摘  要： 隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,，以嵌入式設(shè)備為主的監(jiān)控系統(tǒng),、信息家電和通信設(shè)備被廣泛使用，嵌入式Web服務(wù)器則是其中關(guān)鍵的技術(shù)設(shè)備,。本文介紹了Web服務(wù)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,，并對系統(tǒng)中采用的關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)進(jìn)行了論述。
關(guān)鍵詞： 嵌入式,；Web服務(wù)器

　　Web應(yīng)用程序與傳統(tǒng)應(yīng)用程序相比,，具有許多特點和優(yōu)勢， 隨著Web應(yīng)用程序工具與技術(shù)的快速發(fā)展,，Web應(yīng)用程序的應(yīng)用也越來越廣泛,。同時，由于Internet技術(shù)的滲透,，嵌入式系統(tǒng)正變得越來越智能化并具有越來越多的網(wǎng)絡(luò)友好特性,，嵌入式Web服務(wù)器的應(yīng)用也越來越廣泛，它可以廣泛地用于各種監(jiān)控系統(tǒng),、信息家電及智能家居系統(tǒng),、通信設(shè)備等領(lǐng)域[1]。
1  嵌入式Web服務(wù)器結(jié)構(gòu)
　　嵌入式Web服務(wù)器應(yīng)有如下一些的設(shè)計目標(biāo)：
　　(1)借助HTTP協(xié)議統(tǒng)一并通用化設(shè)備或終端的訪問接口,。
　　(2)實現(xiàn)對HTTP 1.0和HTTP l.1的支持,，實現(xiàn)HTTP的部分方法(GET、POST,、HEAD等),，支持Basic、Digest加密的認(rèn)證,，支持服務(wù)器“推”技術(shù)等,。
　　(3)集成簡單的應(yīng)用服務(wù)器功能，便于應(yīng)用開發(fā)人員方便地構(gòu)建基于嵌入式Web服務(wù)器的應(yīng)用系統(tǒng),。
　　(4)支持多種協(xié)作接口,，嵌入式Web服務(wù)器應(yīng)該可以以各種接口方式與相應(yīng)的模塊進(jìn)行集成，這主要是通過動態(tài)庫來實現(xiàn),。
　　(5)支持多種傳輸方式,，嵌入式Web服務(wù)器需設(shè)計一個連接層，該層用來抽象各種具體的傳輸方式,，提供統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)的連接服務(wù),，Web服務(wù)器本身只依賴一個可靠的傳輸通道，并不限定是基于TCP的,。
　　根據(jù)以上嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計目標(biāo),，Web服務(wù)器的核心在于其HTTP引擎和分析引擎，前者主要負(fù)責(zé)HTTP協(xié)議請求和響應(yīng)消息處理，后者用于解析網(wǎng)頁中的嵌入式標(biāo)記,，以實現(xiàn)動態(tài)內(nèi)容支持,。圖1是基于嵌入Web服務(wù)器的應(yīng)用系統(tǒng)框架，圖中的瀏覽器是客戶端,，用戶接口庫是嵌入式Web服務(wù)器和設(shè)備的其他控制等部分的接口,，由應(yīng)用開發(fā)人員提供。虛線框中的是嵌入式Web服務(wù)器的框架結(jié)構(gòu),，該設(shè)計的基本思想來源于經(jīng)典的MVC(模型-視圖-控制)模型，這里把HTTP引擎和分析引擎作為控制器,，待分析網(wǎng)頁和靜態(tài)網(wǎng)頁是視圖,，而用戶接口庫則是作為模型，專注于業(yè)務(wù)邏輯,。利用控制器來分離模型和視圖,，實現(xiàn)模塊間松散耦合的效果，可以提高系統(tǒng)靈活性,、復(fù)用性和可維護(hù)性[2],。

1.1 HTTP引擎
　　 HTTP引擎主要負(fù)責(zé)對客戶訪問的過濾和權(quán)限檢查，HTTP請求和響應(yīng)消息的接收和發(fā)送,，會話(session)管理,，客戶認(rèn)證和授權(quán)，消息的封裝,、解析和消息安全性檢查,。
