嵌入式WEB服務(wù)器BOA的應(yīng)用研究

朱嶸濤，徐愛鈞，肖榮華

（1.長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院信息系，荊州434020；2.長(zhǎng)江大學(xué)電信學(xué)院；3.中石油川慶測(cè)井公司）

引 言

隨著Internet技術(shù)的成熟和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。在嵌入式設(shè)備的管理與交互中，基于網(wǎng)絡(luò)方式的應(yīng)用開發(fā)是目前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的主流，這種應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)采用的是B／S結(jié)構(gòu)，即在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行一個(gè)支持腳本或具有CGI功能的WEB服務(wù)器，能夠生成動(dòng)態(tài)交互頁面。在遠(yuǎn)程監(jiān)控的過程中，通常會(huì)產(chǎn)生和處理很多的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，而對(duì)數(shù)據(jù)的存取一般采取兩種方式:一種是基于文件方式，另一種是基于數(shù)據(jù)庫方式。基于文件方式來存取數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)是顯而易見的，而基于數(shù)據(jù)庫方式的SQLite則可以通過事務(wù)進(jìn)行調(diào)度與并發(fā)控制，可有效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取、查詢等操作，從而提高系統(tǒng)的開發(fā)效率和系統(tǒng)的可移植性。

1 嵌入式WEB服務(wù)器的軟硬件設(shè)計(jì)［1］

嵌入式WEB服務(wù)器通過交換機(jī)或調(diào)制解調(diào)器與Internet連接，用戶只需通過瀏覽器訪問該遠(yuǎn)程服務(wù)器的IP地址，即可使用該服務(wù)器并實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的訪問。嵌入式WEB服務(wù)器的工作過程，如圖1所示。

圖1 嵌入式WEB服務(wù)器的工作過程

圖2為硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。嵌入式WEB服務(wù)器采用S3C2410作為整個(gè)系統(tǒng)的處理器。S3C2410是Samsung公司的一款基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設(shè)備以及高性價(jià)比、低功耗的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)控制部分選用CS8900A作為以太網(wǎng)控制器。Flash選用Samsung公司的容量為64MB的NAND Flash型K9F1208存儲(chǔ)器，SDRAM選用容量為64MB的HY57V561620AT存儲(chǔ)器。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序Bootloader、配置裁減過的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核和CRAMFS根文件系統(tǒng)。

2 嵌入式WEB服務(wù)器的構(gòu)建［2］

典型的嵌入式WEB服務(wù)器有BOA和THTTPD等。這里選用BOA作為嵌入式WEB服務(wù)器，BOA是一個(gè)非常小巧的WEB服務(wù)器，可執(zhí)行的代碼大約60KB。它是一個(gè)單任務(wù)的WEB服務(wù)器，只能一次完成用戶的請(qǐng)求，而不會(huì)創(chuàng)建（fork）出新的進(jìn)程來處理并發(fā)連接請(qǐng)求，但BOA支持CGI，并且能為CGI程序創(chuàng)建出一個(gè)新的進(jìn)程來執(zhí)行。BOA服務(wù)器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是速度快和安全性好，在其站點(diǎn)公布的性能測(cè)試中，BOA的性能要好于Apache服務(wù)器的性能。

嵌入式WEB服務(wù)器BOA和普通WEB服務(wù)器一樣，能夠完成接收客戶端請(qǐng)求、分析請(qǐng)求、響應(yīng)請(qǐng)求、向客戶端返回請(qǐng)求結(jié)果等任務(wù)。嵌入式WEB服務(wù)器工作原理如圖3所示。

圖3 嵌入式WEB服務(wù)器工作原理

嵌入式WEB服務(wù)器主要功能包括:

①完成WEB服務(wù)器的初始化工作，如建立TCP套接字、綁定端口、開始偵聽以及等待接收WEB瀏覽器的連接請(qǐng)求；

②當(dāng)有請(qǐng)求連接時(shí)，WEB服務(wù)器接收來自客戶端請(qǐng)求；

③接收到客戶端的連接請(qǐng)求之后，分析客戶端請(qǐng)求，解析出請(qǐng)求的方法、URL目標(biāo)、可選的查詢信息及表單信息，同時(shí)根據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行相應(yīng)的處理；

④WEB服務(wù)器完成相應(yīng)處理后，向WEB瀏覽器發(fā)送響應(yīng)信息；

⑤關(guān)閉與客戶端的連接。

嵌入式BOA服務(wù)器的構(gòu)建過程如下:

