基于嵌入式的FTP服務(wù)器的設(shè)計、結(jié)構(gòu)與工作模式介紹

引言

FTP（文件傳輸協(xié)議）是一種用于從網(wǎng)絡(luò)中一臺主機向另外一臺主機傳輸文件的協(xié)議，屬于Internet上最早提供的應(yīng)用服務(wù)之一，通常將文件傳輸服務(wù)稱為FTP服務(wù)。FTP服務(wù)不受計算機類型及操作系統(tǒng)的限制，只要建立FTP鏈接的雙方都支持FTP協(xié)議，就可以方便地通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程文件的下載、上傳和刪除等操作。

根據(jù)RFC959描述，F(xiàn)TP的目標是：促進程序/數(shù)據(jù)文件的共享；鼓勵（通過程序）使用遠程計算機；使用戶不必面對不同主機上不同文件系統(tǒng)的差異；對數(shù)據(jù)進行高效可靠的傳輸。本文在國產(chǎn)嵌入式實時操作系統(tǒng)的平臺上，在已有TCP協(xié)議支持的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)滿足RFC959要求的FTP服務(wù)器，功能支持對FTP客戶端常用命令的正確響應(yīng)，性能滿足嵌入式環(huán)境的要求。

1 文件傳輸過程

1.1 FTP工作模式

FTP服務(wù)采用典型的客戶端/服務(wù)器工作模式，在網(wǎng)絡(luò)遠端提供FTP服務(wù)的計算機稱為FTP服務(wù)器，與用戶的客戶端通過TCP進行鏈接。FTP服務(wù)器通過2個并行的TCP鏈接來提供服務(wù)，一個是控制鏈接，一個是數(shù)據(jù)鏈接。控制鏈接始終等待客戶與服務(wù)器之間的通信，該鏈接將客戶命令從客戶端傳給服務(wù)器，并傳回服務(wù)器的應(yīng)答。數(shù)據(jù)鏈接則是每當一個文件在客戶端和服務(wù)器之間傳輸前，才進行創(chuàng)建，只用于數(shù)據(jù)傳輸目的。

客戶端與服務(wù)器及其連接情況如圖1所示。

1.2 FTP工作流程

在典型的FTP客戶機和服務(wù)器的鏈接建立及交互過程中，一般需要經(jīng)歷以下幾個步驟：

（1）在服務(wù)器端運行FTP服務(wù)器端程序，等待用戶發(fā)出鏈接請求，在客戶端運行FTP客戶端程序。

（2）當FTP 客戶端發(fā)起FTP 會話嘗試鏈接服務(wù)器時，客戶端首先發(fā)起建立與FTP服務(wù)器21端口之間的控制鏈接，通過該TCP鏈接發(fā)送用戶名和密碼給服務(wù)器端。

（3）客戶端為所在的數(shù)據(jù)鏈接選擇一個臨時的端口號，并通過控制鏈接將該端口號發(fā)送給服務(wù)器。

（4）當需要進入文件傳輸階段，客戶端和服務(wù)器通過“數(shù)據(jù)鏈接”來傳輸文件，通過“控制鏈接”來傳輸命令。

（5）當數(shù)據(jù)傳輸完畢后，關(guān)閉用于建立數(shù)據(jù)鏈接的端口，直到下次數(shù)據(jù)鏈接發(fā)起時重新打開，而控制鏈接在整個FTP會話期間一直處于打開狀態(tài)。

2 FTP 服務(wù)器設(shè)計

選擇不同的服務(wù)器模式將會影響到整個設(shè)計和實現(xiàn)階段，并且很大程度影響著服務(wù)器的性能。FTP服務(wù)器的內(nèi)部設(shè)計可以根據(jù)需要和平臺軟硬件的性能綜合考慮，選擇設(shè)計不同的服務(wù)器模式。

2.1 服務(wù)器結(jié)構(gòu)

服務(wù)器的結(jié)構(gòu)主要有循環(huán)服務(wù)器和并發(fā)服務(wù)器2種，其中并發(fā)服務(wù)器又可以細分為單線程并發(fā)服務(wù)器和多線程并發(fā)服務(wù)器。

2.1.1 循環(huán)服務(wù)器

循環(huán)服務(wù)器適用于簡單的應(yīng)用協(xié)議，與客戶端采用停止-等待的通信方式，使用單個線程循環(huán)運行，每次只能處理一個客戶端的請求，但是它的設(shè)計、編碼、調(diào)試和后續(xù)維護相對并發(fā)服務(wù)器都比較簡單。

2.1.2 單線程并發(fā)服務(wù)器

單線程并發(fā)服務(wù)器是由單個服務(wù)器線程預先為多個客戶端打開TCP鏈接，當有任意的客戶端請求到達時，服務(wù)器線程由阻塞態(tài)轉(zhuǎn)為運行態(tài)來處理該客戶端請求并發(fā)送響應(yīng)，在此期間阻塞其他客戶端請求。完成一個客戶端請求后，服務(wù)器線程再次阻塞以等待其他的任意客戶端的請求。單線程并發(fā)服務(wù)器適用于操作系統(tǒng)創(chuàng)建新的線程開銷很大的情況下。

