1 引言

現今較為流行的操作系統Linux，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境還有許多缺點。特別是在運行內核線程時，Linux 關閉中斷，而且分時調度虛擬文件系統的時間不確定性、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是現代嵌入式操作系統的解決方案，也日益成為人們關注的課題。

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

2 構件技術介紹

早在60 年代，“軟件構件”與“軟件組裝生產線”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，采用構件技術實現軟件復用，采用“搭積木”的方式生產軟件，成為軟件業長期的夢想。然而，由于技術水平的限制，在很長一段時間內，構件技術只是作為一種思想存在，直到CORBA 、J2EE、.NET 出現，中間件興起以后，構件技術才逐漸走向現實。

構件最大的特點是可以不斷復用、降低成本、縮短開發周期。從構件技術的實現來看，它規定了一種普遍使用的抽象“標準”，即規定了一組相同的結構類接口來實現動態交流。通信協議引入構件技術設計，可提供代碼的可重用性，使程序開發周期縮短，分工更加明細，使整個協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。從而解決了網絡通信中存在的四個基本問題：基本的構件互操作性、協議版本升級、實現語言無關性、透明的跨進程互操作性。

軟件構件技術是建立在面向對象技術之上的，它提供了比面向對象技術更為高級的抽象，通常是對一組類進行封裝，通過固定的接口來調用該構件所提供的方法。構件技術成為了嵌入式操作系統和嵌入式應用軟件的發展趨勢。利用構件技術把單塊式的網絡協議分割成多個獨立的構件，每一個構件都可以被新的構件更新、替換，一組相關的構件提供特定的服務。因此，系統就可以通過選擇相應的網絡協議構件進行組裝來通信。

3通信協議構件化

隨著嵌入式系統與網絡的日益結合，在嵌入式實時操作系統中引入TCP/IP 協議棧，以支持嵌入式設備接入網絡，成為嵌入式領域重要的研究方向。但是傳統的TCP/IP 協議實現存在實時性能較差，不能滿足實時性要求高的嵌入式領域;傳統TCP/IP 的實現過于復雜，需占用大量系統資源，而嵌入式應用的系統資源往往都很有限;傳統的TCP/IP 協議系統是基于單塊式體系結構的，即嵌入式實時操作系統中引入的協議是以單塊方式設計并加以實現的，隨著網絡技術的不斷發展，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構的協議往往不能滿足需求。因此，需要把傳統TCP/IP 在不違背協議標準的前提下加以改進實現，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，動態載入和卸載操作系統構件，這種模塊化機制為通信協議構件化提供了前提條件。用戶可以根據需要，在不對內核重新編澤的情況下，能將模塊動態地載入內核或從內核移出，內核可以僅實現一些基本功能，系統的可擴展性功能就留給模塊來完成，從而使內核的大小和通訊量都達到最小。因此，在Linux 中實現協議構件化可以依賴模塊化機制，協議構件由Linux 模塊來實現，模塊能動態地載入內核或從內核移出，而不需要對內核重新編譯。

本文針對嵌入式服務器的網絡實時通信的應用，以經過實時改進和裁剪的Linux 操作系統作為協議構件化的平臺，對的TCP/IP 協議棧進行構件化。

1 通信協議構件化原理

2 通信協議分解

為了使協議構件具備動態鏈接、信息封裝、統一接口等特性，首先要合理分解通信協議，這關系到通信協議構件的粒度。從粒度上來看，構件的粒度越小，協議劃分越細，協議構件越多;構件粒度越大，協議劃分越粗，協議構件越少。

協議構件粒度的大小，決定了協議構件模塊化、信息封裝性、局部化的程度，為此必須保證協議構件的獨立性。一旦構件具備良好的獨立性，建立在協議構件之上的應用程序構件就更容易開發，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，雖然協議構件獨立性增強，但是構件的接口就增加了，給構件的組合、構件的管理帶來了很多的困難。如果粒度過大，構件的尺度增加，獨立性降低，各個構件之間的關聯度也會增加，不利于構件的動態替換與更新。

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

目前對構件的粒度還沒有統一的要求，由于構件是一個高內聚的軟件包，只要符合高內聚的原則，則構件的粒度大小可不限。

3.1.2 通信協議構件化方法

由上節可知，通信協議分解沒有統一的要求，所以，可以從多個角度對通信協議進行構件化。例如，按構件的功能可進行基本協議構件、通用協議構件、對各領域的專用協議構件或子系統協議構件化;按構件的使用方式可進行靜態的和動態的構件化;按構件的結構可進行原子構件及由多個構件*的組合構件化;按協議棧的分層結構可進行層次構件化。本文以Linux 下的TCP/IP 協議層次結構（如圖1 所示）為基礎，按層次構件化。即將ARP、IP、ICMP、UDP、TCP 協議從Linux 內核中分離出來，按每個協議完成的功能劃分成不同的模塊，每個模塊作為一個構件。每個構件用一個指針函數實現，這樣，一個基于嵌入式Linux 的應用系統在內核啟動時可按需求動態組裝協議功能，形成不同配置通信協議棧，顯示了系統網絡通信的靈活性。

