嵌入式FTP服务器的设计与实现
时间：2010-06-08 23:44:42
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[导读]嵌入式FTP服务器的设计与实现
0 引言
随着嵌入式设备的不断发展，其对通信也提出了越来越高的要求。FTP(File Transfer Protocol)作为internet上最早提供的服务之一，至今仍然被人们广泛使用，FTP是实现文件传输服务的最主要的规范。当需要考虑到文件传输安全、传输质量、访问控制等诸多因素时，FTP服务器就成了解决文件传输问题的关键所在。
然而，有时嵌入式系统的开发环境并不支持FTP协议(如ADSP的集成开发环境Visual DSP++)，在这种情况下，利用已有的LWIP堆栈中的一些基础函数来构建一个FTP服务器，正是本文要详细探讨的话题。
1 文件传输过程
FTP协议与一般的Intemet协议不同。Intemet协议通常采用一个TCP连接来传送信息(如HTTP协议)；而FTP协议则采用两个TCP连接来实现文件的传输，其中一个用来为文件传输下命令，另一个则实现真正的传输过程。图1所示是FTP文件传输的原理图。
客户端想要获取存放在服务器上的文件时，应先通过一个预定义的端口号21主动与服务器建立连接，服务器收到请求后，通过3次握手，就可在进行FTP命令处理的用户协议解释器(PI)和服务器协议解释器之间建立一条TCP连接。该连接始终等待用户和服务器之间的通信，并传输用户输入的所有FTP命令和服务器的应答，即FTP传输中的命令连接。
当客户通过交互式用户界面向FTP服务器发出要下载服务器上某一文件的命令时，该命令即被送到用户协议解释器，并由用户协议解释器进行处理。FTP将在服务器端口号20上打开一个数据TCP连接。在数据连接上传送完本次请求需传送的文件之后，它将关闭数据连接，直到再有文件传送请求时再重新打开。因此，在FTP中，控制连接在整个用户会话期间一直打开着，而数据连接则是一条临时连接，当且仅当执行文件传输过程时才被创建。
FTP服务器的内部结构可根据不同的需求，选择不同的服务器模式。因为服务器模式决定着设计结构，而不同的设计结构又很大程度地影响着FTP服务器的性能。服务器的模式主要有循环服务器和并发服务器。
1.1 循环服务器
循环服务器只适应于最简单的应用协议，它采用客户轮流等待的工作方式。但它的设计、编程、调试和修改都比较简单，在其响应时间可以满足需求的条件下(这个时间可以在本地或全局网络中进行测试)，可以采用循环服务器模式。
1.2 并发服务器
如果构建一个响应需要大量的I／O操作，且各个请求所需要的处理时间差别非常大，或服务器在一台多处理器的计算机上运行，则可引入并发性方法来缩短响应时间。大多数并发服务器使用多个进程以及多个线程。其线程可分为两类：主服务器线程和从服务器线程。然而，在有些情况下，一些操作系统创建一个线程的开销很大，服务器无法承担为每个请求或每个连接都创建一个线程的重负时，可采用单线程的并发模式。
2 嵌入式FTP服务器的实现
图2所示是以ADSP-BF537为核心的嵌入式系统的硬件组成框图。图中，基于Blackfin处理器的ADSP--BF537具有接口丰富，性能优良，价格低廉等特点，并具有强大的多媒体数据处理能力。ADSP的集成开发环境Visual DSP++中嵌入了实时操作系统内核VDK，适合于多任务多线程的嵌入式操作。此外，ADI还提供了一个用于Blackfin系列嵌入式处理器的LwIP协议栈端口，利用它可以快速将一个独立的嵌入式应用联网。图2中的BF537可通过网络芯片LAN8187实现与上位机之间的网络通信，同时利用自身的PPI口实现与存储阵列的通信和管理。[!--empirenews.page--]
