出来的子进程中，将根据 URL 去调用相应的 CGI 程序。 在用子进程调用 CGI 程序之前，先创建子进程与 CGI 应用程序相互通信的输入输出管道和 CGI 环境，关闭 CGI 应 用 程 序 的 标 准 输 入 输 出 。并 把 刚 创 建 的 输 入 输 出 管 道 描 述 字转换到标准输入输出描述字，然后向 CGI 应用程序的输入 管道传送请求，这样 CGI 就能像操作标准输入输出那样读写 管道了。
(4)CGI 函数：在经典 CGI 实现中，通常一个 CGI 是一个不 依赖于嵌入式 Web 服务器的应用程序，而在这里 CGI 的实现 只是 HTTP 一个函数，并由 HTTP 解析模块负责回调，这样做
收稿日期：2006-06-15 E-mail：arbeng@126.com 作者简介：谢仕义 (1964－)，男，四川巴中人，硕士，副教授，高级工程师，研究方向为 Web 服务、GIS、数字交通等； 徐兵 (1979－)，男， 江苏南京人源自文库硕士，助理工程师，研究方向为 GIS、软件工程等。