摘 要：在分析嵌入式Web服務器原理的基礎上，討論嵌入式操作系統(tǒng)的選擇和HTTP服務器的工作流程，針對嵌入式設備的特點對TCP/IP協(xié)議族進行裁剪，并依照裁剪后的協(xié)議，提出一種基于ARM-Linux操作系統(tǒng)的嵌入式Web服務器的設計方法，并給出相應的軟硬件設計。在32位微處理器PXA270的硬件平臺上結合嵌入式操作系統(tǒng)ARM-Linux實現一個高可靠、高效率、低功耗、低成本的嵌入式Web服務器。

關鍵詞：嵌入式Web服務器；TCP/IP協(xié)議；通用網關接口；ARM-Linux

中圖分類號：TP393文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)2010403

Design and Implementaion of Embedded Web Server Based on PXA270

CHEN Jianhua，YANG Ling

(Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China)

Abstract：Based on analysis of the principle of embedded Web server，the selection of embedded operating system and the working flow of HTTP are discussed，TCP/IP protocol stack is reduced according to the features of embedded equipment，a design method of embedded Web server based on ARM-Linux operating system and relevant software and hardware′s design are presented.Combining embedded ARM-Linux on the hardware kernel of the microprocessor PXA270 of 32 bits，an embedded Web server with high credibility and performance，low consuming and cost is realized.

Keywords：embedded Web Server;TCP/IP protocol;common gateway interface;ARM-Linux

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和Internet的普及，嵌入式系統(tǒng)接入網絡已經成為嵌入式系統(tǒng)應用的一個重要方向和必然結果，嵌入式Web服務器是嵌入式系統(tǒng)網絡化應用的重要方面。傳統(tǒng)的8位單片機由于其運行速度、驅動能力、功耗等問題已經越來越不能滿足用戶的需求。ARM處理器以其高性能、低功耗、豐富驅動等功能成為新的嵌入式電子產品開發(fā)的理想選擇。同時為了實現對系統(tǒng)資源的更好分配、復雜任務的更好調度，引入嵌入式操作系統(tǒng)。ARM-Linux具有很好的移植性、穩(wěn)定性、強大的協(xié)議支持功能和豐富的設備支持功能，現在被廣泛應用于嵌入式操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用基于INTEL Xscale 架構的嵌入式處理器PXA270與ARM-Linux相結合構建一個嵌入式Web服務器。

1 嵌入式Web服務器技術

1.1 嵌入式Web服務器體系結構

嵌入式Web服務器的體系結構^［1］如圖1所示。其中，客戶端和Web服務器之間的通信協(xié)議采用HTTP 1.1；嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)提供TCP/IP協(xié)議支持；Web服務器與數據庫服務器間的交互接口為CGI（Common Gateway Interface）。

1.2 嵌入式Web服務器工作流程

客戶端使用Web瀏覽器與Web服務器進行通信。Web服務器中使用HTTP協(xié)議，HTTP（超文本傳輸協(xié)議）為標準WWW傳輸協(xié)議，使用可靠的TCP連接，通常采用端口80。HTTP是一個簡單的協(xié)議，每次連接只完成一個請求?？蛻舳伺cWeb服務器交換數據之前，首先用TCP/IP建立連接，服務器端程序建立TCP類型SOCKET并在80端口進行監(jiān)聽，服務器在接收到用戶端的請求后，解析客戶請求的HTTP協(xié)議頭、分析客戶的請求，根據客戶的請求返回相應的數據。這些數據可來自靜態(tài)主頁和文件，也可以根據請求動態(tài)產生。由此可見，接收客戶端請求、解析客戶端請求、響應客戶端請求、向客戶端回送請求的結果是Web服務器所完成的主要任務。

2 模塊功能分析

系統(tǒng)分為客戶連接處理模塊、客戶請求處理模塊、協(xié)議處理模塊3個模塊。

2.1 客戶連接處理模塊功能

連接處理模塊^［2］如圖2所示。此模塊完成第一步客戶連接請求的處理，并將請求信息傳遞給客戶請求解析處理模塊去處理。

模塊工作流程如下：

（1） 打開文件描述字，建立文件描述符;

（2） 讀取連接信息、獲取客戶信息;