由于系统中的服务器和客户端在同一个局域网内，考虑到硬件芯片本身的特点，在文件下载时，与存储阵列的通信只能通过同一套PPI总线，因此，较好的方式是一次只接受一个用户的下载请求，于是可构建一个循环服务器来满足需求。
出于安全性考虑，服务器通常只接受用户名／密码的登录方式。登录时所需的用户名和密码存放在存储板中。每次收到用户请求信息后，先从存储板处获得已有的用户信息并比较，若与其中任何一个相符合，则发送接受请求信息，否则，回送拒绝信息。用户登陆成功后，服务器会响应它的各种操作。图3所示是FTP服务器的操作流程图。
当用户需要下载文件时，需先获取文件列表。文件列表存放于存储板中，可先由服务器向存储板发送回送文件列表的请求，在得到响应后。再通过网络回送给用户，由用户从中选择所需下载文件的文件名，并发送给服务器。服务器收到文件名后，先判断其所属的文件夹，再由此向对应存储板发送下载该文件的命令。存储板通过PPI向管理板回送信息(在此每包数据的大小为64KB)，管理板每缓存完十包数据后，将通过网络回送给用户。需要指出的是，一开始，在实际的下载过程中，有时文件会出现丢帧现象，而且跟网络状况有关。经过分析其原因是网络速度与PPI传输相比过慢而导致接收缓存溢出，从而引起下载过程中的数据丢失。于是，可采取流控的下载方式。事实上，存储板并不会一下将所有数据都连续地发送过来，而是每发送完十包以后，再等待控制板的确认包。控制板只有在将所有数据都通过网路发送完毕后，才给存储板发送确认包，以等待接收下一次的十包数据。以此循环，直至下载完成。其命令处理流程图如图4所示。
3 结束语
在嵌入式系统中，依靠通信技术可以创造出很多十分有用的产品，本文重点介绍了一个以DSP为核心所构建的嵌入式FTP服务器的实现方法。且经实际检验，运行状况良好。本方法对其它形式的嵌入式系统的FTP下载功能，也有很强的借鉴意义。
随着嵌入式设备的不断发展，其对通信也提出了越来越高的要求。FTP(File Transfer Protocol)作为internet上最早提供的服务之一，至今仍然被人们广泛使用，FTP是实现文件传输服务的最主要的规范。当需要考虑到文件传输安全、传输质量、访问控制等诸多因素时，FTP服务器就成了解决文件传输问题的关键所在。
然而，有时嵌入式系统的开发环境并不支持FTP协议(如ADSP的集成开发环境Visual DSP++)，在这种情况下，利用已有的LWIP堆栈中的一些基础函数来构建一个FTP服务器，正是本文要详细探讨的话题。
1 文件传输过程
FTP协议与一般的Intemet协议不同。Intemet协议通常采用一个TCP连接来传送信息(如HTTP协议)；而FTP协议则采用两个TCP连接来实现文件的传输，其中一个用来为文件传输下命令，另一个则实现真正的传输过程。图1所示是FTP文件传输的原理图。
客户端想要获取存放在服务器上的文件时，应先通过一个预定义的端口号21主动与服务器建立连接，服务器收到请求后，通过3次握手，就可在进行FTP命令处理的用户协议解释器(PI)和服务器协议解释器之间建立一条TCP连接。该连接始终等待用户和服务器之间的通信，并传输用户输入的所有FTP命令和服务器的应答，即FTP传输中的命令连接。
当客户通过交互式用户界面向FTP服务器发出要下载服务器上某一文件的命令时，该命令即被送到用户协议解释器，并由用户协议解释器进行处理。FTP将在服务器端口号20上打开一个数据TCP连接。在数据连接上传送完本次请求需传送的文件之后，它将关闭数据连接，直到再有文件传送请求时再重新打开。因此，在FTP中，控制连接在整个用户会话期间一直打开着，而数据连接则是一条临时连接，当且仅当执行文件传输过程时才被创建。
