資訊專欄INFORMATION COLUMN
摘要：請求頭部基本上是作為鍵值對傳輸，例如。他們者直接由將協議轉換為協議傳輸給進行處理。而作為保留位，主要也是為了協議頭部能與字節對齊。
前言
閑來無事，決定整理一下最近看的一些東西，于是先寫寫fastcgi協議，此協議是cgi協議的升級版，其實就是當年cgi太弱，導致動態頁面太耗性能，所以開發了例如fastcgi協議等升級版，下面我們就來聊聊這個協議的相關內容。
CGI協議以及Fastcgi協議的介紹 CGI協議的介紹CGI協議的誕生是為了解決HTTP協議與編程語言之間的連接問題，從而減低動態頁面的開發難度。這個協議避免所有的編程語言開發動態頁面時還需要開發一套HTTP的解析庫。
那么，關于HTTP協議本身，其實就是2個部分：請求頭部和請求體。請求頭部基本上是作為鍵值對傳輸，例如Date: Sat, 03 Feb 2018 00:14:03 GMT。請求體則是純數據流，用于傳輸文件等數據。所以，CGI本身也相應提供了2中數據格式的輸入：鍵值對輸入和數據流輸入。
那最初的CGI程序的輸入方式及其簡單，鍵值對數據的輸入直接利用環境變量進行傳輸，而數據流輸入則是利用標準輸入流(stdin)進行傳輸。
CGI程序的返回也包含了2種：正常數據輸出和錯誤數據輸出，正常數據輸出是用于輸出處理后的數據信息，主要是HTTP的響應報文，而錯誤數據輸出則是用于在程序解析錯誤時返回給web服務器的錯誤信息，以便于web服務器做響應的處理和日志記錄功能。正常數據輸出和錯誤數據輸出在當時的CGI程序中也理所應當的使用了標準輸出流stdout和標準錯誤流stderr。可謂是十分簡約。
下面是一個簡單的CGI程序的小栗子：
#!/bin/sh echo "Content-Type:text/html " echo "" echo "" echo "hello! This is the PATH var:" echo $PATH
這個CGI程序主要功能就是輸出了PATH環境變量，其中會包含請求頭部的相關信息（之后補充結果）。
Fastcgi協議的介紹但是CGI程序的弊端十分顯而易見：需要新的進程進行數據處理，數據傳輸方式無法分布式部署，使用進程導致容易影響系統運行，每次請求都重新加載數據耗費性能。于是乎，Fastcgi程序就是為了解決相關問題而出現。
Fastcgi程序將CGI程序的規范都進行了保留，并將其升級，主要是將輸入和輸出的方式從標準流遷移到了socket傳輸，同時，fastcgi協議也支持將cgi程序進行守護進程化，這樣可以提高請求的處理速度，同時提高了穩定性。
那么，Fastcgi協議、php-fpm、Nginx三者本身是什么關系？其實就是，Nginx是web服務器，只提供HTTP協議的輸入和輸出。php-fpm是Fastcgi服務器，只支持Fastcgi協議的輸入和輸出。他們2者直接由Nginx將HTTP協議轉換為Fastcgi協議傳輸給php-fpm進行處理。
Fastcgi協議的詳解 協議的組成Fastcgi協議是由一段一段的數據段組成，可以想象成一個車隊，每輛車裝了不同的數據，但是車隊的順序是固定的。輸入時順序為：請求開始描述、請求鍵值對、請求輸入數據流。輸出時順序為：錯誤輸出數據流、正常輸出數據流、請求結束描述。
其中鍵值對、輸入流、輸出流，錯誤流的數據和CGI程序是一樣的，只不過是換了種傳輸方式而已。
再回到車隊的描述，每輛車的結構也是統一的，在前面都有一個引擎，引擎決定了你的車是什么樣的。所以，每個數據塊都包含一個頭部信息，結構如下：
typedef struct {
????unsigned?char?version;??// 版本號
????unsigned?char?type;?????// 記錄類型
????unsigned?char?requestIdB1;??// 記錄id高8位
????unsigned?char?requestIdB0;??// 記錄id低8位
????unsigned?char?contentLengthB1;??// 記錄內容長度高8位
????unsigned?char?contentLengthB0;??// 記錄內容長度低8位
????unsigned?char?paddingLength;????// 補齊位長度
????unsigned?char?reserved;?// 真·記錄頭部補齊位
} FCGI_Header;
注釋都描述的很清楚：
version為版本號，當前只有第一版本。
type作為關鍵的描述，用于描述數據的類型，例如是鍵值對類型還是數據流類型，或者是請求開始和請求結束，都是通過type進行描述。
requestId是記錄ID，（B1代表高位，B0代表低位，下文同理），記錄ID主要避免同一個socket通道時候傳輸的數據的正確性，同時也提高了傳輸的效率。
ContentLength為數據內容的長度。
paddingLength是用于數據能進行8字節對齊，這樣對解析以及底層的IO操作性能有提示，所以paddingLength只是數據對8取余，固然不會超過7。
而reserved作為保留位，主要也是為了協議頭部能與8字節對齊。
關于type的取值范圍：