（3） 調用客戶請求解析模塊，關閉文件流。

2.2 客戶請求解析處理模塊功能

此模塊在連接模塊完成對客戶請求信息進行解析、處理。模塊工作流程如下：

（1） 對用戶信息進行解密；

（2） 查找用戶請求資源是否存在；

（3） 判斷用戶請求類型，選取不同的協(xié)議進行數據回傳。

2.3 協(xié)議處理模塊的功能

TCP/IP協(xié)議包括很多的協(xié)議，鑒于嵌入式Web服務器的應用場合和有限的資源，并不是所有的協(xié)議都需要實現，應根據系統(tǒng)的要求有選擇的加以實現。以太網數據的傳輸是采用MAC地址來識別。為了保證系統(tǒng)在以太網的正常通信，首先需要實現ARP協(xié)議，因為ARP協(xié)議提供IP地址到MAC地址的轉換功能。嵌入式Web服務器要實現在Internet上通信，在網絡層一定要實現IP協(xié)議，以及能報告數據傳送差錯等情況的ICMP協(xié)議，因為IP協(xié)議是面向無連接的，它無法將狀態(tài)信息和錯誤信息傳到最初的主機上，因此要通過網際控制報文協(xié)議(ICMP)實現。在傳輸層主要有TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，UDP協(xié)議是面向無連接的數據報文傳輸協(xié)議，而TCP協(xié)議則是面向可靠的數據流的傳輸。基于應用的需要和對可靠性的要求，在傳輸層采用TCP協(xié)議，并對TCP協(xié)議進行簡化處理。在應用層，遠端主機是通過瀏覽器的訪問控制方式讀取數據的，所以要實現HTTP協(xié)議。其他一些在Internet上應用較廣泛的協(xié)議(如FTP協(xié)議、SMTP協(xié)議等)在此無需實現。

協(xié)議處理模塊完成對連接信息進行分析，根據參數的不同，發(fā)送不同的HTTP協(xié)議頭信息，在Linux系統(tǒng)下建立通信雙方的服務程序可以使用套接字技術，常用的套接字有2種：流式套接字和數據報套接字。本系統(tǒng)為實現Web服務器功能采用的是流式套接字，流式套接字用法流程圖^［3］如圖3所示。

流式套接字提供了一種可靠的面向連接的數據傳輸方法，此方法對單個的數據報和對數據包都提供一種流式數據傳輸。流式套接字由socket函數調用來創(chuàng)建、而且調用時必須用bind函數為它分配一個地址。使用listen函數建立和客戶機的連接，該函數告訴套接字開始偵聽客戶機的連接請求。一旦將套接字設置成偵聽連接后，用accept函數來完成連接，如果連接成功，accept函數將返回一個新套接字的描述符，新套接字被用作以后處理的連接。一旦客戶機套接字和服務器套接字建立連接，雙方就可以通過send()和recv()函數來發(fā)送和接收數據。

3 硬件平臺與軟件設計

3.1 硬件開發(fā)平臺

基于PXA270的Web服務器硬件平臺為研興科技開發(fā)的EDK-270SL硬件系統(tǒng)，EDK-270SL是研興科技針對Intel PXA270 CPU推出的Linux開發(fā)平臺。PXA270嵌入式微處理器最高主頻可達624 MHz，加入了WirelessMMX技術，大大提升了多媒體處理能力，同時PXA270還引入PC機上的Intel SpeedStep動態(tài)電源管理技術，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降低移動設備的功耗。EDK-270SL由處理器核心板、主板及LCD三部分組成。EDK-270SL上還集成了下列部件：64 MB SDRAM、32 MB FLASH Memory、LAN91C113以太網接口、1個全功能串口，1個帶流控串口、1個紅外接口、1個CF接口、1個USB HOST、1個USB SLAVE、2個SSP接口等。因處理器的高性能、低成本、高效率等特點，廣泛應用于PDA、智能電器、儀器儀表、監(jiān)測控制等領域^［4］。

3.2 軟件設計

嵌入式Web服務器的軟件開發(fā)主要包括以下幾項內容：

（1） 嵌入式操作系統(tǒng)ARM-linux的移植。

ARM-Linux可移植性強，用戶通過重新進行配置、編譯內核可以使其內核文件小于500 kB。Linux是源碼公開的免費操作系統(tǒng)，所用版本支持MMU功能。ARM-Linux網絡支持功能強大，支持PPP，Ethernet等多種網絡連接方式，包括完整的TCP/IP協(xié)議棧及大量的其他協(xié)議^［5］。另外，由于ARM-Linux的開放性，新的網絡協(xié)議可以很容易地加入到內核中。移植過程如下：

① 安裝交叉編譯工具鏈。

由于嵌入式設備沒有足夠的內存以及存儲資源來完成編譯工作，于是就必須在主機上完成針目標機的代碼編譯生成，編譯后的代碼下載到目標機上運行^［6，7］。

② 編譯Linux內核需要的源碼樹：linux2.6.9-270SL1.tar.gz。

使用自動編譯腳本my編譯內核，生成可運行在嵌入式系統(tǒng)上的內核映像文件zImage。

③ 創(chuàng)建JFFS2根文件系統(tǒng)。

對于一個實際的嵌入式應用系統(tǒng)，僅包含Linux內核是不夠的，還必須有文件系統(tǒng)的支持。在嵌入式Linux內核啟動后，需要加載根文件系統(tǒng)，以支持系統(tǒng)與用戶交互。

