基于uIP與AJAX的動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)遠(yuǎn)程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集更新問題，將AJAX和CGI應(yīng)用到嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器與瀏覽器之間的動(dòng)態(tài)信息交互。本文首先分析了uIP協(xié)議棧，并在協(xié)議棧之上設(shè)計(jì)了Web服務(wù)器，然后利用CGI服務(wù)程序處理來自客戶端的XMLHttpRequest對(duì)象請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)Web功能?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，嵌入式Web服務(wù)器降低了服務(wù)器端的資源開銷，提高了響應(yīng)速度。
關(guān)鍵詞：uIP協(xié)議棧；AJAX技術(shù)；嵌入式Web服務(wù)器；通用網(wǎng)關(guān)接口

引言
    遠(yuǎn)程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程收集目標(biāo)信息并監(jiān)控目標(biāo)對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的嵌入式系統(tǒng)。遠(yuǎn)程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中嵌入式Web服務(wù)器的使用，可以使用戶通過瀏覽器訪問遠(yuǎn)端的嵌入式設(shè)備，這樣能夠大大提高系統(tǒng)的易用性和可維護(hù)性。目前，在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中普遍采用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方法是在網(wǎng)頁上嵌入Applet或ActiveX控件，但是這種方法不僅會(huì)威脅到客戶端的安全，還增加了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，從而限制了Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。為了滿足資源有限的嵌入式系統(tǒng)的需要，本文采用微型TCP／IP協(xié)議棧uIP，在協(xié)議棧之上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于CGI的動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器，并將AJAX技術(shù)應(yīng)用到客戶端與服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互中。AJAX技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是將JavaScript程序內(nèi)嵌在網(wǎng)頁中，不需要在瀏覽器上另外安裝插件，降低了系統(tǒng)成本和Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的難度。

1 uIP協(xié)議棧分析
    uIP是專為8／16位嵌入式微處理器設(shè)計(jì)的輕量級(jí)TCP／IP協(xié)議棧。uIP本身的源代碼和占用的內(nèi)存資源都非常少，其源代碼只有幾KB，RAM僅占幾百字節(jié)。uIP采用BSD授權(quán)，遵循RFC標(biāo)準(zhǔn)，完全由C語言編寫，具有良好的可移植性，可免費(fèi)用于非商業(yè)和商業(yè)用途。uIP協(xié)議棧有多個(gè)版本，本設(shè)計(jì)采用的是uIP 1．0。
    為了減少對(duì)系統(tǒng)資源的要求，uIP的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)主要采用以下設(shè)計(jì)措施：
    ①不支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配機(jī)制，使用單一的全局緩沖區(qū)uip_buf收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；
    ②著重實(shí)現(xiàn)了與完整TCP／IP通信所必需的ARP(地址解析協(xié)議)、IP(網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議)、TCP(傳輸控制協(xié)議)，而UDP(用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)、ICM P(網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議)只作為可選模塊；
    ③各層協(xié)議緊密耦合，應(yīng)用協(xié)議也參與了部分協(xié)議棧功能的實(shí)現(xiàn)。
    uIP的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，uIP協(xié)議棧處于網(wǎng)絡(luò)通信的中間層，用戶需要為uIP提供底層網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序和定時(shí)器驅(qū)動(dòng)程序。

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    而uIP為底層系統(tǒng)提供了4個(gè)接口函數(shù)：uip_init()完成協(xié)議棧的初始化；uip_input()用于處理從以太網(wǎng)接收到的IP數(shù)據(jù)包；uip_perio dic()用于協(xié)議內(nèi)核周期性地對(duì)各TCP連接的輪詢；uip_udp_periodic()則用于UDP服務(wù)下對(duì)各UDP連接的輪詢。其中，uip_input()和uip_per iodic()在協(xié)議的內(nèi)部采用同一個(gè)函數(shù)void uip_process(u8_t flag)實(shí)現(xiàn)，區(qū)別在于調(diào)用的參數(shù)不同。uIP主程序清晰地展示了各接口函數(shù)的調(diào)用方法，其主程序流程圖如圖2所示。

    uIP的各處理程序會(huì)調(diào)用UIP_APPCALL()進(jìn)行應(yīng)用程序處理，用戶需要將UIP_APPCALL宏定義為實(shí)際的應(yīng)用函數(shù)名，應(yīng)用程序就可以掛接到uIP中，而uip_flags是協(xié)議棧提供給應(yīng)用層查詢的狀態(tài)變量。