#define FCGI_BEGIN_REQUEST 1 #define FCGI_ABORT_REQUEST 2 #define FCGI_END_REQUEST 3 #define FCGI_PARAMS 4 #define FCGI_STDIN 5 #define FCGI_STDOUT 6 #define FCGI_STDERR 7 #define FCGI_DATA 8 #define FCGI_GET_VALUES 9 #define FCGI_GET_VALUES_RESULT 10 #define FCGI_UNKNOWN_TYPE 11 #define FCGI_MAXTYPE (FCGI_UNKNOWN_TYPE)
我們大致按照其中的順序進行介紹。
FCGI_BEGIN_REQUEST請求輸入的時候，會帶有該類型的數據，這樣是為了描述當前需要Fastcgi服務器充當的角色以及相關的設定。其中的數據結構為：
typedef struct {
????unsigned?char?roleB1;???// 角色類型高8位
????unsigned?char?roleB0;???// 角色類型低8位
????unsigned?char?flags;????// 小紅旗
????unsigned?char?reserved[5];??// 補齊位
} FCGI_BeginRequestBody;
官方在升級CGI的時候，同時加入了多種角色給Fastcgi協議，其中定義為：
#define FCGI_RESPONDER 1 #define FCGI_AUTHORIZER 2 #define FCGI_FILTER 3
其中FCGI_RESPONDER是我們最常見的動態語言腳本處理角色，叫做響應器。FCGI_AUTHORIZER是用于判斷請求是否擁有訪問權限，類似于HTTP請求中的認證功能，叫做授權器。FCGI_FILTER是用于對一些特殊的數據進行處理并返回，包括添加數據頭部與尾部等功能，叫做過濾器（官方對其沒有過多的介紹，所以無法詳細描述）。
大多數請求我們都是使用FCGI_RESPONDER角色進行請求傳輸，因為動態語言可以完全的替代其他2中角色的功能，所以授權器和過濾器的功能被大家給遺忘了。不過這不代表角色的設定是錯誤的，角色的設定很大一部分程度上給Fastcgi協議提供了快捷擴展的功能，保證了協議的可擴展性。
flags則是用于設置使用傳輸時復用通道，避免每次傳輸都需要新開一個socket通道來浪費時間和性能。
該類型主要是給web服務器提供主動結束通道的功能，場景為當web服務器需要盡快結束并關閉通道，則會發送該請求給Fastcgi服務器，這樣Fastcgi服務會盡快的將數據處理完并返回關閉通道。
FCGI_END_REQUEST該類型是當響應數據輸出完畢后，用于描述該請求的響應結果，類似于HTTP的響應報文的狀態碼，數據結構如下：
typedef struct {
????unsigned?char?appStatusB3;
????unsigned?char?appStatusB2;
????unsigned?char?appStatusB1;
????unsigned?char?appStatusB0;
????unsigned?char?protocolStatus;
????unsigned?char?reserved[3];
} FCGI_EndRequestBody;
其中appStatus類似于HTTP請求的狀態碼，主要用于描述數據處理的情況，而protocolStatus主要用于對于此次請求通道的描述，是請求正常完成還是拒絕完成等，其中的賦值范圍如下：
#define FCGI_REQUEST_COMPLETE 0 #define FCGI_CANT_MPX_CONN 1 #define FCGI_OVERLOADED 2 #define FCGI_UNKNOWN_ROLE 3
區別如下：
FCGI_REQUEST_COMPLETE：請求的正常結束。
FCGI_CANT_MPX_CONN：拒絕新請求。這發生在Web服務器通過一條線路向應用發送并發的請求時，后者被設計為每條線路每次處理一個請求。
FCGI_OVERLOADED：拒絕新請求。這發生在應用用完某些資源時，例如數據庫連接。
FCGI_UNKNOWN_ROLE：拒絕新請求。這發生在Web服務器指定了一個應用不能識別的角色時。
但是，一般情況下，大家都只返回appStatus為0以及protocolStatus為0的數據。這其實也是由于官方對相關的描述并不充分的原因。
FCGI_PARAMS該結果主要用于傳輸鍵值對類型數據，畢竟英文翻譯叫參數。其中該類型為了節約空間提供了4類結構體：
typedef struct {
????unsigned?char?nameLengthB0;??/* nameLengthB0? >> 7 == 0 */
????unsigned?char?valueLengthB0;?/* valueLengthB0 >> 7 == 0 */
????unsigned?char?nameData[nameLength];
????unsigned?char?valueData[valueLength];
} FCGI_NameValuePair11;
?
