基于μClinux下Boa的CGI技術實現

引 言

隨著企業安全意識的增強以及現代化管理水平的提高，對設備的遠程監控在工業控制系統中得到了越來越廣泛的應用。近年來，Web技術廣泛普及，把Web技術應用在這種監控系統中，可以讓操作者通過瀏覽器維護和管理監測點，查看監測數據。同時，監測中心的服務程序也可以很方便地通過Web把監測數據取回來，進行進一步的處理，十分方便。

μCLinux是應用于微控制領域的一種嵌入式Linux操作系統，它源碼開放，移植性好，支持多種硬件平臺和幾乎所有常見網絡通信協議，支持文件系統豐富，是一個功能完整的嵌入式操作系統。并且有大量優秀的開放源代碼的應用軟件和開發工具可用，因此，采用μClinux作為操作平臺，使用Web技術進行遠程在線監測系統的開發。

1 嵌入式Web服務器

為了能夠通過Web來維護和管理遠程在線監控系統，必須選擇一個恰當的Web服務器，不但要求所選擇的Web服務器支持動態Web技術，也要求它能夠在嵌入式系統中穩定地工作。

1.1 Web服務器原理和功能

嵌入式Web服務器以TCP/IP協議棧為基礎構建，需要實現HTTP，TCP和UDP等協議。任何一個客戶機，都可以通過HTTP協議與嵌入式Web Server建立連接。嵌入式Web服務器在Web瀏覽器和設備之間提供了統一的GUI接口，使得客戶端可以像在本地一樣透明地監控管理設備狀況。

嵌入式Web服務器的主要功能有：響應多個客戶的實時HTTP請求，并為每個客戶建立連接，這是嵌入式Web服務器的首要功能;對設備的實時監控管理，參數的在線查看與配置等;對設備訪問的安全控制機制，包括SSL、用戶口令等;實現設備的故障智能報警。

1.2 Boa的特點

在μClinux中常用的Web服務器有：Boa，thttpd，httpd，其中httpd只支持靜態頁面，顯然不適合高級應用，thttpd和Boa所提供的功能基本一樣，但是thttpd在運行過程中所需要的資源要遠大于Boa，因此使用Boa作為該嵌入式系統的Web服務器。系統的軟件開發模型選用B/S模型。

Boa是一個高性能的單任務型Web服務器，可以運行在幾乎所有的類Unix的平臺上，Boa支持認證，支持CGI，功能比較全，占用資源也少，非常適合于用在資源有限的嵌入式系統中，目前Boa已經以源碼的形式包含在μClinux的發行包中。

2 Boa源碼分析

在此通過以下對Boa的源代碼進行簡單的分析，來提出解決避免惡意攻擊的安全解決方案。

2.1 Boa工作流程

圖1是Boa工作流程圖。Boa從新到達的套接字獲得HTTP請求(由一個requeST結構來存儲)，并將其保存在隊列當中。首先，get_request()將從套接字獲得的數據全部保存在request→header_line中，然后調用process_request()來處理在隊列中的每一個請求。根據request結構中status所表示的不同狀態，將進行不同的處理。如果這個請求符合HTTP協議，則會調用process_option_Iine()將一些頭部信息填寫到request結構中完成這些環境變量的設置，隨后process_header_end()會對用戶進行驗證。如果驗證通過則判斷request結構中的is_cgi，非0則是CGI程序，調用init_cgi()函數進行處理，為0則是靜態頁面，調用init_get()函數進行處理。

2.2 init_get函數工作流程

圖2為處理靜態頁面請求的init_get()函數的基本工作流程。圖2中process_get()函數完成的功能為將request結構中的data_men字符串返回套接字并在用戶瀏覽器上顯示相應的內容。

2.3 init_cgi函數工作流程

對CGI程序的處理函數init_cgi()首先調用一系列函數完成對CGI環境變量的設置，create_common_env()，complete_env()完成了大多數CGI環境變量的注冊工作。采用PIPE(管道)方式，就是將CGI程序的輸出重定向到管道，然后Boa從管道讀取并轉發給客戶端瀏覽器。整個流程結束后，返回到主函數的無限循環中等待處理下一個套接字連接的到達。init_cgi()具體工作流程如圖3所示。

管道讀取函數read_from_pipe()完成的主要功能是從套接字req→data_fd讀取數據到req→header_end中，并進行處理;然后修改req→status=PIPE_WRITE來調用write_from_pipe()將req→header_line的內容返回套接字fd，并在用戶瀏覽器上顯示相應的內容。

