基于Linux上进行改进的具有实时应用能力的现代嵌入式 *** 作系统解决方案详解

1 引言

现今较为流行的 *** 作系统Linux，本着开放、自由的精神吸引了全世界的目光，但将它应用于嵌入式实时环境还有许多缺点。特别是在运行内核线程时，Linux 关闭中断，而且分时调度虚拟文件系统的时间不确定性、缺乏高精度的计时器等问题都是需要解决的，所以在Linux 上进行实时改进，建立具有实时应用能力的 *** 作系统是现代嵌入式 *** 作系统的解决方案，也日益成为人们关注的课题。

目前，大多数嵌入式设备都具有存储容量小、处理速度慢和网络应用单一等特点，在这样的嵌入式系统中应用传统的单块式网络协议栈就存在问题：一是如果协议栈中某个子协议功能需要升级，就要升级整个协议栈甚至重新编译全部内核文件，工作流程复杂;二是协议栈不够灵活，不能根据嵌入式系统对网络通信的实际需求配置其内容。

2 构件技术介绍

早在60 年代，“软件构件”与“软件组装生产线”思想在国际北大西洋公约组织软件工程会议上被提出来，从此，采用构件技术实现软件复用，采用“搭积木”的方式生产软件，成为软件业长期的梦想。然而，由于技术水平的限制，在很长一段时间内，构件技术只是作为一种思想存在，直到CORBA 、J2EE、.NET 出现，中间件兴起以后，构件技术才逐渐走向现实。

构件最大的特点是可以不断复用、降低成本、缩短开发周期。从构件技术的实现来看，它规定了一种普遍使用的抽象“标准”，即规定了一组相同的结构类接口来实现动态交流。通信协议引入构件技术设计，可提供代码的可重用性，使程序开发周期缩短，分工更加明细，使整个协议体系具备了更好的可配置性、高效性、可重用性、可扩展性和可表达性。从而解决了网络通信中存在的四个基本问题：基本的构件互 *** 作性、协议版本升级、实现语言无关性、透明的跨进程互 *** 作性。

软件构件技术是建立在面向对象技术之上的，它提供了比面向对象技术更为高级的抽象，通常是对一组类进行封装，通过固定的接口来调用该构件所提供的方法。构件技术成为了嵌入式 *** 作系统和嵌入式应用软件的发展趋势。利用构件技术把单块式的网络协议分割成多个独立的构件，每一个构件都可以被新的构件更新、替换，一组相关的构件提供特定的服务。因此，系统就可以通过选择相应的网络协议构件进行组装来通信。

3通信协议构件化

随着嵌入式系统与网络的日益结合，在嵌入式实时 *** 作系统中引入TCP/IP 协议栈，以支持嵌入式设备接入网络，成为嵌入式领域重要的研究方向。但是传统的TCP/IP 协议实现存在实时性能较差，不能满足实时性要求高的嵌入式领域;传统TCP/IP 的实现过于复杂，需占用大量系统资源，而嵌入式应用的系统资源往往都很有限;传统的TCP/IP 协议系统是基于单块式体系结构的，即嵌入式实时 *** 作系统中引入的协议是以单块方式设计并加以实现的，随着网络技术的不断发展，以及一些新应用不断增长和变化的要求，这种通用的单块式结构的协议往往不能满足需求。因此，需要把传统TCP/IP 在不违背协议标准的前提下加以改进实现，使其实时性得到提高，占用的存储空间尽可能少，从而满足嵌入式应用的要求。

Linux 可针对用户的需求，动态载入和卸载 *** 作系统构件，这种模块化机制为通信协议构件化提供了前提条件。用户可以根据需要，在不对内核重新编泽的情况下，能将模块动态地载入内核或从内核移出，内核可以仅实现一些基本功能，系统的可扩展性功能就留给模块来完成，从而使内核的大小和通讯量都达到最小。因此，在Linux 中实现协议构件化可以依赖模块化机制，协议构件由Linux 模块来实现，模块能动态地载入内核或从内核移出，而不需要对内核重新编译。