①從www.boa.org下載BOA源碼，BOA的版本為0.94.13。

②解壓。

＃tar－xzvfboa－0.94.13.tar.gz

③進(jìn)入源代碼目錄。

＃cdboa－0.94.13／src

④運(yùn)行configure文件，會(huì)生成Make－file文件。

＃.／configure

⑤修改Makefile文件，將

CC＝gcc，CPP＝gcc－E改成

CC＝arm－linux－gcc，CPP＝arm－linux－gcc－E

⑥進(jìn)行交叉編譯。

＃make

⑦去除調(diào)試信息，減小文件大小。

＃arm－linux－strip boa

3 SQLite在ARM平臺(tái)上的移植［3］

SQLite是由D.Richard Hipp用C語言開發(fā)的輕量級(jí)嵌入式數(shù)據(jù)庫，它是應(yīng)用最廣泛的嵌入式數(shù)據(jù)庫之一。SQLite的源代碼完全開放，可以免費(fèi)用于任何用途，包括商業(yè)目的。SQLite提供了對(duì)SQL92的大多數(shù)支持，如多表和索引、事務(wù)、視圖、觸發(fā)和一系列的用戶接口及驅(qū)動(dòng)。

SQLite的體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的各種操作都是按照此順序執(zhí)行的。頂層是標(biāo)記處理器（tokenize）和分析器（parser）。底部是經(jīng)過優(yōu)化的B樹，這樣有助于運(yùn)行在可調(diào)整頁面緩沖時(shí)將對(duì)磁盤的查找降到最低。再往下是頁面高速緩存，它作用在OS抽象層之上。該體系結(jié)構(gòu)的核心是虛擬數(shù)據(jù)引擎（VDBE），完成與數(shù)據(jù)相關(guān)的全部任務(wù)，并且是客戶和存儲(chǔ)之間信息交換的中間單元。當(dāng)SQL語句被分析后，虛擬數(shù)據(jù)庫引擎就開始工作。代碼生成器將分析樹翻譯成一個(gè)袖珍程序，隨后又被組合成虛擬機(jī)器語言表示的一系列指令。

圖4 SQLite的體系結(jié)構(gòu)

SQLite的主要接口函數(shù)有3個(gè)，分別是sqlite＿open（）、sqlite＿close（）和sqlite＿exec（）。其中，sqlite＿open（）用于打開一個(gè)SQLite數(shù)據(jù)庫，如果成功打開則返回?cái)?shù)據(jù)庫的句柄，否則返回FALSE；sqlite＿close（）用于關(guān)閉SQLite數(shù)據(jù)庫，無返回值；sqlite＿exec（）執(zhí)行相應(yīng)的SQL命令。

SQLite的移植過程如下:

①從www.sqlite.org下載sqlite－2.8.17.tar.gz源碼，并解壓。

②在文件sqlite.h中指定SQLITE＿PTR＿SZ的值為4，使B樹有正確的變量大小。

③修改配置文件configure，注釋掉＄cross＿compiling相關(guān)的代碼。

④配置以生成Makefile。

＃.／configure－－disable－tcl－－h(huán)ost＝arm－linux

⑤進(jìn)入Makefile文件，將BCC＝arm－linux－gcc－g－O2改成BCC＝gcc－g－O2。由于編譯生成的可執(zhí)行文件要在ARM開發(fā)板上運(yùn)行，為了方便，將后面指定生成的庫libsqlite.la改成libsqlite.a，即編譯成靜態(tài)鏈接的形式。

⑥使用＃make命令進(jìn)行編譯，以生成可執(zhí)行文件sqlite3。

⑦去除其中的調(diào)試信息，以減小文件的大小。

＃arm－linux－strip sqlite3

CGI（Common Gateway Interface，公共網(wǎng)關(guān)接口）定義了WEB服務(wù)器與外部擴(kuò)展程序（CGI程序）之間進(jìn)行交互的接口標(biāo)準(zhǔn)。在WEB環(huán)境下，客戶端瀏覽器將數(shù)據(jù)傳送給WEB服務(wù)器，WEB服務(wù)器通過調(diào)用CGI程序?qū)崿F(xiàn)和WEB瀏覽器的交互。也就是說，CGI程序負(fù)責(zé)接收來自客戶端的信息并進(jìn)行相應(yīng)的處理，將相應(yīng)的結(jié)果再發(fā)送給WEB瀏覽器。CGI程序主要是從環(huán)境變量中獲取相關(guān)信息并處理，最后的結(jié)果以HTML的格式輸出返回給瀏覽器。通過編寫不同的CGI外部擴(kuò)展程序，可以完成對(duì)WEB網(wǎng)頁中表單（Form）數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)庫的查詢及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，因此客戶端用戶通過CGI程序和嵌入式WEB服務(wù)器就可以完成對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的訪問。