　　首先，HTTP引擎進(jìn)行初始化工作,，為該設(shè)備站點初始化相應(yīng)的配置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，如設(shè)置站點基本信息、建立用戶賬號,、初始化各目錄的訪問權(quán)限,、初始化嵌入式標(biāo)記的映射定義等。然后HTTP引擎接收請求連接,，提取訪問客戶的客戶端的信息(如IP等),，根據(jù)配置文件的站點過濾設(shè)置進(jìn)行篩選，如不允許,，則返回出錯頁面,，結(jié)束處理。
　　為了加強(qiáng)嵌入式應(yīng)用的安全管理,，嵌入式Web服務(wù)器默認(rèn)設(shè)置：假定任何訪問客戶均需提供用戶名和口令,，接著進(jìn)行客戶認(rèn)證，在客戶會話超時后的請求或初次發(fā)送請求時會要求輸入客戶的用戶名和密碼,，一般在瀏覽器被關(guān)閉前或會話超時前,，用戶再次訪問時不需再次提供,，除非他所請求的操作需要更高的權(quán)限?？蛻舻挠脩裘兔艽a是通過HTTP的401 Unauthorized響應(yīng)頭部來激發(fā)客戶端的瀏覽器提示用戶輸入的,。
  　　認(rèn)證通過后，HTTP引擎根據(jù)配置文件的定義給該客戶賦予相應(yīng)的角色和權(quán)限,，并設(shè)立客戶會話環(huán)境,，便于跟蹤客戶的訪問。
　　  當(dāng)1個HTTP請求被接收后,，進(jìn)入HTTP引擎的處理過程,。根據(jù)資源URI判斷，若客戶請求的是靜態(tài)網(wǎng)頁(網(wǎng)頁的后綴是htm或html),，那么HTTP引擎在靜態(tài)網(wǎng)頁集中查找,，加載到內(nèi)存，并按照HTTP的協(xié)議規(guī)范封裝響應(yīng)消息,，包括各頭部和協(xié)議實體(響應(yīng)的數(shù)據(jù)部分),。另外，若本網(wǎng)頁是采用服務(wù)器“推”技術(shù)的,，其頭部信息是不同的,，并與客戶端保持永久連接，此后不斷地刷新客戶端的顯示內(nèi)容,。HTTP引擎將封裝好的響應(yīng)消息返回給客戶端,，并刷新緩存。
1.2  分析引擎 
　　 分析引擎專注于待分析網(wǎng)頁的分析處理,，實現(xiàn)動態(tài)頁面,。其實現(xiàn)的傳統(tǒng)技術(shù)思路有以下兩種方法[3]：
　　  (1)采用傳統(tǒng)的CGI方式。該方式所需的資源開銷較大,，每當(dāng)用戶請求CGI腳本時,，嵌入式Web服務(wù)器必須初始化CGI的運行環(huán)境，導(dǎo)入有關(guān)參數(shù),，然后啟動其他的進(jìn)程來運行CGI代碼,，運行結(jié)束后，再釋放進(jìn)程的相關(guān)資源,，服務(wù)器需要承擔(dān)所有額外的負(fù)擔(dān),，而且和動態(tài)庫的接口也比較麻煩。
　　(2)使用PHP等腳本語言構(gòu)建類似主機(jī)系統(tǒng)的Web應(yīng)用服務(wù)器,。當(dāng)一個訪問客戶打開網(wǎng)頁時,，服務(wù)端便執(zhí)行PHP的命令，并將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送至訪問者的瀏覽器中。該方案與臺式機(jī)系統(tǒng)有最好的兼容性,，可以充分借鑒和使用臺式機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)有軟件和相關(guān)源代碼,。但是，該方案的實現(xiàn)需要很多資源,，需要構(gòu)建相關(guān)的PHP庫,，而PHP和嵌入式系統(tǒng)的接口比較困難，因為PHP的設(shè)計本身是作為一種服務(wù)器端的嵌入式HTML的腳本語言,，讓它直接和驅(qū)動級的動態(tài)庫等進(jìn)行鏈接,，實現(xiàn)較復(fù)雜，特別是不能很好地控制它們之間的交互,。而嵌入式系統(tǒng)最需要的是一種實現(xiàn)成本小,，而且比較簡單、易于使用,、具有相當(dāng)?shù)撵`活性和可控性，并且和動態(tài)庫有很好的配合機(jī)制,。
