利用ColdFire uClinux實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸

1 防危核技術(shù)

防危核關(guān)心的是如何保護設(shè)備不被非法訪問，以避免因?qū)υO(shè)備的誤操作引起的重大生命財產(chǎn)損

為了不影響系統(tǒng)的性能，防危核應(yīng)盡可能小，為此系統(tǒng)所有的防危核策略均由防危核為實施是不現(xiàn)實的。采用將防危策略放在防危核外部的防危策略庫中的方法，縮小防危核的大小主，防危核在防危處理時訪問防危策略庫，以獲取相應(yīng)防危策略。

（2）完備性

完備性要求，不通過防危核主體就不能對客體進行任何訪問操作。它表明對設(shè)備的任何訪問請求都必須通過防危核的驗證。如果系統(tǒng)中存在其它組件可以繞開防危核訪問設(shè)備，顯然安全將無法得到保障。所以采用了防危核技術(shù)的系統(tǒng)必須要保證防危核對設(shè)備的專一控制。

（3）通用性

通用性指防危核模塊的基本結(jié)構(gòu)不依賴于任何特定的操作系統(tǒng)和設(shè)備，只需要操作系統(tǒng)和設(shè)備滿足防危核的接口要求，并修改策略庫，就可以將防危核軟件應(yīng)用到任何操作系統(tǒng)和設(shè)備中。 2 開發(fā)平臺rt-linux os構(gòu)架與特征

通常，安全關(guān)鍵系統(tǒng)對實時性有嚴格要求，我們選擇rt-linux操作系統(tǒng)為安全實驗?zāi)Ｐ偷拈_發(fā)平臺。

rt-linux是美國nmt大學對標準linux的一個實時擴展版本，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它實際上是給原linux內(nèi)核打了實時補丁，打了補丁的linux內(nèi)核由兩部分組成：rt-linux和linux。在rt-linux內(nèi)核實時應(yīng)用（任務(wù)）則是一種可加載的內(nèi)核模塊，具有高的優(yōu)先級。另外，所有的中斷都先由rt-linux來處理，之后才由標準的內(nèi)核來處理。非實時任務(wù)通過rt-linux提供的fifo（一種透明的管道）與實時任務(wù)通信。

rt-linux可以提供應(yīng)用程序的硬實時保證。所謂“硬實時”是區(qū)別“軟實時”而言的。硬實時對滿足時限的要求比軟實時嚴格，通常硬實時的系統(tǒng)響應(yīng)時間在ms或μs級，而軟實時對其響應(yīng)時間的要求沒有那么嚴格。硬實時工作通常指超過時限要求就會造成嚴重損害的工作，而軟實時即使超過時限也不會帶來嚴重后果。以核能電廠和看vcd為例，用在核能電廠的實時操作系統(tǒng)，如果超出時限可能會導致嚴重的損害，然而vcd播放器超出時限只不過讓使用者感覺不舒服而已。所以前者是硬實時，后者是軟實時。

這樣一種linux實時化方案，對原linux改動最小，又能充分利用標準linux的全部特性，從而能滿足實時系統(tǒng)防危核控制模型研究的諸多要求，因此，nmt rt-linux是本安全模型研究的最佳實驗平臺。

通常，基于rt-linux的應(yīng)用程序由兩部分組成：一部分運行在real-time下，另一部分運行在標準的linux下。運行在real-time下的任務(wù)是實時任務(wù)，它作為linux的內(nèi)核模塊（module）被加載到linux內(nèi)核中，也就是它運行于linux內(nèi)核態(tài)，因此需要使用linux內(nèi)核態(tài)資源。本控制模型系統(tǒng)中的防危核正是作為實時任務(wù)運行于linux內(nèi)核態(tài)，而十字路口交通燈控制設(shè)備運行于標準linux下。控制設(shè)備任務(wù)采用linux的tcl/tk圖形編程語言編程，以友好、形象、直觀的界面模擬防危核對十字路口交通燈的控制。下面將分別介紹上述資源。

3.1 內(nèi)核模塊加載機制 linux提供的可加載內(nèi)核模塊（module）是linux內(nèi)核支持的動態(tài)可加載模塊，它們是核心的一部分；但是并沒有編譯到核心里面去，只是一個目標文件，可根據(jù)需要在系統(tǒng)啟動后動態(tài)地加載或卸載，linux中大多數(shù)設(shè)備驅(qū)動程序或文件系統(tǒng)都做成這樣的模塊。超級用戶可以通過insmod和rmmod命令分別載入和卸載模塊。核心也可在需要時，請求守護進程（kerneld）載入和卸載模塊。這種方式可以減小核心代碼的規(guī)模，使核心配置更為靈活，并且用戶不必每次修改后都重新編譯核心代碼和啟動系統(tǒng)。

