摘 要： 介紹了一種嵌入式Web服務器應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)借鑒傳統(tǒng)服務器系統(tǒng)架構，基于B/S結構模式設計，移植嵌入式TCP/IP協議棧，利用CGI技術以實現客戶端和服務器端的動態(tài)數據交互。通過本研究可方便實現系統(tǒng)管理、遠程終端參數設置等實際應用。
關鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)；Web服務器；B/S結構模式； TCP/IP協議棧；CGI
信息技術、網絡技術以及嵌入式技術的飛速發(fā)展和融合，在嵌入式系統(tǒng)中內嵌TCP/IP協議，將Web服務器技術引入到嵌入式系統(tǒng)中，可使其系統(tǒng)與現今最大的網絡Internet實現無縫連接。嵌入式系統(tǒng)組成的三個基本要素[1]為：嵌入、專用性和計算機。根據嵌入式系統(tǒng)本身特性優(yōu)化設計，引入開源TCP/IP協議棧，并根據需要進行裁剪，利用公共網關接口(CGI)應用開發(fā)，嵌入式Web服務器可以向任何接入它所在網絡的合法用戶提供統(tǒng)一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面，提供特定交互功能。
1 嵌入式Web服務器的系統(tǒng)結構
基于當前大型服務器使用的信息管理系統(tǒng)架構方案(數據庫+Web服務器+動態(tài)網頁技術)，本文提出一種面向嵌入式、借助CGI網關接口開發(fā)的B/S結構模式Web服務器信息交互系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的兩層C/S模式相比，其有如下優(yōu)點：
(1)系統(tǒng)架構維護方便，可根據需要更新客戶端程序，不用像傳統(tǒng)的兩層C/S模式那樣，必須更新所有客戶端程序，使其保持一致，系統(tǒng)才可以運行管理。
(2)客戶機負載減輕，無須安裝客戶端軟件，統(tǒng)一的Internet瀏覽器方便了用戶的使用和服務端的應用開發(fā)，并提供了友好人機界面設計。
(3)系統(tǒng)安全保障提高，避免了客戶端與服務器的數據庫直接相連。
B/S模式組成部分為：表示層：Web瀏覽器，顯示邏輯部分，充當Client角色；功能層：Web服務器，事務處理邏輯部分；數據層：數據庫服務器，數據處理邏輯部分。功能層和數據層共同充當Server角色。B/S模式架構如圖1所示。
2 Microchip TCP／IP協議棧[2]
協議接口設計借助于Microchip公司提供的免費協議棧——Microchip TCP／IP協議棧，它是基于TCP/IP的一套應用程序，類似于TCP／IP參考模型，Microchip TCP／IP協議棧將TCP／IP協議棧分為多層，如圖2所示。每層的實現代碼駐留在一個獨立的源文件中，而服務和應用程序編程接口(API)是通過頭文件或包含文件定義的。與傳統(tǒng)TCP／IP協議棧實現方法的不同，Microchip TCP／IP協議棧添加了StackTask和ARPTask兩個新模塊。StackTask管理協議棧以及所有模塊的操作，而ARPTask管理地址解析協議ARP(Address ResohJtion Protocol)層的服務。
與完整、復雜的TCP/IP協議體系相比，在嵌入式Web服務器中并不需要實現所有的協議，而是基于嵌入式要素特點的要求以及嵌入式系統(tǒng)資源限制進行適量裁剪。來自客戶端的數據信息通過RJ-45以太網接口和網絡接口芯片傳遞給微控制器，微控制器通過內嵌的Microchip TCP/IP協議棧實現了地址解析(ARP)協議、Internet控制報文協議(ICMP)、IP協議、用戶數據報(UDP)等協議的解析和封包，應用層上負責Web頁面請求和應答的HTTP協議。本文設計的協議棧管理程序基于協議的層次性，具有模塊化思想。當接收到正確的以太網幀后，根據以太網的數據類型將接收的數據送至相應的模塊進行進一步處理。
3 CGI技術