　　上述兩種方式還有一個共同的缺點,，就是實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的代碼經(jīng)常和網(wǎng)頁的布局代碼交叉在一起，嚴(yán)重影響程序的可讀性,、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性,。由于屬于不同層次的代碼混在一起，會使它們的代碼的相關(guān)性大大提高,，從而極不利于系統(tǒng)的維護(hù),。
　　鑒于上述問題，在嵌入式Web服務(wù)器中設(shè)計基于嵌入式標(biāo)記的HTML網(wǎng)頁分析引擎,。采用該方法設(shè)計的分析引擎的基本特點如下：
　　(1)視圖(頁面布局),、控制(分析引擎)、模型(接口庫)松耦合,。頁面布局和接口庫可以分別獨立地進(jìn)行設(shè)計和開發(fā),，前者專注于HTML頁面的布局和美化設(shè)計，后者則側(cè)重于和控制單元的交互,，而分析引擎主要是協(xié)調(diào)兩者的工作,。通過待分析網(wǎng)頁中的嵌入式標(biāo)記，關(guān)聯(lián)由應(yīng)用開發(fā)人員編寫動態(tài)庫中的某個函數(shù),，以此來動態(tài)生成網(wǎng)頁,。
　　(2)分析引擎中集成了若干應(yīng)用開發(fā)人員常用的基本功能，如用戶權(quán)限管理和口令認(rèn)證,、支持緩存機(jī)制,、多級客戶授權(quán)、一定的安全防范措施等。在此基礎(chǔ)上,，應(yīng)用開發(fā)人員可以只專注于業(yè)務(wù)邏輯的處理和調(diào)整相關(guān)配置,，就能構(gòu)建和靈活調(diào)整配置、功能豐富的基于嵌入式Web服務(wù)器的系統(tǒng),。
　　 分析引擎和HTTP引擎是通過共享HTTP請求和響應(yīng)隊列來通信的,。在分析引擎的每個運行周期中，進(jìn)行如下工作：查看HTTP請求隊列是否為空,，若有任務(wù)則進(jìn)行分析處理,，然后將結(jié)果掛入和HTTP引擎共享的響應(yīng)隊列。分析引擎是周期性運行的,，將其掛入運行隊列后,，即可處理下個周期的請求。如果循環(huán)1個周期而沒有任務(wù)或結(jié)果,，則進(jìn)入睡眠,。一般分析引擎是單線程，因為在它的運行過程中不大會出現(xiàn)阻塞,。此外,，作為嵌入式Web服務(wù)器，同時訪問量一般不大,，即使采用多線程也不大可能顯著地提高系統(tǒng)的性能,，而且多線程有更多的開銷。但某些應(yīng)用可能需要多線程來提高系統(tǒng)的性能,。
1.3  嵌入式標(biāo)記
　　嵌入式標(biāo)記的語法是任意連續(xù)的以空格結(jié)尾的數(shù)字或字符(除空格和圓括號)序列,，設(shè)計時采用易于書寫和記憶的簡短的字母數(shù)字序列。共有兩類嵌入式標(biāo)記在應(yīng)用開發(fā)人員設(shè)計的待分析網(wǎng)頁和靜態(tài)網(wǎng)頁時使用,。
　　 (1)參數(shù)替換標(biāo)記,。該類標(biāo)記用于將傳入的POST等請求的參數(shù)的值直接替換網(wǎng)頁中相應(yīng)的參數(shù)替換標(biāo)記。這類標(biāo)記既是HTTP請求的參數(shù),，又可能是結(jié)果替換標(biāo)記的參數(shù),。
　　 (2)結(jié)果替換標(biāo)記。該類標(biāo)記用于將其代表的代碼段執(zhí)行結(jié)果置換網(wǎng)頁中的相應(yīng)結(jié)果替換標(biāo)記,，在置換時可能要進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換,。例如，返回值是整型(int)4 000,，引擎會將其轉(zhuǎn)換成字符串“4 000”,，然后替換。
1.4  外部接口庫 