一旦linux模塊載入核心后，就成為核心代碼的一部分。它與其它核心代碼的地位是相同的。當模塊載入系統(tǒng)核心時，系統(tǒng)修改核心中的符號表，將新裁入模塊提供的資源和符號加載核心符號表中，新載入的模塊可以訪問已載入的模塊提供的資源為自己服務(wù)。 3.2 tcl/tk圖形編程語言

本系統(tǒng)中的圖形用戶界面采用tcl/tk圖形編程語言，使界面友好、形象、直觀。tcl是tool control language（工具控制語言）的縮寫。tk是tcl“圖形工具箱”的擴展，它提供各種標準的gul接口，以利于迅速進行高級應(yīng)用程序開發(fā)。

tcl/tk是一種解釋執(zhí)行的腳本語言，應(yīng)用中通常將嵌入到c程序中?！靶∏?、易學、高效、跨平臺執(zhí)行”是tcl語言特點的集中體現(xiàn)。實際上，tcl不僅僅在開發(fā)小的應(yīng)用程序上有其快速、可維護性強等優(yōu)勢，在大型應(yīng)用系統(tǒng)方面，如操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)管理、測試系統(tǒng)、自控、仿真、可視化應(yīng)用及計算機輔助設(shè)計等方面都有豐富的應(yīng)用成果。

4 防危核實驗原型的設(shè)計與實現(xiàn)

圖3為以交通燈控制為模型的防危核系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

由圖3可以看出，整個系統(tǒng)由四個部分組成：防危核、模擬設(shè)備、設(shè)備控制器、命令文件。防危核作為rt-linux的實時任務(wù)，與模擬設(shè)備、設(shè)備控制器間的通信采用rt-linux提供的實時fifo；而模擬設(shè)備和設(shè)備控制器間的通信使用linux提供的非實時命名管道。下面仔細分析各模擬所提供的功能。2⑤⑥⑦sδδλδωω·αγ∈βθθθ→→→→ττ 防危核模塊的設(shè)計和實現(xiàn)

系統(tǒng)在運行時先通過命令insmod將防危核動態(tài)加載到linux內(nèi)核中，于是它便一直運行內(nèi)核態(tài)。當不需要時再用命令rmmod手動卸載。這種方式下會對操作系統(tǒng)內(nèi)核的基本功能產(chǎn)生任何影響，同時又可以保證demo系統(tǒng)的實時性。

下面定義以交通燈為模型的防危系統(tǒng)的防危策略。

返回值=0；

/*表明經(jīng)防危核驗證為正確命令*/

返回值=1；

/*命令經(jīng)防危核直接傳送到模擬設(shè)備而未經(jīng)過安全檢測模塊驗證，模擬設(shè)備狀態(tài)根據(jù)此值改變*/

返回值=2；

/*當前設(shè)備狀態(tài)驗證失敗，失敗原因不明。

措施：模擬設(shè)備保持當前狀態(tài)不變*/

返回值=3；

/*同一個方向有多個信號燈同時開啟。

措施：所有交通燈都關(guān)閉，然后在收到新的命令前設(shè)備執(zhí)行缺省命令序列，此處由模擬設(shè)備接到“3”時直接處理*/

返回值=4；

/*四個方向同時為黃燈或綠燈。

措施：系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)。在收到新的命令前設(shè)備執(zhí)行缺省狀態(tài)*/

反回值=5；

/*命令驗證失敗，失敗原因不明，

措施：模擬設(shè)備保持當前狀態(tài)不變*/

返回值=6；

/*信號燈保持當前狀態(tài)的時間短于最短時間（<2s），

措施：模擬設(shè)備自動延遲（sleep(time)）顯示此命令*/

返回值=7；

/*使同一個方向有多個信號燈同時開啟的信號燈命令錯誤。

措施：不執(zhí)行此命令，保持當前信號燈狀態(tài)*/

返回值=8；

/*命令的執(zhí)行將會使信號燈變化的順序不正確。

措施：不執(zhí)行此命令，保持當前信號燈狀態(tài)*/

返回值=9；

/*四個方面同時為黃燈或綠燈的命令。

措施：不執(zhí)行此命令，保持不前信號燈狀態(tài)*/

4.2 模擬設(shè)備模塊

防危核系統(tǒng)中以十字路口交通燈模擬外部設(shè)備。當經(jīng)防危驗證設(shè)備命令合法時，此模擬接受防危核傳入的真實設(shè)備命令int realcmd（），并向防危核返回設(shè)備當前最新狀態(tài)。用圖形方式形象、直觀地顯示設(shè)備本身的實時狀態(tài)（交通燈顏色的變化）、模擬設(shè)備當前接收的命令和命令驗證結(jié)果（合法或非法命令，對非法命令顯示出錯原因）。