本文针对嵌入式服务器的网络实时通信的应用，以经过实时改进和裁剪的Linux *** 作系统作为协议构件化的平台，对的TCP/IP 协议栈进行构件化。

1 通信协议构件化原理

2 通信协议分解

为了使协议构件具备动态链接、信息封装、统一接口等特性，首先要合理分解通信协议，这关系到通信协议构件的粒度。从粒度上来看，构件的粒度越小，协议划分越细，协议构件越多;构件粒度越大，协议划分越粗，协议构件越少。

协议构件粒度的大小，决定了协议构件模块化、信息封装性、局部化的程度，为此必须保证协议构件的独立性。一旦构件具备良好的独立性，建立在协议构件之上的应用程序构件就更容易开发，接口也会简化;独立的模块也比较容易测试与维护，修改工作量小，错误传播范围小。如果粒度过小，虽然协议构件独立性增强，但是构件的接口就增加了，给构件的组合、构件的管理带来了很多的困难。如果粒度过大，构件的尺度增加，独立性降低，各个构件之间的关联度也会增加，不利于构件的动态替换与更新。

粒度的大小可以用两个定性标准来衡量，分别是内聚和耦合。耦合衡量不同构件彼此之间相互依赖的紧密程度;内聚衡量一个协议构件内部各个元素彼此结合的紧密程度。在对协议进行构件化的时候，采取的策略应当尽量使协议构件之间的耦合度降低，独立性增强，加强内聚性。

目前对构件的粒度还没有统一的要求，由于构件是一个高内聚的软件包，只要符合高内聚的原则，则构件的粒度大小可不限。

3.1.2 通信协议构件化方法

由上节可知，通信协议分解没有统一的要求，所以，可以从多个角度对通信协议进行构件化。例如，按构件的功能可进行基本协议构件、通用协议构件、对各领域的专用协议构件或子系统协议构件化;按构件的使用方式可进行静态的和动态的构件化;按构件的结构可进行原子构件及由多个构件*的组合构件化;按协议栈的分层结构可进行层次构件化。本文以Linux 下的TCP/IP 协议层次结构（如图1 所示）为基础，按层次构件化。即将ARP、IP、ICMP、UDP、TCP 协议从Linux 内核中分离出来，按每个协议完成的功能划分成不同的模块，每个模块作为一个构件。每个构件用一个指针函数实现，这样，一个基于嵌入式Linux 的应用系统在内核启动时可按需求动态组装协议功能，形成不同配置通信协议栈，显示了系统网络通信的灵活性。

考虑到TCP 协议是面向连接的、端对端的可靠通信协议，为保证远程客户端与本地嵌入式系统服务器的正确通信，采取了相应机制来保证它的可靠性和实时性，即连接的建立与关闭、超时重传机制、数据包确认机制、流量控制等。因此，将TCP 协议按应用功能划分成客户端模块和服务器端模块，前者主动建立连接，后者*连接，连接建立后双方进行数据信息的发送或接收。

相对于TCP 协议，ARP、IP、ICMP、UDP 等协议功能较简单，对它们不划分模块，每个协议按其完成的功能设计成一个构件，但考虑到嵌入式系统的实时性，去掉了不必要的功能。UDP 协议设计时不考虑数据校验方法，只考虑数据的发送和接收功能。ICMP 协议设计时仅考虑了目的端不可达、源端抑制、超时、改变路由等差错和回送请求处理。IP 协议设计时主要进行路由、向相邻协议层传递数据包，而不考虑分片、重装功能。ARP 协议主要负责将局域网中的32 位IP 地址转换为对应的网卡的MAC 地址，它的功能包括发送ARP 请求和响应对方的ARP 请求，动态维护一个ARP 高速缓存。

3.1.3 通信协议构件组装

通信协议构件组装过程如图2 所示。通信协议构件放在构件库中，系统运行时，嵌入式Linux *** 作系统调度协议组装模块，由该模块依据系统网络功能需求从构件库中取出相应构件，动态配置通信协议栈。

因此，组装的主要功能是负责实现嵌入式Linux *** 作系统和构件库的交互、监控构件的运行状况，并记录构件的特征以反馈给构件库。

3.2 通信协议构件化的实现

本文借鉴文献的思想，并结合上面提出的方法来实现通信协议构件化。各协议的实现类似，下面以TCP 协议为例说明实现过程。

将协议栈初始化文件中为协议分配内核存储空间、向内核保存TCP 协议栈的链表结构、注册、协议本身初始化的内容移入其模块中，在模块开始部分完成分配存储空间、注册、初始化等，在模块结束部分完成释放模块所占内核空间、取消注册、进行重置等。