2.1.3 多線程并發(fā)服務(wù)器

多線程并發(fā)服務(wù)器設(shè)計使用多個進程及多個線程，服務(wù)器首先執(zhí)行一個主線程，在熟知的端口上打開一個鏈接，等待客戶端消息，當客戶端請求到來時，主線程創(chuàng)建子線程來處理該客戶請求，此時主線程不與客戶端直接通信，而是由每個子線程并發(fā)地來與各自對應(yīng)的客戶端進行通信。當子線程完成客戶請求的響應(yīng)并發(fā)送給客戶端之后，子線程退出，而此時主線程一直在等待其他的客戶鏈接請求。

2.2 方案選擇

服務(wù)器結(jié)構(gòu)的方案選擇主要取決于服務(wù)器的應(yīng)用場景、期望達到的性能以及方案實現(xiàn)的難易程度。

循環(huán)服務(wù)器的結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)但是需要客戶端等待來獲取服務(wù)，難以滿足多個客戶的需求，服務(wù)器效率性能低下；單線程服務(wù)器結(jié)構(gòu)需要服務(wù)器線程反復地在它打開的鏈接上等待客戶端請求，需要每次循環(huán)地檢查網(wǎng)絡(luò)鏈接狀況和文件系統(tǒng)處理文件的狀態(tài)，查詢完成后才能夠刷新數(shù)據(jù)顯示，因此造成不必要的延遲；多線程并發(fā)服務(wù)器同時和多個客戶端進行通信，由操作系統(tǒng)分配各個線程的處理器時間，比較適合FTP服務(wù)器的對每個客戶端一直存在控制鏈接和需要時建立數(shù)據(jù)鏈接的特點。綜合上述分析，本課題中FTP服務(wù)器采用多線程并發(fā)服務(wù)器結(jié)構(gòu)的方案是比較合理的。

3 FTP 服務(wù)器實現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)計方案的描述，本課題中FTP服務(wù)器的程序架構(gòu)進行如下設(shè)計：

系統(tǒng)上電操作系統(tǒng)運行之后，ftpdInit函數(shù)在默認的端口上創(chuàng)建一個FTP服務(wù)器控制鏈接，并且調(diào)用ftpd-Task創(chuàng)建一個FTP服務(wù)進程來響應(yīng)多個用戶的請求。其中ftpdTask使用ftpdWorkTask為每個不同的用戶在各自需要時分別創(chuàng)建一個服務(wù)進程進行響應(yīng)，如圖2所示。

ftpdWorkTask 完成FTP 服務(wù)器的主要協(xié)議處理功能，該進程分析每個客戶端請求命令，做出響應(yīng)并且回復給客戶端。函數(shù)的主體是一個循環(huán)結(jié)構(gòu)，分析客戶端請求命令的功能由簡單的strncmp函數(shù)來實現(xiàn)，如果經(jīng)過分析之后命令符合有效命令的格式，ftpdWorkTask將調(diào)用響應(yīng)的處理函數(shù)并且將處理結(jié)果返回給客戶端。

根據(jù)RFC959,FTP服務(wù)器需要響應(yīng)的命令分為訪問控制命令、傳輸參數(shù)命令和服務(wù)命令。本課題設(shè)計的FTP服務(wù)器實現(xiàn)了對以下命令的響應(yīng)。

（1）訪問控制命令。訪問控制命令如表1所示。

（2）傳輸參數(shù)命令。所有的數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)都有默認值，只有在默認值需要改變的時候才需要命令去指定傳送數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)。默認值是最后一次指定的值，如果未被指定，則是標準默認值。這意味著服務(wù)器必須“記住”

當前可用的默認值，如表2所示。

（3）FTP服務(wù)命令。FTP服務(wù)命令定義了用戶請求傳送文件或者文件系統(tǒng)的功能，如表3所示。

4 功能及性能測試

在完成設(shè)計、編碼及交叉編譯之后，對嵌入式FTP服務(wù)器在目標機上的運行的情況進行功能和簡單的性能測試。

4.1 功能測試

功能測試的目的是驗證FTP服務(wù)器是否能夠正常處理協(xié)議所要求的功能，測試工具為FTP客戶端軟件包括WindowsXP 命令行中的FTP 命令，F(xiàn)lashFXP 以及在WindowsCE操作系統(tǒng)下開發(fā)的專用FTP客戶端軟件。

4.2 性能測試

嵌入式FTP服務(wù)器運行在MPC755處理器子卡上，處理器為PowerPC755,處理器工作頻率為266 MHz,局部總線頻率為66 MHz,1路10M/100M以太網(wǎng)接口。存儲設(shè)備為大容量存儲器子卡，存儲容量為128 GB,讀/寫訪問速度5 MB/s以上（裸盤）。測試結(jié)果表明使用Win-dows XP 平臺的客戶端軟件進行下載速度可以達到800 KB/s以上，使用WindowsCE平臺的客戶端軟件進行下載速度可以達到300 KB/s以上。

5 結(jié)語

本文介紹了FTP協(xié)議的工作模式和工作流程，介紹了FTP服務(wù)器的典型結(jié)構(gòu)，即循環(huán)服務(wù)器、單線程并發(fā)服務(wù)器和多線程并發(fā)服務(wù)器，并且分析了這三種FTP服務(wù)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，根據(jù)課題項目需要，選擇多線程并發(fā)服務(wù)器的結(jié)構(gòu)為設(shè)計方案進行詳細設(shè)計。實現(xiàn)的功能包括對RFC959標準定義的訪問控制命令、傳輸參數(shù)命令和FTP服務(wù)命令在內(nèi)的常用命令的處理和響應(yīng)。

最后對該嵌入式FTP服務(wù)器的功能和性能進行簡單的測試，測試結(jié)果表明功能和性能符合期望標準。