該進程中設(shè)有三個線程，其中第一個線程專門用于讀管道fifo6（實時管道）獲取防危核發(fā)送的控制命令，第二個線程讀管道m(xù)yfifo（非實時管道）獲取命令控制器發(fā)送的設(shè)備控制命令，第三個線程用tcl/tk腳本語言實現(xiàn)模擬設(shè)備形象、美觀的圖形顯示功能。當模擬設(shè)備啟動后，自動進行初始化并調(diào)用缺省的交通燈控制命令序列完成基本操作，直以有來自設(shè)備控制和防危核的設(shè)備控制命令為止。若交通燈的顯示時間超過一定時間，則強制設(shè)備執(zhí)行缺省的設(shè)備狀態(tài)。

4.3 設(shè)備控制器模塊

模擬設(shè)備控制器作為一個進程獨立運行，控制器先從命令文件中獲取命令參數(shù)，然后根據(jù)命令的防危等級分別向模擬設(shè)備和防危核發(fā)送設(shè)備操作命令（包括正常的和不正常的操作命令）。命令中設(shè)置了時間控制參數(shù)，控制器按此時間間隔值發(fā)送設(shè)備命令。

4.4 設(shè)備命令文件

設(shè)備命令文件中存放了各種對交通燈的操作命令，包括正常和不正確命令。命令執(zhí)行有三種防危等級可供選擇：第一種，不通過防危核的命令，操作命令直接由設(shè)備控制器發(fā)送到模擬設(shè)備；第二種，通過防危核并驗證其正確性的命令，此時防危核將調(diào)用防危策略庫的相應(yīng)防危策略驗證命令，然后將驗證結(jié)果發(fā)送到模擬設(shè)備；第三種，通過防危核但不驗證設(shè)備操作的命令，命令被防危核直接送到模擬設(shè)備。設(shè)計三種等級命令的目的在于，比較是否使用防危核或是否進行命令驗證在系統(tǒng)性能和防危性上的差異。

設(shè)備的命令格式為：char sourcecmd="cmd east-light,cmd north-light,cmd west-light,cmd south-light,int time,bool verifiedl,bool verfied2"。操作命令要對十字路口的12盞交通燈進行操作控制。參數(shù)time指本命令相對于前一條命令延遲多長時間發(fā)送。參數(shù)verified1=0表示不經(jīng)過防危核驗證直接傳送到設(shè)備的命令；verified1=1表示要經(jīng)過防危核驗證。verified2=0表示該命令直接發(fā)送到模擬設(shè)備不經(jīng)過防危核的任何處理；verified2=1表示該命令要通過防危核。

struct cmd

{

char first-light-color;

char second-light-color;

char third-light-color;

}

first-light-color,second-light-color,third-light-color表示每個方向三盞燈的顏色插入相應(yīng)的顏色的圖片。整個圖形界面形象、美觀。

5 實驗系統(tǒng)的測試評價

根據(jù)防危核設(shè)計要求，從防危核的大小、對系統(tǒng)實時性的影響以及完備性三方面對本實驗系統(tǒng)進行測試。

①防危核大小：防危核所編譯后的目標文件為5kb，相對于rt-linux內(nèi)核源碼是非常小的。

②時間開銷：將防危核對控制命令驗證所需時間進行了200次測試，得出其平均時間僅10μs左右，說明防危核對系統(tǒng)實時性影響非常小。

③完備性：將防危核對第二種控制命令各種情況的防危處理結(jié)果表明，防危核的驗證結(jié)果完全正確。說明滿足防危核完備性要求。

以上對防危核的測試結(jié)果表明，本控制模型完全滿足防危核設(shè)計要求，防危核機制完全可以在實時操作系統(tǒng)中使用。 結(jié)語

根據(jù)防危核等相關(guān)理論并結(jié)合rt-linux操作系統(tǒng)本身的特色，本文先從理論上分析了在rt-linux中實現(xiàn)防危核的可行性，然后通過實際例子實現(xiàn)了基于rt-linux的防危核，為防危核探索了一種新的實現(xiàn)途徑。最后，通過對實驗系統(tǒng)的測試進一步證明防危保障機制在實時操作系統(tǒng)中完全可行.