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PHP基礎之fastcgi協議

youkede / 1734人閱讀

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-fpmNginx三者本身是什么關系?其實就是,Nginxweb服務器,只提供HTTP協議的輸入和輸出。php-fpmFastcgi服務器,只支持Fastcgi協議的輸入和輸出。他們2者直接由NginxHTTP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

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。

FCGI_ABORT_REQUEST

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:nameLengthvalueLengthnameDatavalueData,其中nameLengthvalueLength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。

數據流類型

類型中的FCGI_STDINFCGI_STDOUTFCGI_STDERRFCGI_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。

報文實例

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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