PHP基础之fastcgi协议

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前言

闲来无事,决定整理一下最近看的一些东西,于是先写写fastcgi协议,此协议是cgi协议的升级版,其实就是当年cgi太弱,导致动态页面太耗性能,所以开发了例如fastcgi协议等升级版,下面我们就来聊聊这个协议的相关内容。

CGI协议以及Fastcgi协议的介绍

CGI协议的介绍

CGI协议的诞生是为了解决HTTP协议与编程语言之间的连接问题,从而减低动态页面的开发难度。这个协议避免所有的编程语言开发动态页面时还需要开发一套HTTP的解析库。
那么,关于HTTP协议本身,其实就是2个部分:请求头部请求体。请求头部基本上是作为键值对传输,例如Date: Sat, 03 Feb 2018 00:14:03 GMT。请求体则是纯数据流,用于传输文件等数据。所以,CGI本身也相应提供了2中数据格式的输入:键值对输入数据流输入
那最初的CGI程序的输入方式及其简单,键值对数据的输入直接利用环境变量进行传输,而数据流输入则是利用标准输入流(stdin)进行传输。
CGI程序的返回也包含了2种:正常数据输出错误数据输出,正常数据输出是用于输出处理后的数据信息,主要是HTTP的响应报文,而错误数据输出则是用于在程序解析错误时返回给web服务器的错误信息,以便于web服务器做响应的处理和日志记录功能。正常数据输出和错误数据输出在当时的CGI程序中也理所应当的使用了标准输出流stdout和标准错误流stderr。可谓是十分简约。
下面是一个简单的CGI程序的小栗子:

#!/bin/sh

echo "Content-Type:text/html\n\n"
echo ""
echo ""
echo "hello! This is the PATH var:"
echo $PATH

这个CGI程序主要功能就是输出了PATH环境变量,其中会包含请求头部的相关信息(之后补充结果)。

Fastcgi协议的介绍

但是CGI程序的弊端十分显而易见:需要新的进程进行数据处理,数据传输方式无法分布式部署,使用进程导致容易影响系统运行,每次请求都重新加载数据耗费性能。于是乎,Fastcgi程序就是为了解决相关问题而出现。
Fastcgi程序将CGI程序的规范都进行了保留,并将其升级,主要是将输入和输出的方式从标准流迁移到了socket传输,同时,fastcgi协议也支持将cgi程序进行守护进程化,这样可以提高请求的处理速度,同时提高了稳定性。

那么,Fastcgi协议、php-fpmNginx三者本身是什么关系?其实就是,Nginxweb服务器,只提供HTTP协议的输入和输出。php-fpmFastcgi服务器,只支持Fastcgi协议的输入和输出。他们2者直接由NginxHTTP协议转换为Fastcgi协议传输给php-fpm进行处理。

Fastcgi协议的详解

协议的组成

Fastcgi协议是由一段一段的数据段组成,可以想象成一个车队,每辆车装了不同的数据,但是车队的顺序是固定的。输入时顺序为:请求开始描述、请求键值对、请求输入数据流。输出时顺序为:错误输出数据流、正常输出数据流、请求结束描述。
其中键值对、输入流、输出流,错误流的数据和CGI程序是一样的,只不过是换了种传输方式而已。
再回到车队的描述,每辆车的结构也是统一的,在前面都有一个引擎,引擎决定了你的车是什么样的。所以,每个数据块都包含一个头部信息,结构如下:

typedef struct {
    unsigned char version;  // 版本号
    unsigned char type;     // 记录类型
    unsigned char requestIdB1;  // 记录id高8位
    unsigned char requestIdB0;  // 记录id低8位
    unsigned char contentLengthB1;  // 记录内容长度高8位
    unsigned char contentLengthB0;  // 记录内容长度低8位
    unsigned char paddingLength;    // 补齐位长度
    unsigned char reserved; // 真·记录头部补齐位
} FCGI_Header;

clipboard.png

注释都描述的很清楚:

  • version为版本号,当前只有第一版本。
  • type作为关键的描述,用于描述数据的类型,例如是键值对类型还是数据流类型,或者是请求开始和请求结束,都是通过type进行描述。
  • requestId是记录ID,(B1代表高位,B0代表低位,下文同理),记录ID主要避免同一个socket通道时候传输的数据的正确性,同时也提高了传输的效率。
  • ContentLength为数据内容的长度。
  • paddingLength是用于数据能进行8字节对齐,这样对解析以及底层的IO操作性能有提示,所以paddingLength只是数据对8取余,固然不会超过7
  • reserved作为保留位,主要也是为了协议头部能与8字节对齐。

关于type的取值范围:

#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)

我们大致按照其中的顺序进行介绍。

FCGI_BEGIN_REQUEST

请求输入的时候,会带有该类型的数据,这样是为了描述当前需要Fastcgi服务器充当的角色以及相关的设定。其中的数据结构为:

typedef struct {
    unsigned char roleB1;   // 角色类型高8位
    unsigned char roleB0;   // 角色类型低8位
    unsigned char flags;    // 小红旗
    unsigned char reserved[5];  // 补齐位
} FCGI_BeginRequestBody;

官方在升级CGI的时候,同时加入了多种角色给Fastcgi协议,其中定义为:

