嵌入式Web技术因其跨平台的特点得到了广泛的应用[1]。用户只需要登录浏览器即可实现对嵌入式设备状态的查看与控制。随着物联网技术的发展，网络地址的需求量剧增，未来IPv6将在嵌入式领域发挥巨大的作用[2]。然而，目前IPv4技术还无法完全被新的IPv6技术所取代，这使得现有的应用程序必须同时兼容IPv4地址与IPv6地址。如何在嵌入式Web服务器中同时使用IPv4地址和IPv6地址则成为了嵌入式领域中的一个重要问题[3]。本文从实际应用出发，设计了一个能够同时支持IPv4与IPv6双协议栈的嵌入式Web服务器。

　　基本原理

　　嵌入式Web服务器的基本原理是：用户在浏览器中输入嵌入式设备的IP地址，随后浏览器向嵌入式Web服务器发出HTTP请求，嵌入式Web服务器针对该请求作出HTTP响应，最后浏览器对响应的内容进行解析，以网页的形式呈现给用户。嵌入式Web服务器原理如图1所示。

　　HTTP请求和响应的报文是通过网络进行传输的。浏览器向Web服务器请求网页数据的具体流程如图2所示[4]。

　　浏览器和Web服务器之间是通过TCP协议进行通信的，TCP协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。Web服务器监听特定的网络端口，当浏览器向Web服务器发出请求时，两者之间通过TCP协议建立连接，然后传输HTTP请求报文和HTTP响应报文。Web服务器实际上也是一个TCP服务器，典型的TCP服务器的架构如图3所示。

　　针对现代农业物联网技术的应用需求，为了使系统中的嵌入式Web服务器在支持IPv4地址访问的基础上，还能支持IPv6地址的访问，本文按照图3所示的典型TCP服务器架构设计了一个同时支持IPv4地址与IPv6地址访问请求的嵌入式Web服务器，具体实现过程如下。

　　设计实现

　　为了进行浏览器与Web服务器之间的通信，首先就要建立网络连接，采用的方式为Socket通信。Socket又称为套接字，应用程序通常情况下通过套接字向网络发出请求或者应答网络请求[5]。Web服务器需要为每一个与其连接的客户端分配一个socket套接字，作为相互通信的基础。传统的IPv4网络服务器建立socket描述符的代码如下所示：

　　structsockaddr_inserver_addr；/*服务器端IP地址*/

　　structsockaddr_inclient_addr；/*客户端IP地址*/

　　sockfd=socket（AF_INET，SOCK_STREAM，0）；

　　bzero（&server_addr，sizeof（structsockaddr_in））；

　　server_addr.sin_family=AF_INET；

　　server_addr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）；

　　server_addr.sin_port=htons（80）；

　　上述代码中，第一行和第二行分别定义了服务器和客户端的套接字地址变量。第三行代码的作用为服务器端建立socket描述符，AF_INET表明服务器使用的是IPv4协议族，而SOCK_STREAM表明使用的是TCP协议。第四行代码是为了清空sockaddr_in结构体变量，为填充内容做好准备。第五行是为sockaddr_in结构体变量填入IPv4协议族。第六行填入INADDR_ANY表明该服务器可以接收任意IP地址的数据，即绑定到所有的IP地址。第七行是为sockaddr_in结构体变量填入80端口号，80端口号为Web服务器中的HTTO专用的端口号。