  　　外部接口庫是由應(yīng)用開發(fā)人員提供的用于進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理的動態(tài)庫中的某些函數(shù)構(gòu)成的,，這些函數(shù)(稱為外部函數(shù))遵循下面描述的規(guī)則：配置文件中的映射定義部分允許應(yīng)用開發(fā)人員靈活地將外部函數(shù)的運行特性和與待分析網(wǎng)頁中的結(jié)果替換標(biāo)記的進(jìn)程對應(yīng),。分析引擎通過收集的外部函數(shù)的參數(shù)信息和實參值,，加載指定的動態(tài)庫，搜索該外部函數(shù)的入口地址,，然后構(gòu)造實際的函數(shù)調(diào)用,，再采集其返回值，替換相應(yīng)標(biāo)記,，形成動態(tài)網(wǎng)頁,。
　　這種思路的基本實現(xiàn)技術(shù)是動態(tài)裝載。過程如下：分析引擎在第1次調(diào)用該動態(tài)庫中的函數(shù)時將其加載(dlopen)到運行進(jìn)程的地址空間,，在庫中查找(dlsym)函數(shù)的地址,，然后調(diào)用該函數(shù)，當(dāng)不再需要的時候,，卸載(dlclose)動態(tài)庫,。
　　在嵌入式Web服務(wù)器啟動時，準(zhǔn)備了另外的運行線程池,，專門用于運行應(yīng)用開發(fā)任務(wù)提供的函數(shù),，該線程受嵌入式Web服務(wù)器的分析引擎控制。之所以要在另外的線程中運行,，是為盡量避免外部函數(shù)代碼對本引擎的影響,，可以在出現(xiàn)異常時果斷地終止該運行線程，加上超時定時器,，能將外部函數(shù)帶來的風(fēng)險降低,。
　　 運行線程和分析引擎之間通過共享運行隊列和結(jié)果隊列來通信,。一旦分析引擎有執(zhí)行函數(shù)的需求時,，就封裝1個執(zhí)行結(jié)構(gòu)run_struct，它定義了某次HTTP請求所需執(zhí)行的所有函數(shù)及其參數(shù),、運行超時時間等信息,，然后將該run_struct掛入運行隊列。運行線程是定期訪問運行隊列的,，發(fā)現(xiàn)有任務(wù)時,，就加載相應(yīng)的共享庫，查找函數(shù)的入口地址,，并加以執(zhí)行,，等待其執(zhí)行結(jié)束，填充結(jié)果,，直到run_struct中的所有函數(shù)執(zhí)行完畢(若期間某函數(shù)執(zhí)行異常,，有可能導(dǎo)致提前結(jié)束)，最后將運行完成的run_struct從運行隊列上摘下,，掛入結(jié)果隊列等待分析引擎的訪問,。
　　運行線程是等待外部函數(shù)執(zhí)行完畢后,，再繼續(xù)執(zhí)行的。如果有多個HTTP請求等待處理,，而又只有1個運行線程時,，可能會有較大的延時，故可根據(jù)具體應(yīng)用的實際情況,，將運行線程的數(shù)量配置成多個,。但不可過多，因為線程本身也要占有一定的資源,，而線程切換同樣需要開銷,。
2  嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計
　　  嵌入式Web服務(wù)器與通用Web服務(wù)器比較，存在以下3個方面的差別[4]：
　　  (1)運行的目標(biāo)環(huán)境不一樣,。通用Web服務(wù)器一般運行在計算資源和內(nèi)存資源都比較豐富的臺式機(jī)上,，而嵌入式Web服務(wù)器運行的目標(biāo)系統(tǒng)大多是各類專用設(shè)備，資源比較缺乏,。
  　　(2)在各自系統(tǒng)中的作用不一樣,。通用Web服務(wù)器主要是利用Web服務(wù)器向用戶提供信息服務(wù)，而嵌入式Web服務(wù)器嵌入在設(shè)備中,，其主要作用是控制和配置設(shè)備,，但也向客戶提供設(shè)備的運行信息。
　　  (3)運行的優(yōu)先級不一樣,。嵌入式Web服務(wù)器作為一種監(jiān)控,、管理手段存在，它不能干擾設(shè)備主要任務(wù)的運行,。
　　  針對于上面嵌入式Web服務(wù)器與通用Web服務(wù)器的不同,，設(shè)計嵌入式Web服務(wù)器時考慮的性能指標(biāo)也不一樣。對于嵌入式Web服務(wù)器來說,，吞吐率并不需要很大,，而需要很快的系統(tǒng)響應(yīng)速度，因為嵌入式Web服務(wù)器面對的用戶是少量的設(shè)備管理人員,，實現(xiàn)的是監(jiān)控與管理功能,。一個好的Web服務(wù)器應(yīng)具備良好的可移植性、可裁剪性和與目標(biāo)設(shè)備良好的兼容性,。
