嵌入式Linux通信中構(gòu)件技術(shù)應用研究

摘要：本文首先介紹了嵌入式Linux 網(wǎng)絡(luò)實時通信的現(xiàn)狀及構(gòu)件技術(shù)的特點，然后以嵌入式服務器的網(wǎng)絡(luò)實時通信應用為基礎(chǔ)，將構(gòu)件技術(shù)引入Linux 的TCP/IP 協(xié)議設(shè)計中，給出了一種構(gòu)件化TCP/IP 協(xié)議棧中主要協(xié)議的方法，并對構(gòu)件化的協(xié)議進行測試，測試表明該方法為嵌入式Linux 網(wǎng)絡(luò)實時通信提供了一種新思路。

1 引言

現(xiàn)今較為流行的操作系統(tǒng)Linux[1]，本著開放、自由的精神吸引了全世界的目光，但將它應用于嵌入式實時環(huán)境還有許多缺點。特別是在運行內(nèi)核線程時，Linux 關(guān)閉中斷，而且分時調(diào)度虛擬文件系統(tǒng)的時間不確定性、缺乏高精度的計時器等問題都是需要解決的，所以在Linux 上進行實時改進，建立具有實時應用能力的操作系統(tǒng)是現(xiàn)代嵌入式操作系統(tǒng)的解決方案，也日益成為人們關(guān)注的課題。

目前，大多數(shù)嵌入式設(shè)備都具有存儲容量小、處理速度慢和網(wǎng)絡(luò)應用單一等特點，在這樣的嵌入式系統(tǒng)中應用傳統(tǒng)的單塊式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧就存在問題：一是如果協(xié)議棧中某個子協(xié)議功能需要升級，就要升級整個協(xié)議棧甚至重新編譯全部內(nèi)核文件，工作流程復雜;二是協(xié)議棧不夠靈活，不能根據(jù)嵌入式系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)通信的實際需求配置其內(nèi)容。

2 構(gòu)件技術(shù)介紹

早在60 年代，“軟件構(gòu)件”與“軟件組裝生產(chǎn)線”思想在國際北大西洋公約組織軟件工程會議上被提出來，從此，采用構(gòu)件技術(shù)實現(xiàn)軟件復用，采用“搭積木”的方式生產(chǎn)軟件，成為軟件業(yè)長期的夢想。然而，由于技術(shù)水平的限制，在很長一段時間內(nèi)，構(gòu)件技術(shù)只是作為一種思想存在，直到CORBA 、J2EE、.NET 出現(xiàn)，中間件興起以后，構(gòu)件技術(shù)才逐漸走向現(xiàn)實。

構(gòu)件最大的特點是可以不斷復用、降低成本、縮短開發(fā)周期。從構(gòu)件技術(shù)的實現(xiàn)來看，它規(guī)定了一種普遍使用的抽象“標準”，即規(guī)定了一組相同的結(jié)構(gòu)類接口來實現(xiàn)動態(tài)交流。通信協(xié)議引入構(gòu)件技術(shù)設(shè)計，可提供代碼的可重用性，使程序開發(fā)周期縮短，分工更加明細，使整個協(xié)議體系具備了更好的可配置性、高效性、可重用性、可擴展性和可表達性。從而解決了網(wǎng)絡(luò)通信中存在的四個基本問題：基本的構(gòu)件互操作性、協(xié)議版本升級、實現(xiàn)語言無關(guān)性、透明的跨進程互操作性。

軟件構(gòu)件技術(shù)[2]是建立在面向?qū)ο蠹夹g(shù)之上的，它提供了比面向?qū)ο蠹夹g(shù)更為高級的抽象，通常是對一組類進行封裝，通過固定的接口來調(diào)用該構(gòu)件所提供的方法。構(gòu)件技術(shù)成為了嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應用軟件的發(fā)展趨勢。利用構(gòu)件技術(shù)把單塊式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分割成多個獨立的構(gòu)件，每一個構(gòu)件都可以被新的構(gòu)件更新、替換，一組相關(guān)的構(gòu)件提供特定的服務。因此，系統(tǒng)就可以通過選擇相應的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)件進行組裝來通信。

