引言

FTP（文件傳輸協(xié)議）是一種用于從網(wǎng)絡(luò)中一臺(tái)主機(jī)向另外一臺(tái)主機(jī)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(jì)算機(jī)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(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)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(biāo)是：促進(jìn)程序/數(shù)據(jù)文件的共享；鼓勵(lì)（通過(guò)程序）使用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)；使用戶不必面對(duì)不同主機(jī)上不同文件系統(tǒng)的差異；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效可靠的傳輸。本文在國(guó)產(chǎn)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的平臺(tái)上，在已有TCP協(xié)議支持的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)滿足RFC959要求的FTP服務(wù)器，功能支持對(duì)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(guò)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(yuǎn)端提供FTP服務(wù)的計(jì)算機(jī)稱為FTP服務(wù)器，與用戶的客戶端通過(guò)TCP進(jìn)行鏈接。FTP服務(wù)器通過(guò)2個(gè)并行的TCP鏈接來(lái)提供服務(wù)，一個(gè)是控制鏈接，一個(gè)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(dāng)一個(gè)文件在客戶端和服務(wù)器之間傳輸前，才進(jìn)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(jī)和服務(wù)器的鏈接建立及交互過(guò)程中，一般需要經(jīng)歷以下幾個(gè)步驟：

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

（2）當(dāng)FTP 客戶端發(fā)起FTP 會(huì)話嘗試鏈接服務(wù)器時(shí)，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(guò)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(gè)臨時(shí)的端口號(hào)，并通過(guò)控制鏈接將該端口號(hào)發(fā)送給服務(wù)器。

（4）當(dāng)需要進(jìn)入文件傳輸階段，客戶端和服務(wù)器通過(guò)“數(shù)據(jù)鏈接”來(lái)傳輸文件，通過(guò)“控制鏈接”來(lái)傳輸命令。

（5）當(dāng)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(shí)重新打開(kāi)，而控制鏈接在整個(gè)FTP會(huì)話期間一直處于打開(kāi)狀態(tài)。

2 FTP 服務(wù)器設(shè)計(jì)

選擇不同的服務(wù)器模式將會(huì)影響到整個(gè)設(shè)計(jì)和實(shí)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(jì)可以根據(jù)需要和平臺(tái)軟硬件的性能綜合考慮，選擇設(shè)計(jì)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(xì)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(jiǎn)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(gè)線程循環(huán)運(yùn)行，每次只能處理一個(gè)客戶端的請(qǐng)求，但是它的設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試和后續(xù)維護(hù)相對(duì)并發(fā)服務(wù)器都比較簡(jiǎn)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(gè)服務(wù)器線程預(yù)先為多個(gè)客戶端打開(kāi)TCP鏈接，當(dāng)有任意的客戶端請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，服務(wù)器線程由阻塞態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)來(lái)處理該客戶端請(qǐng)求并發(fā)送響應(yīng)，在此期間阻塞其他客戶端請(qǐng)求。完成一個(gè)客戶端請(qǐng)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(qǐng)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(kāi)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(jì)使用多個(gè)進(jìn)程及多個(gè)線程，服務(wù)器首先執(zhí)行一個(gè)主線程，在熟知的端口上打開(kāi)一個(gè)鏈接，等待客戶端消息，當(dāng)客戶端請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，主線程創(chuàng)建子線程來(lái)處理該客戶請(qǐng)求，此時(shí)主線程不與客戶端直接通信，而是由每個(gè)子線程并發(fā)地來(lái)與各自對(duì)應(yīng)的客戶端進(jìn)行通信。當(dāng)子線程完成客戶請(qǐng)求的響應(yīng)并發(fā)送給客戶端之后，子線程退出，而此時(shí)主線程一直在等待其他的客戶鏈接請(qǐng)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(chǎng)景、期望達(dá)到的性能以及方案實(shí)現(xiàn)的難易程度。

循環(huán)服務(wù)器的結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)但是需要客戶端等待來(lái)獲取服務(wù)，難以滿足多個(gè)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(fù)地在它打開(kāi)的鏈接上等待客戶端請(qǐng)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(shí)和多個(gè)客戶端進(jìn)行通信，由操作系統(tǒng)分配各個(gè)線程的處理器時(shí)間，比較適合FTP服務(wù)器的對(duì)每個(gè)客戶端一直存在控制鏈接和需要時(shí)建立數(shù)據(jù)鏈接的特點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)

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

系統(tǒng)上電操作系統(tǒng)運(yùn)行之后，ftpdInit函數(shù)在默認(rèn)的端口上創(chuàng)建一個(gè)FTP服務(wù)器控制鏈接，并且調(diào)用ftpd-Task創(chuàng)建一個(gè)FTP服務(wù)進(jìn)程來(lái)響應(yīng)多個(gè)用戶的請(qǐng)求。其中ftpdTask使用ftpdWorkTask為每個(gè)不同的用戶在各自需要時(shí)分別創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)進(jìn)程進(jìn)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(jìn)程分析每個(gè)客戶端請(qǐng)求命令，做出響應(yīng)并且回復(fù)給客戶端。函數(shù)的主體是一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，分析客戶端請(qǐng)求命令的功能由簡(jiǎn)單的strncmp函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果經(jīng)過(guò)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(wèn)控制命令、傳輸參數(shù)命令和服務(wù)命令。本課題設(shè)計(jì)的FTP服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)以下命令的響應(yīng)。

（1）訪問(wèn)控制命令。訪問(wèn)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(rèn)值，只有在默認(rèn)值需要改變的時(shí)候才需要命令去指定傳送數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)。默認(rèn)值是最后一次指定的值，如果未被指定，則是標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)值。這意味著服務(wù)器必須“記住”

當(dāng)前可用的默認(rèn)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(qǐng)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(cè)試

在完成設(shè)計(jì)、編碼及交叉編譯之后，對(duì)嵌入式FTP服務(wù)器在目標(biāo)機(jī)上的運(yùn)行的情況進(jìn)行功能和簡(jiǎn)單的性能測(cè)試。

4.1 功能測(cè)試

功能測(cè)試的目的是驗(yàn)證FTP服務(wù)器是否能夠正常處理協(xié)議所要求的功能，測(cè)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(kāi)發(fā)的專用FTP客戶端軟件。

4.2 性能測(cè)試

嵌入式FTP服務(wù)器運(yùn)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(chǔ)設(shè)備為大容量存儲(chǔ)器子卡，存儲(chǔ)容量為128 GB,讀/寫訪問(wèn)速度5 MB/s以上（裸盤）。測(cè)試結(jié)果表明使用Win-dows XP 平臺(tái)的客戶端軟件進(jìn)行下載速度可以達(dá)到800 KB/s以上，使用WindowsCE平臺(tái)的客戶端軟件進(jìn)行下載速度可以達(dá)到300 KB/s以上。

5 結(jié)語(yǔ)

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(diǎn)，根據(jù)課題項(xiàng)目需要，選擇多線程并發(fā)服務(wù)器的結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)的功能包括對(duì)RFC959標(biāo)準(zhǔn)定義的訪問(wèn)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(duì)該嵌入式FTP服務(wù)器的功能和性能進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明功能和性能符合期望標(biāo)準(zhǔn)。