typedef struct {
????unsigned?char?nameLengthB0;??/* nameLengthB0? >> 7 == 0 */
????unsigned?char?valueLengthB3;?/* valueLengthB3 >> 7 == 1 */
????unsigned?char?valueLengthB2;
????unsigned?char?valueLengthB1;
????unsigned?char?valueLengthB0;
????unsigned?char?nameData[nameLength];
????unsigned?char?valueData[valueLength];
} FCGI_NameValuePair14;
typedef struct {
????unsigned?char?nameLengthB3;??/* nameLengthB3? >> 7 == 1 */
????unsigned?char?nameLengthB2;
????unsigned?char?nameLengthB1;
????unsigned?char?nameLengthB0;
????unsigned?char?valueLengthB0;?/* valueLengthB0 >> 7 == 0 */
????unsigned?char?nameData[nameLength];
????unsigned?char?valueData[valueLength];
} FCGI_NameValuePair41;
?
typedef struct {
????unsigned?char?nameLengthB3;??/* nameLengthB3? >> 7 == 1 */
????unsigned?char?nameLengthB2;
????unsigned?char?nameLengthB1;
????unsigned?char?nameLengthB0;
????unsigned?char?valueLengthB3;?/* valueLengthB3 >> 7 == 1 */
????unsigned?char?valueLengthB2;
????unsigned?char?valueLengthB1;
????unsigned?char?valueLengthB0;
????unsigned?char?nameData[nameLength];
????unsigned?char?valueData[valueLength];
} FCGI_NameValuePair44;
相對晦澀的話，我們再來看看圖片描述：
如圖所示，該類似分為4個部分：nameLength、valueLength、nameData和valueData,其中nameLength和valueLength用于描述長度，有1字節和4字節的2種方案，也就構成了上面的4種不同的結構體。其中只需要判斷第一個字節的最高位是否為1，若為1則是用4字節描述的長度，若為0則用1字節。
其中，1字節是char型的大小，4字節是int型大小，所以十分方便解析。
類型中的FCGI_STDIN、FCGI_STDOUT、FCGI_STDERR和FCGI_DATA都是數據流傳輸，不存在什么結構體，內容中只有數據信息。十分暴力，如圖所示：
FCGI_GET_VALUES該類型主要用于查詢fastcgi服務器的相關性能參數，結構體復用了FCGI_PARAMS類型的結構體，其中name設置為相應的值，而value為空即可。之后由fastcgi服務返回FCGI_GET_VALUES_RESULT類型的數據并填充value即可。其中name取值類型包括：
FCGI_MAX_CONNS：此應用程序將接受的最大并發傳輸連接數, e.g.?"1"?or?"10".
FCGI_MAX_REQS：此應用程序將接受的最大并發請求數, e.g.?"1"?or?"50".
FCGI_MPXS_CONNS：此應用程序將接受的最大復用傳輸連接數.
Fastcgi協議實例0x0000: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500 ..............E. 0x0010: 03dc 535f 4000 4006 e5ba 7f00 0001 7f00 ..S_@.@......... 0x0020: 0001 ee2e 2328 3093 101a 95fd 1652 8018 ....#(0......R.. 0x0030: 0156 01d1 0000 0101 080a 0004 4344 0004 .V..........CD.. 0x0040: 4344 0101 0001 0008 0000 0001 0000 0000 CD.............. 0x0050: 0000 0104 0001 037f 0100 0f1f 5343 5249 ............SCRI 0x0060: 5054 5f46 494c 454e 414d 452f 686f 6d65 PT_FILENAME/home 0x0070: 2f6d 6f62 792f 6e67 696e 782f 6874 6d6c /moby/nginx/html 0x0080: 2f69 6e64 6578 2e70 6870 0c00 5155 4552 /index.php..QUER ... ... 0x03c0: 4745 7a68 2d43 4e2c 7a68 3b71 3d30 2e39 GEzh-CN,zh;q=0.9 0x03d0: 2c65 6e3b 713d 302e 3800 0104 0001 0000 ,en;q=0.8....... 0x03e0: 0000 0105 0001 0000 0000 ..........