(2) TCP/IP協(xié)議族的裁剪。

在TCP協(xié)議中采用“停止等待算法”代替“滑動窗口算法”。一方面是由于數據量小，對網絡擁塞不會產生太大影響，從而可以裁剪TCP的流量控制功能；另一方面是因為數據量小時，采用停止等待算法的傳輸效率和滑動窗口算法的效率差不多，因此采用簡單停止等待算法代替復雜的滑動窗口算法，不但降低了實現難度，提高了處理速度，同時取消了TCP發(fā)送緩存區(qū)和接收緩存區(qū)，從而減小了占用存儲空間。研究發(fā)現，如果TCP層的上層實現服務器端的應用，可以將標準TCP狀態(tài)機建立連接過程中客戶端建立連接的狀態(tài)機部分簡化掉，即將主動創(chuàng)建連接的SYN-SENT狀態(tài)，主動關閉連接的FIN-WAIT1，FIN-WAIT2，CL0SING，TIME-WAIT狀態(tài)。同理，如果應用是基于客戶端的，還可以將服務器建立連接的狀態(tài)機部分簡化。當處于監(jiān)聽狀態(tài)的服務器收到客戶端的請求時，發(fā)送“ACK+對方發(fā)過來的SYN數據”。當收到來自客戶端的一個僅含有ACK的空數據片后，雙方進入Established狀態(tài)建立連接，之后可以進行TCP數據通信。這樣既節(jié)省了系統(tǒng)開銷，同時也保證了所有的數據段都能安全正確地到達目的端^［8］。

(3) 編寫HTTP Web Server。

Linux下嵌入式Web服務器主要有3個：httpd，thttpd和Boa。系統(tǒng)以boa作為服務器。Boa是一個單任務的http服務器，源代碼開放、性能高。建立boa Web服務器的步驟如下：

① 下載boa源代碼boa-0.94.14r21.tar.gz。

Boa Web服務器的源代碼可以從http://www.boa.org下載，當前最新版本為0.94.14。

② 安裝并編譯boa源代碼。

首先將源碼文件進行解壓，修改Makefile文件，修改CC=gcc為CC= /usr/local/arm-linux/bin/arm-linux-gcc（//自己主機交叉編譯器的目錄），修改CPP=gcc-E為 CPP = /usr/local/arm-linux/bin/arm-linux-gcc-E，執(zhí)行make，即可在SRC下得到boa可執(zhí)行文件。

③ 配置boa Web服務器。

Boa啟動時將加載一個配置文件boa.conf，在boa程序運行前，必須對其進行修改。

④ 執(zhí)行Boa。

成功配置以后，創(chuàng)建日志文件所在目錄/var/log/boa，創(chuàng)建HTML文檔的主目錄/var/www，將靜態(tài)網頁存入該目錄下（將主機 /usr/share/doc/HTML/目錄下的index.html文件和img目錄復制到/var/www目錄下），創(chuàng)建CGI腳本所在錄/var/www/cgi-bin，將cgi的腳本存放在該目錄下，另外還要將mime.types文件復制/etc目錄下。在實際運行時，可以將index.html，index_Zcn.html文件、img目錄和mime.types文件放到CF卡目錄下，建立目錄后，拷貝至相應目錄^［9］。啟動ARM-Linux，在終端運行./boa，用網頁瀏覽器訪問，看到/usr/share/doc/HTML/目錄下的index.html網頁，嵌入式Web服務器移植成功。

(4) CGI程序設計

嵌入式Web服務器，其為用戶提供基于HTTP協(xié)議的網絡接入方式，再通過編寫適當的CGI程序來實現動態(tài)網頁的交互。

要使用CGI程序，一般使用HTML中的FORM結構:

內容

，其ACTION屬性指定相關的CGI程序，METHOD屬性指明提交數據的方法(POST或GET)；也可以在標簽的HREF屬性中調用CGI程序，結構如： START CGI ；還可以在的HTML標簽中調用CGI程序，如果把CGI程序的路徑當作SRC屬性的話，服務器就會去運行程序并把運行結果當成圖像的來源，結構如：。

4 結 語

嵌入式Web服務器是實現嵌入式系統(tǒng)通過Web方式與Intenet互聯的關鍵組成部分，直接影響網絡應用系統(tǒng)運行的質量與效率，對其進行研究對Intenet技術的發(fā)展有重要意義。本文提出一種基于ARM-Linux操作系統(tǒng)的嵌入式Web服務器的設計方法，并給出相應的軟硬件設計，并利用Socket編程和CGI程序完成整個Web服務器的設計。該嵌入式Web服務器具有成本低、開放性好、可移植性強等優(yōu)點，便于后期維護和升級。由于此設計的嵌入式Web服務器是一個單獨的模塊，提供的是標準接口，只要在軟件上作少許的修改就能很容易地應用到其他的嵌入式設備(如智能家電、現場節(jié)點等)中，具有一定的推廣價值。

參考文獻

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［9］李駒光，鄭耿，江澤明.嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)詳解——基于EP93xx系列ARM［M］.北京：清華大學出版社，2006.

作者簡介 陳建華 男，1982年出生，湖南永州人，碩士。研究方向為電路系統(tǒng)的EDA技術。