修改协议实现文件tcp.c 和tcp.h ，创建新的模块文件，协议实现文件中仅保留被其它协议使用的变量，其它内容放在新建的模块文件中。

协议提供给其它协议的函数接口，由函数名调用改为函数指针调用，修改头文件，为该新的接口实现添加定义及声明，并将函数指针初始化指向一个空函数体。将其它协议中原来通过函数名调用改为相应的函数指针调用，这些函数指针是该协议构件的接口，可以保持不变，而接口提供的功能可以依据需要随时修改。

修改网络部分的内核符号表文件，既包括修改之后为其它协议提供的接口，又包括模块化之后需要的其它协议提供的接口。

修改Makeflie 文件，增加相应的模块化文件列表。

4 通信协议测试

构件化的协议的运行情况在MagicARM2200 目标板上进行测试，测试前需要配置软硬件环境，配置过程如下：用串口线和简易仿真器连接PC 机和目标板，使用两条独立的网线分别将它们连接到以太网;在PC 机上安装虚拟机5.5 和Red Hat Linux 9 ，将经过实时改进和裁剪的Linux 移植到该目标板。

4.1 测试ARP 协议构件

在内核无ARP 协议支持时，为了显示ARP 缓存中的MAC、IP 地址信息，运行arp -a 命令，结果为空，并且其它网络应用都不能工作，整个系统的网络部分由于该底层协议的失效而瘫痪。将ARP 协议构件用insmod 命令装入后，网络部分恢复正常。

4.2 测试ICMP 协议构件

在内核不加载ICMP 协议构件时，从外界ping 主机，ping 命令显示超时，即ping 不通。内核接收及处理传来的ICMP 数据包的函数接口找不到相应的功能实现，不能正常返回确认消息包。在将ICMP 协议构件用insmod 命令装入后，处理数据包的函数正确执行，显示能够ping 通。响应时间如表1 所示。

从表1 可以看出，当ICMP 协议作为模块被加载后，ping 命令的响应时间比该协议编译进内核的长，增长的幅度为（0.668-0.611）/0.611=0.093 ，性能下降不超过1%。而且，从内核启动速度来看，构件化ICMP 协议的结果，由于构件化的内核在网络部分启动过程中没有初始化ICMP 协议部分，启动速度略有提高。

4.3 测试UDP 协议构件

为了便于观察系统性能的变化，本文采用Linux 网络性能测试软件Netperf 对UDP 协议构件进行测试，主要测试UDP 的批量数据传输性能、请求和响应性能。测试结果如表2 所示。

从表2 可以看出，协议构件化之后的网络性能有损失，其数据传输性能的下降幅度为（l55.2-140.3）/155.2=0.096 ，请求/响应性能的下降幅度为（620.1-*.9）/620.1=0.025 ，它们都低于一个数量级。

4.4 测试TCP 协议构件

在目标板和PC 机之间进行测试，PC 机作为客户端，目标板作为服务器，并编写客户端和服务器测试程序。在内核不加载TCP 协议构件时，运行客户端程序，PC 机提示不能和服务器连接;加载TCP 协议构件后，再次运行客户端程序，观察PC 机，显示连接成功，在目标板上键入字符，在PC 机上可以显示接收到的字符。

从上面的测试结果可知，对Linux 下的TCP/IP 构件化后，尽管系统性能会略有损失，但损失不大，用此较小的代价可以换取升级、维护的成本大大降低、新协议开发时间大大缩短，从而说明构件化协议的可行性和优越性，在实际应用中可以认为是一种有效的方法。

5 结论

本文针对嵌入式服务器的网络实时通信的应用，将构件技术引入Linux 的TCP/IP 协议设计中，提出了一种构件化TCP/IP 协议栈中主要协议的方法，并对构件化的协议进行测试，结果表明构件化的协议可以动态载入实时改进和裁剪的Linux 系统，不仅减少了嵌入式Linux 内核的尺寸，而且增强了系统网络通信协议设计的灵活性。