考慮到TCP 協議是面向連接的、端對端的可靠通信協議，為保證遠程客戶端與本地嵌入式系統服務器的正確通信，采取了相應機制來保證它的可靠性和實時性，即連接的建立與關閉、超時重傳機制、數據包確認機制、流量控制等。因此，將TCP 協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據信息的發送或接收。

相對于TCP 協議，ARP、IP、ICMP、UDP 等協議功能較簡單，對它們不劃分模塊，每個協議按其完成的功能設計成一個構件，但考慮到嵌入式系統的實時性，去掉了不必要的功能。UDP 協議設計時不考慮數據校驗方法，只考慮數據的發送和接收功能。ICMP 協議設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 協議設計時主要進行路由、向相鄰協議層傳遞數據包，而不考慮分片、重裝功能。ARP 協議主要負責將局域網中的32 位IP 地址轉換為對應的網卡的MAC 地址，它的功能包括發送ARP 請求和響應對方的ARP 請求，動態維護一個ARP 高速緩存。

3.1.3 通信協議構件組裝

通信協議構件組裝過程如圖2 所示。通信協議構件放在構件庫中，系統運行時，嵌入式Linux 操作系統調度協議組裝模塊，由該模塊依據系統網絡功能需求從構件庫中取出相應構件，動態配置通信協議棧。

因此，組裝的主要功能是負責實現嵌入式Linux 操作系統和構件庫的交互、監控構件的運行狀況，并記錄構件的特征以反饋給構件庫。

3.2 通信協議構件化的實現

本文借鑒文獻的思想，并結合上面提出的方法來實現通信協議構件化。各協議的實現類似，下面以TCP 協議為例說明實現過程。

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

修改協議實現文件tcp.c 和tcp.h ，創建新的模塊文件，協議實現文件中僅保留被其它協議使用的變量，其它內容放在新建的模塊文件中。

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

修改網絡部分的內核符號表文件，既包括修改之后為其它協議提供的接口，又包括模塊化之后需要的其它協議提供的接口。

修改Makeflie 文件，增加相應的模塊化文件列表。

4 通信協議測試

構件化的協議的運行情況在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，使用兩條獨立的網線分別將它們連接到以太網;在PC 機上安裝虛擬機5.5 和Red Hat Linux 9 ，將經過實時改進和裁剪的Linux 移植到該目標板。

4.1 測試ARP 協議構件

在內核無ARP 協議支持時，為了顯示ARP 緩存中的MAC、IP 地址信息，運行arp -a 命令，結果為空，并且其它網絡應用都不能工作，整個系統的網絡部分由于該底層協議的失效而癱瘓。將ARP 協議構件用insmod 命令裝入后，網絡部分恢復正常。

4.2 測試ICMP 協議構件

在內核不加載ICMP 協議構件時，從外界ping 主機，ping 命令顯示超時，即ping 不通。內核接收及處理傳來的ICMP 數據包的函數接口找不到相應的功能實現，不能正常返回確認消息包。在將ICMP 協議構件用insmod 命令裝入后，處理數據包的函數正確執行，顯示能夠ping 通。響應時間如表1 所示。

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

4.3 測試UDP 協議構件

為了便于觀察系統性能的變化，本文采用Linux 網絡性能測試軟件Netperf 對UDP 協議構件進行測試，主要測試UDP 的批量數據傳輸性能、請求和響應性能。測試結果如表2 所示。

從表2 可以看出，協議構件化之后的網絡性能有損失，其數據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 ，它們都低于一個數量級。

4.4 測試TCP 協議構件

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。在內核不加載TCP 協議構件時，運行客戶端程序，PC 機提示不能和服務器連接;加載TCP 協議構件后，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。

從上面的測試結果可知，對Linux 下的TCP/IP 構件化后，盡管系統性能會略有損失，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、新協議開發時間大大縮短，從而說明構件化協議的可行性和優越性，在實際應用中可以認為是一種有效的方法。

5 結論

本文針對嵌入式服務器的網絡實時通信的應用，將構件技術引入Linux 的TCP/IP 協議設計中，提出了一種構件化TCP/IP 協議棧中主要協議的方法，并對構件化的協議進行測試，結果表明構件化的協議可以動態載入實時改進和裁剪的Linux 系統，不僅減少了嵌入式Linux 內核的尺寸，而且增強了系統網絡通信協議設計的靈活性。