基于Linux操作系統(tǒng)的電子收款機稅源數(shù)據(jù)采集方案的分析和實現(xiàn)

1. 引言

稅收是國家財政的重要組成部分，但是在稅收領(lǐng)域依法納稅意識淡薄，偷稅逃稅現(xiàn)象依然比較嚴重，尤其是對財務(wù)核算不健全的*，稅務(wù)機關(guān)難以實施有效監(jiān)控。這種現(xiàn)狀不但嚴重擾亂正常的經(jīng)濟秩序，而且導(dǎo)致國家稅收大量流失。為了進一步加強稅源監(jiān)控，堵塞稅收漏洞，減少稅收流失，國家先后出臺了稅控收款機標準GB18240.1~GB18240.6 等六個部分，建立了以電子收款機+稅控器+稅控IC 卡+稅控收款機管理系統(tǒng)的基本工作模式，明確了以票控稅的基本原則。要求每當電子收款機上完成一筆銷售時，收集其銷售明細數(shù)據(jù)，將其交由稅控器記錄統(tǒng)計，并將稅控器依據(jù)銷售明細數(shù)據(jù)生成的稅控碼添加到銷售小票上，以此來表示此筆銷售已被稅務(wù)機關(guān)記錄。本文所討論的便是一種從電子收款機采集稅源數(shù)據(jù)即銷售明細數(shù)據(jù)的解決方案。

因為電子收款機使用的操作系統(tǒng)有很多種，對于不同操作系統(tǒng)采集稅源數(shù)據(jù)的方案都有所不同。本文具體討論Linux 操作系統(tǒng)下使用并口打印機的電子收款機的稅源數(shù)據(jù)采集方案，使用串口打印機的情形亦可參照。Windows 操作系統(tǒng)下的采集方案請查閱參考文獻。

2 方案設(shè)計

Linux 系統(tǒng)將打印機設(shè)備視為文件，通過對該文件的寫操作來實現(xiàn)打印功能。通常情況下，對文件系統(tǒng)的監(jiān)控是通過系統(tǒng)調(diào)用劫持來實現(xiàn)的。但是1) Linux 2.6 版本之后的內(nèi)核，系統(tǒng)調(diào)用表的地址已經(jīng)不能導(dǎo)出，系統(tǒng)調(diào)用劫持的實現(xiàn)難度加大;2) 劫持 sys_write 系統(tǒng)調(diào)用后，所有的文件寫入操作都會被劫持，對系統(tǒng)的性能有較大影響;3) 修改后的打印數(shù)據(jù)必須存入銷售軟件進程的用戶內(nèi)存空間，才能調(diào)用文件驅(qū)動模塊write 函數(shù)將其打印出來。而侵入銷售軟件進程將大大降低系統(tǒng)的獨立性和可靠性。

基于以上考慮，選擇了通過修改內(nèi)核打印驅(qū)動模塊來實現(xiàn)對電子收款機上銷售小票打印數(shù)據(jù)的截獲。

然而設(shè)備驅(qū)動運行于內(nèi)核態(tài)，具有很大的局限性，如不能在終端上打印、不能做大延時的操作、不能使用C 的庫函數(shù)等等，難以滿足稅源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能需要。所以需要一個用戶態(tài)的守護進程常駐內(nèi)存，對內(nèi)核態(tài)采集到的數(shù)據(jù)進行處理。

這樣整個稅源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分為如下兩個部分：

1)內(nèi)核空間

在 Linux 并口打印驅(qū)動模塊中增加一個攔截函數(shù)，替換原有的lp_write 函數(shù)，負責(zé)將打印數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶態(tài)的守護進程，并在收到守護進程返回的新的打印數(shù)據(jù)之后，將其打印出來。

2)用戶空間

實現(xiàn)一個常駐內(nèi)存的用戶態(tài)守護進程，負責(zé)接收內(nèi)核截取到的打印數(shù)據(jù)，并在進行處理后回送給內(nèi)核。

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圖 1 Linux 電子收款機稅源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架圖

3 關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)

實現(xiàn)上述設(shè)計的關(guān)鍵在于解決“內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的進程間通信”、“攔截并口打印驅(qū)動的write 操作”、“打印進程的阻塞及喚醒”三個問題。

3.1 內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的進程間通信

本方案這種分為內(nèi)核空間和用戶空間兩部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先需要解決的就是內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)的進程間通信(interprocess communicatiON, IPC)。而在各種IPC 方法中，最適合此處設(shè)計需要的就是netlink socket 技術(shù)。

Netlink socket 最早出現(xiàn)于Linux 2.2 版的內(nèi)核中，并在2. 4 版以后的版本中作為主要的內(nèi)核與用戶空間的通信方式而被廣泛使用。相對于系統(tǒng)調(diào)用、ioctl 以及proc 文件系統(tǒng)等IPC方法而言，它具有簡單易用、異步通信(適合大數(shù)據(jù)傳輸)、無編譯依賴(可模塊實現(xiàn))、支持多播、支持內(nèi)核發(fā)起會話等優(yōu)點。其中“異步通信、無編譯依賴、支持內(nèi)核發(fā)起會話”

這三點正是本系統(tǒng)需要的關(guān)鍵特性，也是選用該技術(shù)的最主要原因。

Netlink socket 的通信依據(jù)是一個對應(yīng)于進程的標識，一般定為該進程的ID。當通信的一端處于中斷過程時，該標識為0。當使用netlink socket 進行通信，通信的雙方都是用戶態(tài)進程，則使用方法類似于消息隊列。但通信雙方有一端是中斷過程，使用方法則不同。Netlinksocket 的最大特點是對中斷過程的支持，它在內(nèi)核空間接收用戶空間數(shù)據(jù)時不再需要用戶自行啟動一個內(nèi)核線程，而是通過另一個軟中斷調(diào)用用戶事先指定的接收函數(shù)，這樣就可以保證數(shù)據(jù)接收的實時性。