　　参照IPv4服务器建立socket描述符的过程，为了实现对IPv6地址的支持，对上述代码进行如下修改：

　　structsockaddr_in6server_addr；/*服务器端IP地址*/

　　structsockaddr_in6client_addr；/*客户端IP地址*/

　　server_socket=socket（PF_INET6，SOCK_STREAM，0））；

　　bzero（&server_addr，sizeof（structsockaddr_in6））；

　　server_addr.sin6_family=PF_INET6；

　　server_addr.sin6_addr=in6addr_any；

　　server_addr.sin6_port=htons（8080）；

　　新的Web服务器代码将sockaddr_in结构体更改为sockaddr_in6结构体，而sockaddr_in6结构体的成员如下所示：

　　structsockaddr_in6{

　　sa_family_tsin6_family；

　　in_port_tsin6_port；

　　structin6_addrsin6_addr；

　　……

　　}；

　　成员sin6_family表明所使用的地址协议族，PF_INET6表明使用的是IPv6协议族；sin6_addr为Web服务器监听的IP地址，将其设为in6addr_any是要接收任意IP地址发送的数据，即“INADDR_ANY”的IPv6版本；成员sin6_port则表明了Web服务器所使用的端口，使用8080端口而

　　不是80端口的原因是为了防止与嵌入式Linux设备上现有的Web服务器相冲突。用IPv6建立服务器端的话，即使客户端仍用IPv4的socket连接也可以正常通信，IPv4的地址会被转换成这种地址“：：ffff：IPv4地址”，即IPv4映射地址。

　　图4给出了浏览器向Web服务器发送的HTTP请求报文的格式，其中，URL是用户所需的资源。例如，当用户在浏览器地址栏输入“192.168.1.1：8080/index.html”时，HTTP请求报文的请求行为“GET/index.htmlHTTP/1.1”。从该行中即可得到用户所需的资源信息。设计的get_user_url（unsignedchar*url，unsignedchar*request）函数则可以获得浏览器所需的URL。随后，将根据该URL搜索相应的资源，并为组合HTTP响应报文做好准备。

　　Web服务器的主要工作就是组合HTTP响应报文，然后将其发送给请求网页的浏览器。HTTP响应报文的格式如图5所示。

　　HTTP请求报文和响应报文的头部字段主要有Content-Length、Content-Type等。为了实现HTTP响应报文的组合，本文设计了函数response_by_source（unsignedchar*source，intclient_socket）。该函数首先将构造HTTP响应头部，然后和HTTP响应报文的内容即用户请求的资源进行组合。函数代码如下所示：

　　strcpy（response_buf，“HTTP/1.0200OK\r\n”）；

　　get_mime_type（mime_type，source）；

　　strcat（response_buf，mime_type）；

　　sprintf（response_tmp，“Content-Length：%ld\r\n”，file_size）；

　　strcat（response_buf，response_tmp）；

　　strcat（response_buf，“\r\n”）；

　　第1行的作用为构造HTTP响应报文的状态行，向请求的服务器回应“HTTP/1.0200OK”，表明请求已成功，请求的响应头或数据体将随此响应返回。第2、3行的作用是为了构造头部字段Content-Type，函数get_mime_type（mime_type，source）的主要作用就是通过用户请求的URL得出请求资源的类型。第4行关键字Content-Length指的是用户请求的资源大小。第5行的作用是把HTTP响应报文头部内容填入数据发送缓冲区中，Web服务器将会把数据发送缓冲区中的内容发送至浏览器。第6行为数据发送缓冲区中的内容添加一个空行，因为HTTP响应报文的头部与内容要用一个换行符隔开。

　　报文头部Content-Type表明了HTTP响应报文的内容类型，浏览器将根据内容的类型来进行相应的处理。get_mime_type（unsignedchar*mime_type，unsignedchar*source）的代码如下所示：