通信協(xié)議構(gòu)件化

隨著嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的日益結(jié)合，在嵌入式實時操作系統(tǒng)中引入TCP/IP 協(xié)議棧，以支持嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，成為嵌入式領(lǐng)域重要的研究方向。但是傳統(tǒng)的TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn)存在實時性能較差，不能滿足實時性要求高的嵌入式領(lǐng)域;傳統(tǒng)TCP/IP 的實現(xiàn)過于復雜，需占用大量系統(tǒng)資源，而嵌入式應用的系統(tǒng)資源往往都很有限;傳統(tǒng)的TCP/IP 協(xié)議系統(tǒng)是基于單塊式體系結(jié)構(gòu)的，即嵌入式實時操作系統(tǒng)中引入的協(xié)議是以單塊方式設(shè)計并加以實現(xiàn)的，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及一些新應用不斷增長和變化的要求，這種通用的單塊式結(jié)構(gòu)的協(xié)議往往不能滿足需求。因此，需要把傳統(tǒng)TCP/IP 在不違背協(xié)議標準的前提下加以改進實現(xiàn)，使其實時性得到提高，占用的存儲空間盡可能少，從而滿足嵌入式應用的要求。

Linux 可針對用戶的需求，動態(tài)載入和卸載操作系統(tǒng)構(gòu)件，這種模塊化機制[3]為通信協(xié)議構(gòu)件化提供了前提條件。用戶可以根據(jù)需要，在不對內(nèi)核重新編澤的情況下，能將模塊動態(tài)地載入內(nèi)核或從內(nèi)核移出，內(nèi)核可以僅實現(xiàn)一些基本功能，系統(tǒng)的可擴展性功能就留給模塊來完成，從而使內(nèi)核的大小和通訊量都達到最小。因此，在Linux 中實現(xiàn)協(xié)議構(gòu)件化可以依賴模塊化機制，協(xié)議構(gòu)件由Linux 模塊來實現(xiàn)，模塊能動態(tài)地載入內(nèi)核或從內(nèi)核移出，而不需要對內(nèi)核重新編譯。

本文針對嵌入式服務器的網(wǎng)絡(luò)實時通信的應用，以經(jīng)過實時改進和裁剪的Linux 操作系統(tǒng)作為協(xié)議構(gòu)件化的平臺，對的TCP/IP 協(xié)議棧進行構(gòu)件化。

1 通信協(xié)議構(gòu)件化原理

2 通信協(xié)議分解

為了使協(xié)議構(gòu)件具備動態(tài)鏈接、信息封裝、統(tǒng)一接口等特性，首先要合理分解通信協(xié)議，這關(guān)系到通信協(xié)議構(gòu)件的粒度。從粒度上來看，構(gòu)件的粒度越小，協(xié)議劃分越細，協(xié)議構(gòu)件越多;構(gòu)件粒度越大，協(xié)議劃分越粗，協(xié)議構(gòu)件越少。

協(xié)議構(gòu)件粒度的大小，決定了協(xié)議構(gòu)件模塊化、信息封裝性、局部化的程度，為此必須保證協(xié)議構(gòu)件的獨立性。一旦構(gòu)件具備良好的獨立性，建立在協(xié)議構(gòu)件之上的應用程序構(gòu)件就更容易開發(fā)，接口也會簡化;獨立的模塊也比較容易測試與維護，修改工作量小，錯誤傳播范圍小。如果粒度過小，雖然協(xié)議構(gòu)件獨立性增強，但是構(gòu)件的接口就增加了，給構(gòu)件的組合、構(gòu)件的管理帶來了很多的困難。如果粒度過大，構(gòu)件的尺度增加，獨立性降低，各個構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)度也會增加，不利于構(gòu)件的動態(tài)替換與更新。

粒度的大小可以用兩個定性標準來衡量，分別是內(nèi)聚和耦合。耦合衡量不同構(gòu)件彼此之間相互依賴的緊密程度;內(nèi)聚衡量一個協(xié)議構(gòu)件內(nèi)部各個元素彼此結(jié)合的緊密程度。在對協(xié)議進行構(gòu)件化的時候，采取的策略應當盡量使協(xié)議構(gòu)件之間的耦合度降低，獨立性增強，加強內(nèi)聚性。

目前對構(gòu)件的粒度還沒有統(tǒng)一的要求，由于構(gòu)件是一個高內(nèi)聚的軟件包，只要符合高內(nèi)聚的原則，則構(gòu)件的粒度大小可不限。

3.1.2 通信協(xié)議構(gòu)件化方法由上節(jié)可知，通信協(xié)議分解沒有統(tǒng)一的要求，所以，可以從多個角度對通信協(xié)議進行構(gòu)件化[4]。例如，按構(gòu)件的功能可進行基本協(xié)議構(gòu)件、通用協(xié)議構(gòu)件、對各領(lǐng)域的專用協(xié)議構(gòu)件或子系統(tǒng)協(xié)議構(gòu)件化;按構(gòu)件的使用方式可進行靜態(tài)的和動態(tài)的構(gòu)件化;按構(gòu)件的結(jié)構(gòu)可進行原子構(gòu)件及由多個構(gòu)件*的組合構(gòu)件化;按協(xié)議棧的分層結(jié)構(gòu)可進行層次構(gòu)件化。本文以Linux 下的TCP/IP 協(xié)議層次結(jié)構(gòu)(如圖1 所示)為基礎(chǔ)，按層次構(gòu)件化。即將ARP、IP、ICMP、UDP、TCP 協(xié)議從Linux 內(nèi)核中分離出來，按每個協(xié)議完成的功能劃分成不同的模塊，每個模塊作為一個構(gòu)件。每個構(gòu)件用一個指針函數(shù)實現(xiàn)，這樣，一個基于嵌入式Linux 的應用系統(tǒng)在內(nèi)核啟動時可按需求動態(tài)組裝協(xié)議功能，形成不同配置通信協(xié)議棧，顯示了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的靈活性。[!--empirenews.page--]

