The Apache Modelling Project - CE group DISP

160 Pages·2004·1.69 MB·English

client client
HTTP
Apache HTTP Server
Sockets TCP/IP Communication Service
Signals:
- stop (TERM)
- restart (HUP)
Signals: stop now /
- grc.rst.(USR1) laTter (HUhP/USR1e) Apache
Files
Documents
MoChild dServere 1 ling
Admin
ProChildj Seerver 2ct
Master
Scripts
Server
Files
local
global config. data
config. Child Server N (.htacess)
data
Bernhard Gröne
Andreas Knöpfel
Scoreboard
Rudolf Kugel
server status generation ...
shared
generation Oliver Schmidt
memory
FMC
July 8, 2004
ii
FMC
BernhardGröne,AndreasKnöpfel,RudolfKugel,OliverSchmidt:
TheApacheModelingProject
Hasso–Plattner–InstituteforSoftwareSystemsEngineering
Prof.–Dr.–Helmert–Straße2–3,D–14482Potsdam
P.O.Box900460,D–14440Potsdam,Germany
http://www.hpi.uni-potsdam.de
ThecurrentversionofthisdocumentcanbefoundattheHPIApacheModelingProjectwebsite:
HTML:http://apache.hpi.uni-potsdam.de/
PDF: http://apache.hpi.uni-potsdam.de/modules.php?name=Downloads&d_op=getit&lid=3
Thanksto:
Robert Mitschke and Ralf Schliehe–Diecks for preparing and editing material for this docu-
ment.
Copyright(c)2002–2004BernhardGröne,AndreasKnöpfel,RudolfKugel,OliverSchmidt.
Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the terms of
theGNUFreeDocumentationLicense,Version1.2oranylaterversionpublishedbytheFree
Software Foundation; with no Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cover
Texts. A copy of the license is included in appendix D entitled "GNU Free Documentation
License".
Abstract
This document presents an introduction to the Apache HTTP Server, covering both an
overview and implementation details. It presents results of the Apache Modelling Project
done by research assistants and students of the Hasso–Plattner–Institute in 2001, 2002 and
2003. The Apache HTTP Server was used to introduce students to the application of the
modeling technique FMC, a method that supports transporting knowledge about complex
systemsinthedomainofinformationprocessing(softwareandhardwareaswell).
After an introduction to HTTP servers in general, we will focus on protocols and web tech-
nology. ThenwewilldiscussApache,itsoperationalenvironmentanditsextensioncapabil-
ities—themoduleAPI.FinallywewillguidethereaderthroughpartsoftheApachesource
codeandexplainthemostimportantpieces.
Contents
1 Introduction 1
1.1 Aboutthisdocument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 TheFMCPhilosophy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Themodelingproject . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 SourcesofInformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 HTTPServers 4
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 TasksofanHTTPServer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 ProtocolsandStandards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1 RFCsandotherstandardizationdocuments . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.2 TCP/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.3 DomainNameService(DNS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.4 HTTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 AccessControlandSecurity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 Authorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2 Authenticationmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.3 HTTPSandSSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 SessionManagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.1 HTTP—astatelessprotocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.2 Keepthestate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 DynamicContent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6.1 Server–sideScripting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 TheApacheHTTPServer 27
3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.2 Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
ii
FMC CONTENTS iii
3.2 UsingApache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.1 Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.2 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 ExtendingApache: ApacheModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.2 TypesofHandlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.3 ContentHandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.4 Apache2Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.5 PredefinedHooks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.6 InsideaModule: mod_cgi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.7 TheApacheAPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4 InsideApache 53
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 StructureoftheSourceDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.1 Apache1.3.17sourcedistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.2 Apache2.0.45sourcedistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3 Multitaskingserverarchitectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.1 Inetd: Acommonmultitaskingarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.2 Overview—ApacheMultitaskingArchitectures . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.3 ThePreforkingMultiprocessingArchitecture . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.4 ApacheMultitaskingArchitecturesandMPMs . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.5 Win32/WinNTMPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.6 WorkerMPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.7 OthersMPMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4 TheRequest–ResponseLoop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.2 Waitingforconnectionrequests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.3 WaitingforandreadingHTTPrequests . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4.4 ProcessHTTPRequest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5 TheConfigurationProcessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5.1 WhereandwhenApachereadsconfiguration . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5.2 Internaldatastructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5.3 Processingglobalconfigurationdataatstart–up . . . . . . . . . . . . . 89
4.5.4 Processingconfigurationdataonrequests . . . . . . . . . . . . . . . . 94
iv CONTENTS FMC
4.6 Memoryandresourcemanagement: ApachePools . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.6.1 Whyanothermemorymanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.6.2 Thepoolstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.6.3 ThepoolAPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
A OperatingSystemConcepts 102
A.1 UnixProcesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
A.1.1 fork() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
A.1.2 exec() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
A.1.3 wait()&waitpid() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
A.1.4 kill() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
A.2 SignalsandAlarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
A.2.1 Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
A.2.2 Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.3 Sockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.3.1 TCPvs. UDPPorts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
A.3.2 AsynchronousEvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
A.3.3 Socketsingeneral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
A.3.4 TCPSockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
A.3.5 UDPSockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