　　/*功能：根据客户端的请求确定应答的MIME类型*/

　　voidget_mime_type（unsignedchar*mime_type，unsignedchar*source）

　　{

　　unsignedchar*pChar=NULL；/*字符指针*/

　　unsignedchartype[20]={0}；/*存放source字符串中的type信息*/

　　pChar=strrchr（source，‘.’）；/*寻找source中最后一个‘.’号

　　*/

　　strcpy（type，pChar）；

　　if（strncmp（type，“.html”，strlen（type））==0）

　　{

　　strcpy（mime_type，“Content-Type：text/html\r\n”）；

　　}

　　elseif（strncmp（type，“.jpg”，strlen（type））==0）

　　{

　　strcpy（mime_type，“Content-Type：image/jpeg\r\n”）；

　　}

　　elseif（strncmp（type，“.png”，strlen（type））==0）

　　{

　　strcpy（mime_type，“Content-Type：image/png\r\n”）；

　　}

　　return；

　　}

　　上述代码目前可以对html、jpg和png

　　格式的文件进行处理。如果需要对其他类型的文件进行处理，可以再进行适当修改。

　　Content-Length为HTTP响应报文中内容的长度，可以用如下代码进行计算：

　　fseek（fp，0L，SEEK_END）；

　　file_size=ftell（fp）；

　　fseek（fp，0L，SEEK_SET）；

　　计算响应报文内容长度的原理是将文件指针移到文件尾，然后计算出文件尾距离文件头的距离，即是文件的大小；计算结束后还原文件指针的位置。

　　在对HTTP响应报文的头部构造完成后，可以先将其进行发送，发送代码如下所示：

　　write（client_socket，response_buf，http_header_len）；

　　这样就可以把HTTP响应报文的头部发送给浏览器。接下来，就要对报文的内容进行发送。发送报文内容部分的代码对发送大文件进行了特殊的处理，首先从文件中读取一定数量的内容，然后将其发送至浏览器。循环往复，直到读到文件尾为止，最后对文件进行关闭操作。代码如下所示：

　　do{

　　unsignedinti=0；/*用于计数的变量*/

　　/*从文件中读取20000个数据项，每个数据项的大小为1个字

　　节，即读取20000字节的内容，返回实际读到的字节数*/

　　read_count=fread（response_content_buf，1，20000，fp）；

　　for（i=0；i

　　{

　　response_buf[i]=response_content_buf[i]；

　　}

　　/*分批发送HTTP应答报文中的内容*/

　　if（write（client_socket，response_buf，read_count）==-1）

　　{

　　fprintf（stderr，“WriteError：%s\n”，strerror（errno））；

　　exit（1）；

　　}

　　memset（response_buf，0，sizeof（response_buf））；

　　memset（response_content_buf，0，sizeof（response_content_buf））；

　　}while（read_count！=0）；fclose（fp）；

　　为了能对多个浏览器同时进行服务，该Web服务器还增加了多线程的机制。每当一个浏览器与之建立连接时，Web服务器会产生一个线程为其进行服务，确保了服务的实时性。多线程的代码如下所示：

　　pthread_ta_thread；

　　void*thread_result=NULL；

　　pthread_create（&a_thread，NULL，server_thread，（void

　　*）&client_socket）；/*创建服务器线程*/

　　整个Web服务器处理的流程如图6所示。

　　系统测试

　　在嵌入式Linux平台下，输入命令“ifconfig”，即可得到当前设备的IP地址，如图7所示。由图可见，该设备的IPv4地址为“192.168.1.106”，IPv6地址则为“fe80：：c23f：eff：fef4：394b”。

　　在嵌入式Linux设备中启动Web服务器程序，并在后台运行。在浏览器中输入Web服务器的IPv4地址，即使用IPv4地址访问Web服务器，如图8所示。得到Web服务器反馈的网页如图9所示。由图9可见，Web服务器能够输出HTML网页以及png格式的图片。在网页中输入Web服务器的IPv6地址，即用IPv6地址来访问Web服务器，如图10所示，得到如图11所示的Web服务器反馈网页。

　　同时使用其他浏览器访问Web服务器也会得到同样的响应结果，说明本文设计的Web服务器能够同时支持IPv4与IPv6地址进行访问。

　　本文完成了一个支持IPv4与IPv6地址同时进行访问的嵌入式Web服务器设计，但目前也仅仅实现了输出网页内容的功能，还无法对CGI脚本进行处理，并与用户进行交互。后续将不断完善系统功能，增加对CGI脚本进行处理的功能。

（南通大学电子信息学院 付康为 刘德靖 孙玲 施佺）