考慮到TCP 協(xié)議是面向連接的、端對端的可靠通信協(xié)議，為保證遠程客戶端與本地嵌入式系統(tǒng)服務器的正確通信，采取了相應機制來保證它的可靠性和實時性，即連接的建立與關(guān)閉、超時重傳機制、數(shù)據(jù)包確認機制、流量控制等。因此，將TCP 協(xié)議按應用功能劃分成客戶端模塊和服務器端模塊，前者主動建立連接，后者*連接，連接建立后雙方進行數(shù)據(jù)信息的發(fā)送或接收。

相對于TCP 協(xié)議，ARP、IP、ICMP、UDP 等協(xié)議功能較簡單，對它們不劃分模塊，每個協(xié)議按其完成的功能設(shè)計成一個構(gòu)件，但考慮到嵌入式系統(tǒng)的實時性，去掉了不必要的功能。UDP 協(xié)議設(shè)計時不考慮數(shù)據(jù)校驗方法，只考慮數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。ICMP 協(xié)議設(shè)計時僅考慮了目的端不可達、源端抑制、超時、改變路由等差錯和回送請求處理。IP 協(xié)議設(shè)計時主要進行路由、向相鄰協(xié)議層傳遞數(shù)據(jù)包，而不考慮分片、重裝功能。ARP 協(xié)議主要負責將局域網(wǎng)中的32 位IP 地址轉(zhuǎn)換為對應的網(wǎng)卡的MAC 地址，它的功能包括發(fā)送ARP 請求和響應對方的ARP 請求，動態(tài)維護一個ARP 高速緩存。

3.1.3 通信協(xié)議構(gòu)件組裝

通信協(xié)議構(gòu)件組裝過程如圖2 所示。通信協(xié)議構(gòu)件放在構(gòu)件庫中，系統(tǒng)運行時，嵌入式Linux 操作系統(tǒng)調(diào)度協(xié)議組裝模塊，由該模塊依據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能需求從構(gòu)件庫中取出相應構(gòu)件，動態(tài)配置通信協(xié)議棧。

嵌入式Linux 操作系統(tǒng)

因此，組裝的主要功能是負責實現(xiàn)嵌入式Linux 操作系統(tǒng)和構(gòu)件庫的交互、監(jiān)控構(gòu)件的運行狀況，并記錄構(gòu)件的特征以反饋給構(gòu)件庫。

3.2 通信協(xié)議構(gòu)件化的實現(xiàn)本文借鑒文獻[5]的思想，并結(jié)合上面提出的方法來實現(xiàn)通信協(xié)議構(gòu)件化。各協(xié)議的實現(xiàn)類似，下面以TCP 協(xié)議為例說明實現(xiàn)過程。

將協(xié)議棧初始化文件中為協(xié)議分配內(nèi)核存儲空間、向內(nèi)核保存TCP 協(xié)議棧的鏈表結(jié)構(gòu)、注冊、協(xié)議本身初始化的內(nèi)容移入其模塊中，在模塊開始部分完成分配存儲空間、注冊、初始化等，在模塊結(jié)束部分完成釋放模塊所占內(nèi)核空間、取消注冊、進行重置等。

修改協(xié)議實現(xiàn)文件tcp.c 和tcp.h ，創(chuàng)建新的模塊文件，協(xié)議實現(xiàn)文件中僅保留被其它協(xié)議使用的變量，其它內(nèi)容放在新建的模塊文件中。

協(xié)議提供給其它協(xié)議的函數(shù)接口，由函數(shù)名調(diào)用改為函數(shù)指針調(diào)用，修改頭文件，為該新的接口實現(xiàn)添加定義及聲明，并將函數(shù)指針初始化指向一個空函數(shù)體。將其它協(xié)議中原來通過函數(shù)名調(diào)用改為相應的函數(shù)指針調(diào)用，這些函數(shù)指針是該協(xié)議構(gòu)件的接口，可以保持不變，而接口提供的功能可以依據(jù)需要隨時修改。