#define FCGI_RESPONDER 1 
#define FCGI_AUTHORIZER 2 
#define FCGI_FILTER 3

其中FCGI_RESPONDER是我们最常见的动态语言脚本处理角色,叫做响应器。FCGI_AUTHORIZER是用于判断请求是否拥有访问权限,类似于HTTP请求中的认证功能,叫做授权器。FCGI_FILTER是用于对一些特殊的数据进行处理并返回,包括添加数据头部与尾部等功能,叫做过滤器(官方对其没有过多的介绍,所以无法详细描述)。
大多数请求我们都是使用FCGI_RESPONDER角色进行请求传输,因为动态语言可以完全的替代其他2中角色的功能,所以授权器和过滤器的功能被大家给遗忘了。不过这不代表角色的设定是错误的,角色的设定很大一部分程度上给Fastcgi协议提供了快捷扩展的功能,保证了协议的可扩展性。
flags则是用于设置使用传输时复用通道,避免每次传输都需要新开一个socket通道来浪费时间和性能。

FCGI_ABORT_REQUEST

该类型主要是给web服务器提供主动结束通道的功能,场景为当web服务器需要尽快结束并关闭通道,则会发送该请求给Fastcgi服务器,这样Fastcgi服务会尽快的将数据处理完并返回关闭通道。

FCGI_END_REQUEST

该类型是当响应数据输出完毕后,用于描述该请求的响应结果,类似于HTTP的响应报文的状态码,数据结构如下:

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类似于HTTP请求的状态码,主要用于描述数据处理的情况,而protocolStatus主要用于对于此次请求通道的描述,是请求正常完成还是拒绝完成等,其中的赋值范围如下:

#define FCGI_REQUEST_COMPLETE 0
#define FCGI_CANT_MPX_CONN    1
#define FCGI_OVERLOADED       2
#define FCGI_UNKNOWN_ROLE     3

区别如下:

  • FCGI_REQUEST_COMPLETE:请求的正常结束。
  • FCGI_CANT_MPX_CONN:拒绝新请求。这发生在Web服务器通过一条线路向应用发送并发的请求时,后者被设计为每条线路每次处理一个请求。
  • FCGI_OVERLOADED:拒绝新请求。这发生在应用用完某些资源时,例如数据库连接。
  • FCGI_UNKNOWN_ROLE:拒绝新请求。这发生在Web服务器指定了一个应用不能识别的角色时。

但是,一般情况下,大家都只返回appStatus为0以及protocolStatus为0的数据。这其实也是由于官方对相关的描述并不充分的原因。

FCGI_PARAMS

该结果主要用于传输键值对类型数据,毕竟英文翻译叫参数。其中该类型为了节约空间提供了4类结构体:

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;

相对晦涩的话,我们再来看看图片描述:

clipboard.png

如图所示,该类似分为4个部分:nameLengthvalueLengthnameDatavalueData,其中nameLengthvalueLength用于描述长度,有1字节和4字节的2种方案,也就构成了上面的4种不同的结构体。其中只需要判断第一个字节的最高位是否为1,若为1则是用4字节描述的长度,若为0则用1字节。
其中,1字节是char型的大小,4字节是int型大小,所以十分方便解析。

数据流类型

类型中的FCGI_STDINFCGI_STDOUTFCGI_STDERRFCGI_DATA都是数据流传输,不存在什么结构体,内容中只有数据信息。十分暴力,如图所示:

clipboard.png

FCGI_GET_VALUES

该类型主要用于查询fastcgi服务器的相关性能参数,结构体复用了FCGI_PARAMS类型的结构体,其中name设置为相应的值,而value为空即可。之后由fastcgi服务返回FCGI_GET_VALUES_RESULT类型的数据并填充value即可。其中name取值类型包括:

  • FCGI_MAX_CONNS:此应用程序将接受的最大并发传输连接数, e.g. "1" or "10".
  • FCGI_MAX_REQS:此应用程序将接受的最大并发请求数, e.g. "1" or "50".
  • FCGI_MPXS_CONNS:此应用程序将接受的最大复用传输连接数.

Fastcgi协议实例

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报文头部的数据,ee2e是ip报文头部的数据,4344之前是tcp报文的头部,所以,0101以后,便是我们的fastcgi的数据包信息。
0101 0001 0008 0000,我们可以一一对应:version:1,type:1,requestId:1,contentLength:8,padding:0,之后就是FCGI_BEGIN_REQUEST的数据包:role:1,flags:0,说明使用的是响应器功能。
之后再解析一下请求头:version:1,type:4,requestId:1,contentLength:037f,padding:1,所以下面的结构体为FCGI_PARAMS,继续解析:nameLength:15,valueLength:31,nameData:SCRIPT_FILENAME,valueData:/home/moby/nginx/html/index.php,以此类推。

报文实例

POST请求报文

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                                     ..

响应报文:

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,实例可以自行利用tcpdump工具抓取。

总结

Fastcgi协议本身完成了对CGI协议的升级,同时自身拥有一个很好的可扩展性,但本身功能的限制导致了市面上很好有协议功能的所有实现实例。但对其进行了解有利于对网络数据的传输的熟悉以及加深印象。

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