首先，0800之前是mac報文頭部的數據，ee2e是ip報文頭部的數據，4344之前是tcp報文的頭部，所以，0101以后，便是我們的fastcgi的數據包信息。
0101 0001 0008 0000，我們可以一一對應:version:1,type:1,requestId:1,contentLength:8,padding:0，之后就是FCGI_BEGIN_REQUEST的數據包：role:1,flags:0，說明使用的是響應器功能。
之后再解析一下請求頭：version:1,type:4,requestId:1,contentLength:037f,padding:1,所以下面的結構體為FCGI_PARAMS，繼續解析：nameLength:15,valueLength:31,nameData:SCRIPT_FILENAME,valueData:/home/moby/nginx/html/index.php，以此類推。
POST請求報文
0x0000: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500 ..............E. 0x0010: 0374 0e6d 4000 4006 2b15 7f00 0001 7f00 .t.m@.@.+....... 0x0020: 0001 d5a4 2328 3da1 e47f 4aa2 48a3 8018 ....#(=...J.H... 0x0030: 0156 0169 0000 0101 080a ffff ea15 ffff .V.i............ 0x0040: ea15 0101 0001 0008 0000 0001 0000 0000 ................ 0x0050: 0000 0104 0001 02fd 0300 0f1f 5343 5249 ............SCRI 0x0060: 5054 5f46 494c 454e 414d 452f 686f 6d65 PT_FILENAME/home 0x0070: 2f6d 6f62 792f 6e67 696e 782f 6874 6d6c /moby/nginx/html ... ... 0x0340: 5450 5f43 4f4e 4e45 4354 494f 4e6b 6565 TP_CONNECTIONkee 0x0350: 702d 616c 6976 6500 0000 0104 0001 0000 p-alive......... 0x0360: 0000 0105 0001 000c 0400 6469 6469 3d63 ..........didi=c 0x0370: 6875 7869 6e67 0000 0000 0105 0001 0000 huxing.......... 0x0380: 0000 ..
響應報文:
0x0000: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0800 4500 ..............E. 0x0010: 05b4 30a7 4000 4006 069b 7f00 0001 7f00 ..0.@.@......... 0x0020: 0001 2328 ee28 d52b 8b2b 96bd f7d9 8018 ..#(.(.+.+...... 0x0030: 0164 03a9 0000 0101 080a 0000 bb8d 0000 .d.............. 0x0040: bb8d 0106 0001 0564 0400 436f 6e74 656e .......d..Conten 0x0050: 742d 7479 7065 3a20 7465 7874 2f68 746d t-type:.text/htm 0x0060: 6c3b 2063 6861 7273 6574 3d55 5446 2d38 l;.charset=UTF-8 0x0070: 0d0a 0d0a 4172 7261 790a 280a 2020 2020 ....Array.(..... 0x0080: 5b55 5345 525d 203d 3e20 7777 772d 6461 [USER].=>.www-da 0x0090: 7461 0a20 2020 205b 484f 4d45 5d20 3d3e ta.....[HOME].=> ... ... 0x0580: 3734 3430 322e 3335 3135 0a20 2020 205b 74402.3515.....[ 0x0590: 5245 5155 4553 545f 5449 4d45 5d20 3d3e REQUEST_TIME].=> 0x05a0: 2031 3531 3638 3734 3430 320a 290a 0000 .1516874402.)... 0x05b0: 0000 0103 0001 0008 0000 0000 0000 0000 ................ 0x05c0: 0000 ..
等，實例可以自行利用tcpdump工具抓取。
總結Fastcgi協議本身完成了對CGI協議的升級，同時自身擁有一個很好的可擴展性，但本身功能的限制導致了市面上很好有協議功能的所有實現實例。但對其進行了解有利于對網絡數據的傳輸的熟悉以及加深印象。
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