3 Boa源碼改進

經過上述對Boa源碼的分析可以看出，Boa服務器將根據瀏覽器地址欄中輸入的文件路徑調用相應的CGI程序或靜態頁面顯示在瀏覽器中。這種方式使入侵者很容易找到源文件，隱蔽性和安全性極差。這里在對Boa源碼進行修改后，在瀏覽器中輸入對該系統指定的靜態網頁類型的請求后，Boa服務器會自動進行文件路徑重定向，調用相應的CGI程序進行處理，而用戶不會察覺到這一變化。從而使用戶無法得知源文件的路徑，增加了程序的隱蔽性和安全性。

在源代碼判斷是否CGI程序之前添加判斷：如果文件路徑(req→pathname)的后綴代表本系統指定的靜態頁面，則將其修改為實際CGI程序所在路徑，并更改is_cgi變量為“CGI”。經過這樣修改后，程序會調用CGI程序的處理函數init_cgi()，使原本的靜態請求變成動態的CGI請求。修改后的Boa流程如圖4所示(虛線為添加部分)。

4 CGI程序設計技術

4.1 CGI簡介

到目前為止，實現動態Web頁面有4種技術可供選擇：CGI，ASP，PHP和JSP。因為目前μClinux還不支持ASP，PHP等動態Web頁面技術，因此在該實現中選擇了CGI。

CGI規定Web服務器調用其他可執行程序的接口協議標準，提供Web服務器一個執行外部程序的通道。這種服務端技術使得瀏覽器和服務器之間具有交互性。CGI程序屬于一個外部程序，需要編譯成可執行文件，以便在服務端運行。Web服務器通過調用CGI程序實現與Web瀏覽器的交互，也就是CGI程序接收Web瀏覽器發送給Web服務器的信息，進行處理，將響應結果再回送給Web服務器及Web瀏覽器。

4.2 CGI程序工作原理

CGI工作原理如下：客戶端的用戶通過瀏覽器完成一定輸入工作后，向服務器發出。HTTP請求(稱為CGI請求)，服務器守護進程，接收到該請求后，就創建一個子進程(稱為CGI進程)。該CGI子進程將CGI請求的有關數據設置成環境變量，在CGI程序與服務器間建立兩臺數據通道，然后啟動URL指定的CGI程序。子進程通過標準輸出流將處理結果傳遞給服務器守護進程，守護進程再將處理結果作為應答消息回送到客戶端。一個CGI程序的任務分為輸入任務和輸出任務。輸入任務根據請求方法的不同，從環境變量QUE-RY_STRING或標準輸入中讀取用戶輸入數據。輸出任務生成HTTP響應頭標內容，如消息正文的數據類型和數據長度等;生成HTTP響應消息正文內容，如動態生成的HTML文件內容。

4.3 CGI程序改進方法

傳統的CGI程序編寫方法簡單地用printf()函數來產生HTML源代碼。在輸出的字符串中如果有雙引號，在其前面必須有一個后斜字符，這是因為整個HTML代碼串已經在雙引號內，所以HTML代碼串中的雙引號符必須用一個后斜字符來轉義。這樣的CGI程序代碼冗長，不利于閱讀，且容易出錯。這里所采用的方法是預先將需要顯示的網頁保存成文件，采用仿“ASP”的技術，將需要動態顯示的內容寫入符號“|%”與“|”之間。并設計配置文件，指定替換內容。CGI程序逐行讀取源文件，將符號“|%”與“|”之間的內容替換成配置文件指定的內容。

HTML源文件的格式設計如下：

單選按鈕：

CGI程序找出“|%”與“|”之間的關鍵字key，如果key中不包含“@”則直接替換與之對應的值;如果包含“@”，將關鍵字分為三部分：replacestr=checked，key=system_mode，keyvalue=route。尋找數據結構中與key相等的nAME[i]，將對應的value[i]與keyval-ue比較，如果相等則替換為type的值。具體流程如圖5所示。

當在任意用戶端瀏覽器中輸入目標板的IP地址及對應的文件名后，就會顯示如圖6所示界面。其中在地址欄中輸入的路徑已經按照本文之前的方法被Boa服務器修改，實際路徑為：http：//192.168.0.1/cgi-bin/qs2.cgi。因此用戶無法找到源文件，減小了被惡意用戶攻擊的可能性。圖5中選中單選框和添加文本框內容這些操作都是經過CGI程序替換顯示的配置文件中的內容。修改這些內容后點擊下一步程序會自動保存到配置文件中，下一次再進入頁面后就會顯示上一次保存的結果。

5 結 語

這里通過對Boa源代碼的分析，提供了較為完善的文件隱藏機制，該研究為Web服務器在嵌入式設備遠程監控應用中提出了一個更為安全的解決方案。此外，通過對傳統的CGI程序設計方法進行改進，可顯著減少CGI程序代碼量，使其便于修改升級。這種方法完全可以應用在其他嵌入式系統中，因此具有廣泛的應用意義。系統也有一些尚需改進的地方，如：文件路徑隱藏方式有些簡單;CGI程序配置文件沒有進行加密;這些都有待今后進一步研究。