嵌入式WEB服務(wù)器要訪問SQLite，CGI是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。CGI是外部擴(kuò)展應(yīng)用程序（例如用C語言編寫的C腳本語言）與WEB服務(wù)器交互的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。而CGI標(biāo)準(zhǔn)可簡(jiǎn)單概括為:CGI程序是通過標(biāo)準(zhǔn)輸入（STDIN）或環(huán)境變量來得到服務(wù)器的輸入信息，并通過標(biāo)準(zhǔn)輸出（STDOUT）向服務(wù)器輸出信息。按照CGI標(biāo)準(zhǔn)編寫的外部擴(kuò)展應(yīng)用程序可以處理WEB瀏覽器輸入的需要協(xié)同工作的數(shù)據(jù)，完成WEB瀏覽器與WEB服務(wù)器的交互操作。

在WEB環(huán)境下，瀏覽器與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，大多是通過HTML中的Form表單實(shí)現(xiàn)的。Form提供了兩種數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健狦ET與POST。GET方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)受URL長(zhǎng)度的限制，因此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，且在傳輸數(shù)據(jù)的過程中是不安全的，而POST方式則不存在上述的缺點(diǎn)，故選擇用POST來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。根據(jù)CGI規(guī)范，對(duì)于POST方式，在WEB服務(wù)器中需要根據(jù)表單提交的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，將其重定向?yàn)镃GI程序的標(biāo)準(zhǔn)輸入，這樣CGI程序就可以通過標(biāo)準(zhǔn)輸入來得到客戶端提交的數(shù)據(jù)。重定向是通過UNIX管道機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。

POST方式下CGI的工作原理如圖5所示。WEB服務(wù)器是WEB瀏覽器與CGI程序之間的通道。WEB服務(wù)器接收到CGI請(qǐng)求后，就創(chuàng)建出一個(gè)主進(jìn)程，同時(shí)也將接收到的數(shù)據(jù)傳遞給主進(jìn)程。主進(jìn)程為了讀取來自WEB服務(wù)器數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，fork出一個(gè)子進(jìn)程，創(chuàng)建出管道，并將管道的輸入端重定向?yàn)镃GI的標(biāo)準(zhǔn)輸入。子進(jìn)程通過管道將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度傳遞給CGI程序，CGI程序通過標(biāo)準(zhǔn)輸出將處理的結(jié)果發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器再將相應(yīng)信息傳遞給客戶端瀏覽器并顯示出來。

要實(shí)現(xiàn)嵌入式遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集，先要將嵌入式設(shè)備采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到服務(wù)器的SQLite數(shù)據(jù)庫上，然后通過編寫相應(yīng)的CGI程序來訪問SQLite數(shù)據(jù)庫。CGI程序必須滿足CGI規(guī)范，CGI程序使用C語言編寫，因此CGI程序可以調(diào)用SQLite提供的接口函數(shù)來訪問數(shù)據(jù)庫，同

圖5 POST方式下CGI的工作原理

樣要使用sqlite3＿open（）、sqlite3＿exec（）和sqlite3＿close（）這3個(gè)接口函數(shù)來操作數(shù)據(jù)庫。此外，如果想取回SQL語句訪問數(shù)據(jù)庫的結(jié)果，就要對(duì)每一個(gè)記錄執(zhí)行回調(diào)函數(shù)callback（）。

［1］王海龍，徐曉輝，等.基于嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010（5）.

［2］劉瓊，馬海波，姜薇.SQLite在嵌入式Web服務(wù)器中的應(yīng)用研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010（8）.

［3］俞輝，李永，等.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］歐文盛.嵌入式Linux應(yīng)用實(shí)例開發(fā)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2008.

［5］李艷軍.基于Linux的嵌入式Web服務(wù)器Thttpd的應(yīng)用研究與實(shí)現(xiàn)［J］.信息化研究，2010，36（2）.