A.4 Pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
A.4.1 Usingpipesforinterprocesscommunication . . . . . . . . . . . . . . . 110
A.4.2 STDIN,STDOUT,STDERR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
A.4.3 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
A.4.4 Namedpipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
A.5 Longjmp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
A.5.1 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
A.5.2 ExampleLongjump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
A.5.3 Commonapplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
A.5.4 CommonPitfalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
B Sources 118
B.1 SimpleHTTPServer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
FMC CONTENTS v
C FundamentalModelingConcepts(FMC) 121
C.1 WhatisFMC? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
C.2 Compositionalstructuresandblockdiagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
C.2.1 Examplesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
C.2.2 Blockdiagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
C.3 DynamicstructuresandPetrinets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
C.3.1 Behaviorofdynamicsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
C.3.2 Petrinets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
C.4 Valuerangestructuresandentityrelationshipdiagrams . . . . . . . . . . . . . 126
C.4.1 Structuredvaluesandtheirrelationships . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
C.4.2 EntityRelationshipDiagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
C.5 Levelsofabstraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
C.5.1 High–levelstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
C.5.2 Hierarchyofmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
C.5.3 Lower–levelstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
C.6 WhatisspecialaboutFMC? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
D GNUFreeDocumentationLicense 131
Bibliography 135
Glossary 136
Index 139
List of Figures
2.1 Simplesystem(structureandbehavior) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 BehaviorofasimpleHTTPserver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 EstablishingandfinishingaTCPconnection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 DNSZones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5 ExampleofaHTTPRequest/Responsemessagepair . . . . . . . . . . . . . . 12
2.6 ValuestructureofaHTTPRequest/Response(overview) . . . . . . . . . . . . 12
2.7 ValuestructureofaHTTPRequest/Response(details) . . . . . . . . . . . . . 13
2.8 BasicAuthenticationprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1 TheApacheHTTPServerinitsenvironment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 ConfiguringtheApacheHTTPServerviaconfigurationfiles . . . . . . . . . . 30
3.3 Apache2Modulestructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 InteractionofCoreandModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Apache2.0hookmechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6 ApacheFilters: TheInput/Outputfilterchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.7 ApacheFilters: ABrigadecontainsaseriesofbuckets . . . . . . . . . . . . . . 41
3.8 ApacheFilters: AFilterchainusingBrigadesfordatatransport . . . . . . . . 41
3.9 Apacherequest–responseloopwithmodulecallbacks . . . . . . . . . . . . . 44
3.10 Apacherequestprocessingwithmodulecallbacks . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1 DirectorystructureoftheApacheHTTPServer1.3.17sourcedistribution . . . 54
4.2 DirectorystructureoftheApacheHTTPServer2.0.45sourcedistribution . . . 55
4.3 MultiprocessingArchitectureofaninetdserver . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4 Behaviorofamultiprocessingserver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.5 Theleader–followerspatternusedinthepreforkingserverarchitecture . . . . 59
4.6 TheApache2.0PreforkingMPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.7 Overview: ThebehaviorofApache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.8 DetailsofthebehaviorofApache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
vi
FMC LISTOFFIGURES vii
4.9 TheMasterServerLoop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.10 ResponsibilityofanApache2.0MPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.11 TheApache2.0WinNTMPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.12 TheApache2.0WorkerMPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.13 TheRequest–ResponseLoop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.14 Processingofarequest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.15 ConfigurationprocessingcomponentsofApache . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.16 PointsintimewhenApachereadsconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.17 Apachedatastructuresconcerningconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.18 Apacheconfigurationdatastructuresindetail . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.19 Structureoftheconfigurationprocessor(focusingonthedataflow) . . . . . . 90
4.20 Readingconfigurationdata: Layeringoffunctioncalls . . . . . . . . . . . . . 91
4.21 Processingconfigurationfileswithsectiondirectives . . . . . . . . . . . . . . 93
4.22 Structureoftheper–requestconfigurationprocessor: Thewalkprocedures . 95
4.23 Thedirectorywalk(withouterrorhandling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.24 Hierarchyofbuilt-inApachePools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.25 LinkedListofBlocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
A.1 MultiprocessingandMultithreading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
A.2 Internalsofthefork()systemcall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
A.3 Basicconceptofsockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
A.4 Communicationviasockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
A.5 Dialupandconnectionsockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A.6 Socketsandports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A.7 Pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
A.8 longjmpbehaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
A.9 Stackcontentbeforecallinglongjmp()intheexampleabove . . . . . . . . . . 115
A.10 Callinglongjmp()cancauseerrorswhenusedwithoutcaution . . . . . . . . . 116
C.1 Blockdiagram: Travelagencysystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
C.2 Petrinet: Buyingaticket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
C.3 Entityrelationshipdiagram: Tourreservations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
C.4 Blockdiagram: Travelagencysystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
D.1 FMCBlockDiagrams(Part1: Example) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
D.2 FMCBlockDiagrams(Part2: Description) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
viii LISTOFFIGURES FMC
D.3 FMCEntity/RelationshipsDiagrams(Part1: Example) . . . . . . . . . . . . . 145
D.4 FMCEntity/RelationshipsDiagrams(Part2: Description) . . . . . . . . . . . 146
D.5 FMCPetriNets(Part1: Basiccomponents) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
D.6 FMCPetriNets(Part2: BasicExample) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
D.7 FMCPetriNets(Part3: Advancedfeatures) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
D.8 FMCPetriNets(Part4: AdvancedExample) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150