修改網(wǎng)絡(luò)部分的內(nèi)核符號表文件，既包括修改之后為其它協(xié)議提供的接口，又包括模塊化之后需要的其它協(xié)議提供的接口。

修改Makeflie 文件，增加相應的模塊化文件列表。

4 通信協(xié)議測試

構(gòu)件化的協(xié)議的運行情況在MagicARM2200 目標板上進行測試，測試前需要配置軟硬

件環(huán)境，配置過程如下：用串口線和簡易仿真器連接PC 機和目標板，使用兩條獨立的網(wǎng)線分別將它們連接到以太網(wǎng);在PC 機上安裝虛擬機5.5 和Red Hat Linux 9 ，將經(jīng)過實時改進和裁剪的Linux 移植到該目標板。

4.1 測試ARP 協(xié)議構(gòu)件

在內(nèi)核無ARP 協(xié)議支持時，為了顯示ARP 緩存中的MAC、IP 地址信息，運行arp -a 命令，結(jié)果為空，并且其它網(wǎng)絡(luò)應用都不能工作，整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部分由于該底層協(xié)議的失效而癱瘓。將ARP 協(xié)議構(gòu)件用insmod 命令裝入后，網(wǎng)絡(luò)部分恢復正常。

4.2 測試ICMP 協(xié)議構(gòu)件

在內(nèi)核不加載ICMP 協(xié)議構(gòu)件時，從外界ping 主機，ping 命令顯示超時，即ping 不通。內(nèi)核接收及處理傳來的ICMP 數(shù)據(jù)包的函數(shù)接口找不到相應的功能實現(xiàn)，不能正常返回確認消息包。在將ICMP 協(xié)議構(gòu)件用insmod 命令裝入后，處理數(shù)據(jù)包的函數(shù)正確執(zhí)行，顯示能夠ping 通。響應時間如表1 所示。

從表1 可以看出，當ICMP 協(xié)議作為模塊被加載后，ping 命令的響應時間比該協(xié)議編譯進內(nèi)核的長，增長的幅度為(0.668-0.611)/0.611=0.093 ，性能下降不超過1%。而且，從內(nèi)核啟動速度來看，構(gòu)件化ICMP 協(xié)議的結(jié)果，由于構(gòu)件化的內(nèi)核在網(wǎng)絡(luò)部分啟動過程中沒有初始化ICMP 協(xié)議部分，啟動速度略有提高。

4.3 測試UDP 協(xié)議構(gòu)件

為了便于觀察系統(tǒng)性能的變化，本文采用Linux 網(wǎng)絡(luò)性能測試軟件Netperf 對UDP 協(xié)議構(gòu)件進行測試，主要測試UDP 的批量數(shù)據(jù)傳輸性能、請求和響應性能。測試結(jié)果如表2 所示。

從表2 可以看出，協(xié)議構(gòu)件化之后的網(wǎng)絡(luò)性能有損失，其數(shù)據(jù)傳輸性能的下降幅度為(l55.2-140.3)/155.2=0.096 ，請求/響應性能的下降幅度為(620.1-*.9)/620.1=0.025 ，它們都低于一個數(shù)量級。

4.4 測試TCP 協(xié)議構(gòu)件

在目標板和PC 機之間進行測試，PC 機作為客戶端，目標板作為服務器，并編寫客戶端和服務器測試程序。在內(nèi)核不加載TCP 協(xié)議構(gòu)件時，運行客戶端程序，PC 機提示不能和服務器連接;加載TCP 協(xié)議構(gòu)件后，再次運行客戶端程序，觀察PC 機，顯示連接成功，在目標板上鍵入字符，在PC 機上可以顯示接收到的字符。

從上面的測試結(jié)果可知，對Linux 下的TCP/IP 構(gòu)件化后，盡管系統(tǒng)性能會略有損失，但損失不大，用此較小的代價可以換取升級、維護的成本大大降低、新協(xié)議開發(fā)時間大大縮短，從而說明構(gòu)件化協(xié)議的可行性和優(yōu)越性，在實際應用中可以認為是一種有效的方法。

5 結(jié)論

本文針對嵌入式服務器的網(wǎng)絡(luò)實時通信的應用，將構(gòu)件技術(shù)引入Linux 的TCP/IP 協(xié)議設(shè)計中，提出了一種構(gòu)件化TCP/IP 協(xié)議棧中主要協(xié)議的方法，并對構(gòu)件化的協(xié)議進行測試，結(jié)果表明構(gòu)件化的協(xié)議可以動態(tài)載入實時改進和裁剪的Linux 系統(tǒng)，不僅減少了嵌入式Linux 內(nèi)核的尺寸，而且增強了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計的靈活性。[!--empirenews.page--]