1 导言
如今较为盛行的操作体系Linux，本着敞开、自在的精力招引了全世界的目光，但将它运用于嵌入式实时环境还有许多缺陷。特别是在运转内核线程时，Linux 封闭中止，并且分时调度虚拟文件体系的时刻不确定性、缺少高精度的计时器等问题都是需求处理的，所以在Linux 上进行实时改善，树立具有实时运用才能的操作体系是现代嵌入式操作体系的处理方案，也日益成为人们重视的课题。
现在，大多数嵌入式设备都具有存储容量小、处理速度慢和网络运用单一等特色，在这样的嵌入式体系中运用传统的单块式网络协议栈就存在问题：一是假如协议栈中某个子协议功用需求晋级，就要晋级整个协议栈乃至从头编译悉数内核文件，作业流程杂乱;二是协议栈不行灵敏，不能根据嵌入式体系对网络通讯的实践需求装备其内容。
2 构件技能介绍
早在60 时代，“软件构件”与“软件拼装出产线”思维在世界北大西洋公约组织软件工程会议上被提出来，从此，选用构件技能完结软件复用，选用“搭积木”的办法出产软件，成为软件业长时刻的愿望。可是，因为技能水平的约束，在很长一段时刻内，构件技能仅仅作为一种思维存在，直到CORBA 、J2EE、.NET 呈现，中间件鼓起今后，构件技能才逐步走向实践。
构件最大的特色是能够不断复用、下降本钱、缩短开发周期。从构件技能的完结来看，它规则了一种遍及运用的笼统“规范”，即规则了一组相同的结构类接口来完结动态沟通。通讯协议引进构件技能规划，可供给代码的可重用性，使程序开发周期缩短，分工愈加明细，使整个协议体系具有了更好的可装备性、高效性、可重用性、可扩展性和可表达性。然后处理了网络通讯中存在的四个根本问题：根本的构件互操作性、协议版别晋级、完结言语无关性、通明的跨进程互操作性。
软件构件技能是树立在面向对象技能之上的，它供给了比面向对象技能更为高档的笼统，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供给的办法。构件技能成为了嵌入式操作体系和嵌入式运用软件的发展趋势。运用构件技能把单块式的网络协议分割成多个独立的构件，每一个构件都能够被新的构件更新、替换，一组相关的构件供给特定的服务。因而，体系就能够通过挑选相应的网络协议构件进行拼装来通讯。
3通讯协议构件化
跟着嵌入式体系与网络的日益结合，在嵌入式实时操作体系中引进TCP/IP 协议栈，以支撑嵌入式设备接入网络，成为嵌入式范畴重要的研讨方向。可是传统的TCP/IP 协议完结存在实时功用较差，不能满意实时性要求高的嵌入式范畴;传统TCP/IP 的完结过于杂乱，需占用许多体系资源，而嵌入式运用的体系资源往往都很有限;传统的TCP/IP 协议体系是根据单块式体系结构的，即嵌入式实时操作体系中引进的协议是以单块办法规划并加以完结的，跟着网络技能的不断发展，以及一些新运用不断添加和改动的要求，这种通用的单块式结构的协议往往不能满意需求。因而，需求把传统TCP/IP 在不违反协议规范的前提下加以改善完结，使其实时性得到进步，占用的存储空间尽可能少，然后满意嵌入式运用的要求。
Linux 可针对用户的需求，动态载入和卸载操作体系构件，这种模块化机制为通讯协议构件化供给了前提条件。用户能够根据需求，在不对内核从头编泽的状况下，能将模块动态地载入内核或从内核移出，内核能够仅完结一些根本功用，体系的可扩展性功用就留给模块来完结，然后使内核的巨细和通讯量都到达最小。因而，在Linux 中完结协议构件化能够依靠模块化机制，协议构件由Linux 模块来完结，模块能动态地载入内核或从内核移出，而不需求对内核从头编译。
本文针对嵌入式服务器的网络实时通讯的运用，以通过实时改善和裁剪的Linux 操作体系作为协议构件化的渠道，对的TCP/IP 协议栈进行构件化。
1 通讯协议构件化原理
2 通讯协议分化