FTP服务器的内部结构可根据不同的需求，选择不同的服务器模式。因为服务器模式决定着设计结构，而不同的设计结构又很大程度地影响着FTP服务器的性能。服务器的模式主要有循环服务器和并发服务器。
1.1 循环服务器
循环服务器只适应于最简单的应用协议，它采用客户轮流等待的工作方式。但它的设计、编程、调试和修改都比较简单，在其响应时间可以满足需求的条件下(这个时间可以在本地或全局网络中进行测试)，可以采用循环服务器模式。
1.2 并发服务器
如果构建一个响应需要大量的I／O操作，且各个请求所需要的处理时间差别非常大，或服务器在一台多处理器的计算机上运行，则可引入并发性方法来缩短响应时间。大多数并发服务器使用多个进程以及多个线程。其线程可分为两类：主服务器线程和从服务器线程。然而，在有些情况下，一些操作系统创建一个线程的开销很大，服务器无法承担为每个请求或每个连接都创建一个线程的重负时，可采用单线程的并发模式。
2 嵌入式FTP服务器的实现
图2所示是以ADSP-BF537为核心的嵌入式系统的硬件组成框图。图中，基于Blackfin处理器的ADSP--BF537具有接口丰富，性能优良，价格低廉等特点，并具有强大的多媒体数据处理能力。ADSP的集成开发环境Visual DSP++中嵌入了实时操作系统内核VDK，适合于多任务多线程的嵌入式操作。此外，ADI还提供了一个用于Blackfin系列嵌入式处理器的LwIP协议栈端口，利用它可以快速将一个独立的嵌入式应用联网。图2中的BF537可通过网络芯片LAN8187实现与上位机之间的网络通信，同时利用自身的PPI口实现与存储阵列的通信和管理。[!--empirenews.page--]
由于系统中的服务器和客户端在同一个局域网内，考虑到硬件芯片本身的特点，在文件下载时，与存储阵列的通信只能通过同一套PPI总线，因此，较好的方式是一次只接受一个用户的下载请求，于是可构建一个循环服务器来满足需求。
出于安全性考虑，服务器通常只接受用户名／密码的登录方式。登录时所需的用户名和密码存放在存储板中。每次收到用户请求信息后，先从存储板处获得已有的用户信息并比较，若与其中任何一个相符合，则发送接受请求信息，否则，回送拒绝信息。用户登陆成功后，服务器会响应它的各种操作。图3所示是FTP服务器的操作流程图。
当用户需要下载文件时，需先获取文件列表。文件列表存放于存储板中，可先由服务器向存储板发送回送文件列表的请求，在得到响应后。再通过网络回送给用户，由用户从中选择所需下载文件的文件名，并发送给服务器。服务器收到文件名后，先判断其所属的文件夹，再由此向对应存储板发送下载该文件的命令。存储板通过PPI向管理板回送信息(在此每包数据的大小为64KB)，管理板每缓存完十包数据后，将通过网络回送给用户。需要指出的是，一开始，在实际的下载过程中，有时文件会出现丢帧现象，而且跟网络状况有关。经过分析其原因是网络速度与PPI传输相比过慢而导致接收缓存溢出，从而引起下载过程中的数据丢失。于是，可采取流控的下载方式。事实上，存储板并不会一下将所有数据都连续地发送过来，而是每发送完十包以后，再等待控制板的确认包。控制板只有在将所有数据都通过网路发送完毕后，才给存储板发送确认包，以等待接收下一次的十包数据。以此循环，直至下载完成。其命令处理流程图如图4所示。
3 结束语
在嵌入式系统中，依靠通信技术可以创造出很多十分有用的产品，本文重点介绍了一个以DSP为核心所构建的嵌入式FTP服务器的实现方法。且经实际检验，运行状况良好。本方法对其它形式的嵌入式系统的FTP下载功能，也有很强的借鉴意义。
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