由于傳統(tǒng)的Web服務器無法實現Web數據庫訪問功能，CGI技術充當了訪問數據庫的重要媒介。CGI是使用應用相關軟件增強Web服務器的一種標準方法，可以用任何語言書寫。CGI根據需求更新網頁，是一種公共網關接口。它通過客戶提供給Web服務器的各種信息，由Web服務器啟動指定CGI模塊函數，完成客戶端與服務器端動態(tài)的交互，從而實現靜態(tài)HTML網頁無法實現的功能(如表單查詢、數據庫查詢等)。通常CGI應用程序處于休眠狀態(tài)，通過使用一定的網絡事件觸發(fā)回調函數來實現，并顯示動態(tài)頁面。例如，Web服務器收到一個URL里面包含的網頁請求時，將執(zhí)行結果返回給HTML網頁，CGI可實現處理表格、數據庫查詢和電子郵件等操作。
3.1 CGI接口規(guī)范數據通信方式
CGI定義的接口規(guī)范包括[3]環(huán)境變量、標準輸入和標準輸出。
3.1.1 環(huán)境變量
環(huán)境變量是Web服務器與CGI程序進行數據傳遞的途徑，其定義了CGI程序運行的環(huán)境?？蛻舳撕头掌鞫硕紝⒂嘘P數據信息轉換成各種變量，CGI模塊函數從環(huán)境變量中提取服務器或是瀏覽器提供的參數信息(網絡設備參數)，以此獲取客戶端的信息。
3.1.2 標準輸入
標準輸入(STDIN)指CGI函數獲取Web服務器信息的一種規(guī)范，即使用HTML表單向Web服務器發(fā)送信息，通常CGI通過兩種調用方式獲取客戶請求[4]。
(1)通過URL直接調用，如http：//192.168.16.108。
(2)通過交互式Form調用，通常是用戶輸入信息主頁后，點擊“確認”按鈕后啟動CGI程序。提交數據有Get和 Post兩種模式：Get通過環(huán)境變量傳遞給CGI程序，Post通過環(huán)境變量和標準輸入傳遞給CGI程序。本文采取上述兩種方式調用CGI模塊函數，并通過交互式Form調用，采用Post提交數據方式，進行網絡參數設置。
3.1.3 標準輸出
標準輸出(STDOUT)是CGI輸出的一種方式，指CGI程序處理結束后將結果(如應答信息)發(fā)送給Web服務器的一種方式。執(zhí)行結果必須是瀏覽器能夠顯示的HTML標準格式。
3.2 CGI工作原理
通過使用一定的網絡事件觸發(fā)機制(如客戶機)向服務器發(fā)送HTTP請求，即調用CGI請求。CGI請求中的網絡參數等信息是以標簽指示的。當應用程序CGI模塊函數被調用時，初始化工作區(qū)，把客戶端請求從環(huán)境變量和標準輸入中取出，創(chuàng)建局部變量以匹配請求中的標簽。如果沒有從客戶端傳來參數信息，則調用用戶提供的函數以取得設備當前狀態(tài)，顯示給客戶端瀏覽器。此外，用戶可以通過網頁操作界面設置設備新的工作網絡參數并發(fā)給Web服務器。Web服務器利用CGI模塊函數提取網絡傳送來的新網絡參數，并利用應用程序設定設備新的狀態(tài)，同時回送給客戶端瀏覽器，通過客戶端瀏覽器和Web服務器交互對設備進行控制。作為嵌入式應用開發(fā)，面對對象環(huán)境要求，嵌入到對象體系中，按對象的要求對其軟件和硬件進行裁剪，就像標準的CGI作為獨立可執(zhí)行文件完成的功能，本文中的應用是作為一個CGI模塊函數嵌入到Web服務器內部，統(tǒng)一編譯后整體運行，作為用戶Web開發(fā)的接口。
3.3 CGI工作流程
CGI函數和服務器之間通過標準輸入(STDIN)和標準輸出(STDOUT)傳遞信息，如圖3所示。服務器通過STDOUT向CGI函數傳遞需求信息，CGI函數讀取環(huán)境變量和STDIN，根據流程將滿足條件的信息輸出給STDOUT。即對于Web服務器而言，STDOUT將信息流送至CGI函數的STDIN，CGI函數的STDOUT信息流將送至服務器的STDIN，從而形成一個環(huán)路。
4 Web服務器建立及工作過程
4.1 Web服務器建立
實現動態(tài)Web頁面的準備工作是利用HTML語言編寫Web頁及內建表單，依據Web網頁提交的信息項目，編寫對應的CGI模塊程序。
HTML 表單是一種把一組URL(如主機上的一個文件名)下的控件組成集合的方法，同時每個控件保持自己獨立的標識。該表單仿效可填寫的紙質表單，帶有文本區(qū)域和選擇框等。當用戶填完表單，即通過網頁形式設置設備的網絡參數后，用戶點擊保存按鈕，把它提交給服務器。在此過程中，服務器接收瀏覽器提取的表單信息，決定返回哪一個頁面[5]。
利用<Form></Form>標記將輸入域組合起來，說明表單的名稱、數據傳達的目的地點以及傳送方法等。
格式：<form method=METHOD action=”URL” name="FORM NAME">