为了使协议构件具有动态链接、信息封装、一致接口等特性，首先要合理分化通讯协议，这关系到通讯协议构件的粒度。从粒度上来看，构件的粒度越小，协议区分越细，协议构件越多;构件粒度越大，协议区分越粗，协议构件越少。
协议构件粒度的巨细，决议了协议构件模块化、信息封装性、部分化的程度，为此有必要确保协议构件的独立性。一旦构件具有杰出的独立性，树立在协议构件之上的运用程序构件就更简略开发，接口也会简化;独立的模块也比较简略测验与保护，修正作业量小，过错传达规模小。假如粒度过小，虽然协议构件独立性增强，可是构件的接口就添加了，给构件的组合、构件的办理带来了许多的困难。假如粒度过大，构件的规范添加，独立性下降，各个构件之间的关联度也会添加，不利于构件的动态替换与更新。
粒度的巨细能够用两个定性规范来衡量，别离是内聚和耦合。耦合衡量不同构件互相之间相互依靠的严密程度;内聚衡量一个协议构件内部各个元素互相结合的严密程度。在对协议进行构件化的时分，采纳的战略应当尽量使协议构件之间的耦合度下降，独立性增强，加强内聚性。
现在对构件的粒度还没有一致的要求，因为构件是一个高内聚的软件包，只需契合高内聚的准则，则构件的粒度巨细可不限。
3.1.2 通讯协议构件化办法
由上节可知，通讯协议分化没有一致的要求，所以，能够从多个视点对通讯协议进行构件化。例如，按构件的功用可进行根本协议构件、通用协议构件、对各范畴的专用协议构件或子体系协议构件化;按构件的运用办法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）为根底，按层次构件化。行将ARP、IP、ICMP、UDP、TCP 协议从Linux 内核中分离出来，按每个协议完结的功用区分红不同的模块，每个模块作为一个构件。每个构件用一个指针函数完结，这样，一个根据嵌入式Linux 的运用体系在内核发动时可按需求动态拼装协议功用，构成不同装备通讯协议栈，显现了体系网络通讯的灵敏性。
考虑到TCP 协议是面向衔接的、端对端的牢靠通讯协议，为确保长途客户端与本地嵌入式体系服务器的正确通讯，采纳了相应机制来确保它的牢靠性和实时性，即衔接的树立与封闭、超时重传机制、数据包承认机制、流量操控等。因而，将TCP 协议按运用功用区分红客户端模块和服务器端模块，前者自动树立衔接，后者*衔接，衔接树立后两边进行数据信息的发送或接纳。
相对于TCP 协议，ARP、IP、ICMP、UDP 等协议功用较简略，对它们不区分模块，每个协议按其完结的功用规划成一个构件，但考虑到嵌入式体系的实时性，去掉了不必要的功用。UDP 协议规划时不考虑数据校验办法，只考虑数据的发送和接纳功用。ICMP 协议规划时仅考虑了意图端不可达、源端按捺、超时、改动路由等过失和回送恳求处理。IP 协议规划时首要进行路由、向相邻协议层传递数据包，而不考虑分片、重装功用。ARP 协议首要担任将局域网中的32 位IP 地址转换为对应的网卡的MAC 地址，它的功用包含发送ARP 恳求和呼应对方的ARP 恳求，动态保护一个ARP 高速缓存。
3.1.3 通讯协议构件拼装
通讯协议构件拼装进程如图2 所示。通讯协议构件放在构件库中，体系运转时，嵌入式Linux 操作体系调度协议拼装模块，由该模块根据体系网络功用需求从构件库中取出相应构件，动态装备通讯协议栈。
因而，拼装的首要功用是担任完结嵌入式Linux 操作体系和构件库的交互、监控构件的运转状况，并记载构件的特征以反馈给构件库。
3.2 通讯协议构件化的完结
本文学习文献的思维，并结合上面提出的办法来完结通讯协议构件化。各协议的完结相似，下面以TCP 协议为例阐明完结进程。
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、协议自身初始化的内容移入其模块中，在模块开端部分完结分配存储空间、注册、初始化等，在模块完毕部分完结开释模块所占内核空间、撤销注册、进行重置等。