2 動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)
    在uIP中已經(jīng)提供了webserver的應(yīng)用實(shí)例，用戶可以參考它并根據(jù)自己的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)瀏覽器與服務(wù)器之間的交互性，本文采用了CGI動(dòng)態(tài)Web技術(shù)。CGI(Common Gateway Interface)是Web服務(wù)器與外部擴(kuò)展應(yīng)用程序交互的一種標(biāo)準(zhǔn)接口。目前，服務(wù)器端的動(dòng)態(tài)Web技術(shù)除CGI外，還有ASP、PHP、JSP等解決方案，但它們或者是針對(duì)某種語言的，或者是依賴于特定的操作系統(tǒng)或商業(yè)軟件，只有CGI技術(shù)適用于資源有限、編程語言受限的嵌入式Web服務(wù)器。設(shè)計(jì)的Web服務(wù)器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    在系統(tǒng)初始化后Web服務(wù)器開始監(jiān)聽80端口，一旦有客戶端請(qǐng)求連接，uIP就為其分配一個(gè)連接項(xiàng)。服務(wù)器在收到HTTP請(qǐng)求后，首先依據(jù)請(qǐng)求文件的類型來判斷該請(qǐng)求是動(dòng)態(tài)請(qǐng)求還是靜態(tài)請(qǐng)求，如果請(qǐng)求的是HTML類型的文件則為靜態(tài)請(qǐng)求；如果請(qǐng)求的是shtml類型的則為動(dòng)態(tài)請(qǐng)求。
    對(duì)于靜態(tài)請(qǐng)求，服務(wù)器會(huì)直接查詢其文件系統(tǒng)是否存在該網(wǎng)頁，如果存在就響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求；如果不存在就響應(yīng)404請(qǐng)求錯(cuò)誤網(wǎng)頁。為了減少存儲(chǔ)資源的使用，uIP沒有一般的文件系統(tǒng)，而是將所有靜態(tài)網(wǎng)頁存儲(chǔ)為常量數(shù)組，并將這些數(shù)組串聯(lián)成一個(gè)文件鏈表，采用輪詢的方式按照網(wǎng)頁名稱進(jìn)行查詢。[!--empirenews.page--]
    如果請(qǐng)求的是動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁，服務(wù)器會(huì)調(diào)用CGI服務(wù)程序，CGI程序首先會(huì)根據(jù)HTTP請(qǐng)求參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序，生成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，而后轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁，由服務(wù)器端發(fā)往客戶端。CGI程序的處理流程如圖4所示。

3 AJAX腳本
    AJAX技術(shù)與其他Web技術(shù)相比，主要有以下特點(diǎn)：
    ①把服務(wù)器的一部分工作轉(zhuǎn)移到客戶端，利用客戶端的處理能力，減輕了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)；
    ②主要依靠XMLHttpRequest對(duì)象實(shí)現(xiàn)異步通信機(jī)制，避免數(shù)據(jù)更新時(shí)整個(gè)網(wǎng)頁的刷新，降低了通信量，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬；
    ③適當(dāng)?shù)腁JAX技術(shù)應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn)。
    AJAX技術(shù)的以上特點(diǎn)非常適合在資源有限的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。瀏覽器解析AJAX腳本并運(yùn)行，而服務(wù)器則會(huì)將瀏覽器請(qǐng)求的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)流的方式發(fā)送到客戶端，其實(shí)際運(yùn)行時(shí)的通信數(shù)據(jù)如圖5所示。

    在筆者設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁中，異步交互部分的JavaScript代碼如下：
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結(jié)語
    筆者將本文的設(shè)計(jì)應(yīng)用到油井電機(jī)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)監(jiān)控過程運(yùn)行流暢、部署方便、復(fù)用度高。用戶的監(jiān)控頁面如圖6所示。

    本文在uIP協(xié)議棧上實(shí)現(xiàn)了基于AJAX和CGI的動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器，該方法實(shí)現(xiàn)的嵌入式Web服務(wù)器可以提供靜態(tài)信息的瀏覽，也可以通過AJAX技術(shù)異步訪問服務(wù)器上的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。AJAX的使用大大減少了服務(wù)器的開銷，節(jié)省CGI的處理時(shí)間?；?strong>AJAX和CGI技術(shù)的嵌入式Web服務(wù)器非常符合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中低成本、高可用性的要求，對(duì)于在中低端平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有較高的實(shí)用價(jià)值。