如上所述，本文表單設計如下
…
<form method="post" action="serverset.htm" name="serverset">
…
采用POST方式進行數據提交。
4.2 Web服務器工作過程
客戶端利用IE瀏覽器登錄到服務器發(fā)出服務器請求，此處的服務器就是VOIP系統(tǒng)通話終端設備。服務器響應用戶請求，并引導到指定的腳本程序，即CGI模塊函數。處于安全的考慮，需要進行相應的身份驗證，身份驗證登錄界面如圖4所示。
身份驗證后，執(zhí)行CGI應用程序，進入終端網絡參數信息的設置主頁面，以達到通過網絡遠程控制嵌入式設備的目的，如圖5所示。
點擊左欄的網絡應用配置，進入到網絡應用配置頁面，HTML表單語言為：
~inc：header.inc~
<div id="content">
<h1>網絡應用配置 </h1>
<form method="post" action="serverset.htm" name="serverset">
<fieldset>
注冊服務器的語言為：
<div><label>IP地址：</label>
<input type="text" name="regip" value=
"~config_regserverip~" /></div>
…
注冊服務器IP地址以標簽(config_regserverip)指示，點擊保存按鈕后，服務器進行相應處理，此時，提取文本框中用戶的輸入信息“192.168.16.104.”替換標簽，即利用表單域中的值進行替換，以達到用戶遠程對設備參數的設置功能。所以<input type="text" name="regip" value="~config_regserverip~"/></div>變成了<input type="text" name="regip" value="192.168.16.104" /></div>。
然后利用自定義HTTPPrint_config_regserverip()函數直接定向到TCP連接，將用戶設置參數信息顯示在HTML表單頁面里。
case 0x00000034：
HTTPPrint_config_regserverip()；
break；
void HTTPPrint_config_regserverip(void)
{
TCPPutString(sktHTTP， NetConfig.ServerIP)；
return；
}
最終配置頁面如圖6所示，完成遠程配置任務。
終端參數控制只是B/S模式嵌入式Web遠程控制系統(tǒng)的一個簡單應用，借助于CGI技術實現了Web服務器和客戶端之間的動態(tài)交互，使得用戶能在網絡環(huán)境的多種平臺上充分利用統(tǒng)一的客戶工具——瀏覽器，從而為網絡化遠程操作提供了可靠保障。
本文設計的嵌入式Web服務器利用以太網作為通信介質，具有最大的普及范圍；采用標準公開化的HTTP通信協議，獨立于系統(tǒng)平臺，在客戶端使用任意與Internet互連的標準PC(標準瀏覽器)可以實現隨時隨地訪問。所使用的Web架構獨立于系統(tǒng)平臺，可以移植到任何嵌入式設備中，使得該Web服務器具有通用性。經實際測試證明，該Web服務器性能穩(wěn)定可靠，可應用在實時監(jiān)控、網絡電話等產品中。
參考文獻
[1] 田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用[M].北京：北京航天航空大學出版社，2005.
[2] Microchip Technology Inc. Microchip TCP/IP 協議棧[EB/OL].http：//ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00833c.pdf， 2008-08-21.
[3] 李勇.CGI技術在嵌入式WEB服務器中的應用和實現[J].網絡與通信，2008，24(30)：110-111.
[4] 何克右.用CGI方式進行網頁交互[J].交通與計算機，2000，18(1)：22-23.
[5] JEREMY B.嵌入式系統(tǒng)Web服務器—TCP/IP Lean[M].陳向群等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2003.