修正协议完结文件tcp.c 和tcp.h ，创立新的模块文件，协议完结文件中仅保存被其它协议运用的变量，其它内容放在新建的模块文件中。
协议供给给其它协议的函数接口，由函数名调用改为函数指针调用，修正头文件，为该新的接口完结添加界说及声明，并将函数指针初始化指向一个空函数体。将其它协议中本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，能够坚持不变，而接口供给的功用能够根据需求随时修正。
修正网络部分的内核符号表文件，既包含修正之后为其它协议供给的接口，又包含模块化之后需求的其它协议供给的接口。
修正Makeflie 文件，添加相应的模块化文件列表。
4 通讯协议测验
构件化的协议的运转状况在MagicARM2200 方针板上进行测验，测验前需求装备软硬件环境，装备进程如下：用串口线和简易仿真器衔接PC 机和方针板，运用两条独立的网线别离将它们衔接到以太网;在PC 机上装置虚拟机5.5 和Red Hat Linux 9 ，将通过实时改善和裁剪的Linux 移植到该方针板。
4.1 测验ARP 协议构件
在内核无ARP 协议支撑时，为了显现ARP 缓存中的MAC、IP 地址信息，运转arp -a 指令，成果为空，并且其它网络运用都不能作业，整个体系的网络部分因为该底层协议的失效而瘫痪。将ARP 协议构件用insmod 指令装入后，网络部分康复正常。
4.2 测验ICMP 协议构件
在内核不加载ICMP 协议构件时，从外界ping 主机，ping 指令显现超时，即ping 不通。内核接纳及处理传来的ICMP 数据包的函数接口找不到相应的功用完结，不能正常回来承认音讯包。在将ICMP 协议构件用insmod 指令装入后，处理数据包的函数正确履行，显现能够ping 通。呼应时刻如表1 所示。
从表1 能够看出，当ICMP 协议作为模块被加载后，ping 指令的呼应时刻比该协议编译进内核的长，添加的起伏为（0.668-0.611）/0.611=0.093 ，功用下降不超越1%。并且，从内核发动速度来看，构件化ICMP 协议的成果，因为构件化的内核在网络部分发动进程中没有初始化ICMP 协议部分，发动速度略有进步。
4.3 测验UDP 协议构件
为了便于调查体系功用的改动，本文选用Linux 网络功用测验软件Netperf 对UDP 协议构件进行测验，首要测验UDP 的批量数据传输功用、恳求和呼应功用。测验成果如表2 所示。
从表2 能够看出，协议构件化之后的网络功用有丢失，其数据传输功用的下降起伏为（l55.2-140.3）/155.2=0.096 ，恳求/呼应功用的下降起伏为（620.1-*.9）/620.1=0.025 ，它们都低于一个数量级。
4.4 测验TCP 协议构件
在方针板和PC 机之间进行测验，PC 机作为客户端，方针板作为服务器，并编写客户端和服务器测验程序。在内核不加载TCP 协议构件时，运转客户端程序，PC 机提示不能和服务器衔接;加载TCP 协议构件后，再次运转客户端程序，调查PC 机，显现衔接成功，在方针板上键入字符，在PC 机上能够显现接纳到的字符。
从上面的测验成果可知，对Linux 下的TCP/IP 构件化后，虽然体系功用会略有丢失，但丢失不大，用此较小的价值能够交换晋级、保护的本钱大大下降、新协议开发时刻大大缩短，然后阐明构件化协议的可行性和优越性，在实践运用中能够认为是一种有用的办法。
5 定论
本文针对嵌入式服务器的网络实时通讯的运用，将构件技能引进Linux 的TCP/IP 协议规划中，提出了一种构件化TCP/IP 协议栈中首要协议的办法，并对构件化的协议进行测验，成果表明构件化的协议能够动态载入实时改善和裁剪的Linux 体系，不只减少了嵌入式Linux 内核的尺度，并且增强了体系网络通讯协议规划的灵敏性。