　　嵌入式Web服務(wù)器中,，其Web引擎(HTTP引擎和分析引擎)是核心部分。嵌入式Web引擎的狀態(tài)圖如圖2所示,。

　　圖2中的管理應(yīng)用是嵌入式Web服務(wù)器與應(yīng)用設(shè)備的接口,。它用來實現(xiàn)獲取用戶所需的設(shè)備信息及執(zhí)行實際的管理設(shè)備功能，構(gòu)成監(jiān)控,、管理設(shè)備的用戶界面,。
　　 有時該用戶界面是靜態(tài)的,，但大部分是隨時間動態(tài)改變的。如客戶請求設(shè)備狀態(tài)參數(shù)時,，嵌入式Web服務(wù)器通過調(diào)用管理應(yīng)用程序獲得設(shè)備動態(tài)信息,，然后組織成動態(tài)Web頁面返回給客戶端；如用戶通過Web頁面發(fā)送1個控制命令字,，Web服務(wù)器也需通過調(diào)用管理應(yīng)用程序,，把該命令相關(guān)參數(shù)傳遞給實際執(zhí)行控制動作的管理程序并監(jiān)視其執(zhí)行，把執(zhí)行結(jié)果組織成Web頁面的形式返回給用戶,。在嵌入式Web服務(wù)器中實現(xiàn)應(yīng)用程序的接口技術(shù)有公共網(wǎng)關(guān)技術(shù)(CGI)和服務(wù)器端包含技術(shù)(SSI),。
　　  嵌入式系統(tǒng)中，Web服務(wù)器作為單獨的任務(wù)執(zhí)行,，任務(wù)的優(yōu)先級應(yīng)設(shè)置成較低的優(yōu)先級,，以避免對嵌入式系統(tǒng)主要功能造成干擾。嵌入式Web服務(wù)器的結(jié)構(gòu)包括核心部分和可裁剪的功能模塊部分,。核心部分包含HTTP請求分析引擎和模塊分析器,。HTTP請求分析引擎負(fù)責(zé)接收客戶端發(fā)送來的HTTP請求報文，獲得客戶端信息,，并把解析出的信息保存到請求結(jié)構(gòu)中,，后續(xù)處理模塊都從該結(jié)構(gòu)中獲得請求報文的相關(guān)信息；模塊分析器則是根據(jù)配置信息調(diào)度其他功能模塊,。模塊分配器執(zhí)行流程如圖3所示,。

　　RPM(Request Process Module)可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行裁剪，它分成兩種類型:系統(tǒng)PRM和用戶PRM,。一旦配置了系統(tǒng)PRM模塊,，則該PRM模塊對服務(wù)器接收到的所有請求都會進(jìn)行處理;用戶PRM模塊則根據(jù)進(jìn)一步的配置信息，只對某些特定的請求進(jìn)行處理,。
　　  針對嵌入式Web服務(wù)器采用以下措施可以提高系統(tǒng)性能:
　　  (1)減小Web服務(wù)器中請求的生命周期以縮短等待時間,。
　  　(2)在Web服務(wù)器中使用線程取代進(jìn)程來加強(qiáng)系統(tǒng)的并發(fā)性,。
　  　(3)采用瘦Web服務(wù)器,、胖客戶機(jī)的應(yīng)用模式以提升服務(wù)性能。
　  　隨著因特網(wǎng)的迅速發(fā)展,，需構(gòu)造嵌入式Web應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越多,，嵌入式Web服務(wù)器將會有很好的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 冀振燕.UML系統(tǒng)分析設(shè)計與應(yīng)用案例[M].北京:人民郵電出版社,，2003.
[2] CONALLEN J. Building Web applications with UML. Addison Wesley Longman,，2000.
[3] 陳偉，邱書波.蓄電池生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息,，2009(1-3).
[4] DOUGLASS B P.實時UML——開發(fā)嵌入式系統(tǒng)高效對象[M].尹浩瓊譯.北京:中國電力出版社,，2003.