Что такое модуль ядра linux

Работаем с модулями ядра в Linux

Ядро — это та часть операционной системы, работа которой полностью скрыта от пользователя, т. к. пользователь с ним не работает напрямую: пользователь работает с программами. Но, тем не менее, без ядра невозможна работа ни одной программы, т.е. они без ядра бесполезны. Этот механизм чем-то напоминает отношения официанта и клиента: работа хорошего официанта должна быть практически незаметна для клиента, но без официанта клиент не сможет передать заказ повару, и этот заказ не будет доставлен.
В Linux ядро монолитное, т.е. все его драйвера и подсистемы работают в своем адресном пространстве, отделенном от пользовательского. Сам термин «монолит» говорит о том, что в ядре сконцентрировано всё, и, по логике, ничего не может в него добавляться или удаляться. В случае с ядром Linux — это правда лишь отчасти: ядро Linux может работать в таком режиме, однако, в подавляющем большинстве сборок возможна модификация части кода ядра без его перекомпиляции, и даже без его выгрузки. Это достигается путем загрузки и выгрузки некоторых частей ядра, которые называются модулями. Чаще всего в процессе работы необходимо подключать модули драйверов устройств, поддержки криптографических алгоритмов, сетевых средств, и, чтобы уметь это правильно делать, нужно разбираться в строении ядра и уметь правильно работать с его модулями. Об этом и пойдет речь в этой статье.

В современных ядрах при подключении оборудования модули подключаются автоматически, а это событие обрабатывается демоном udev, который создает соответствующий файл устройства в каталоге «/dev». Все это выполняется в том случае, если соответствующий модуль корректно установлен в дерево модулей. В случае с файловыми системами ситуация та же: при попытке монтирования файловой системы ядро подгружает необходимый модуль автоматически, и выполняет монтирование.
Если необходимость в модуле не на столько очевидна, ядро его не загружает самостоятельно. Например, для поддержки функции шифрования на loop устройстве нужно вручную подгрузить модуль «cryptoloop», а для непосредственного шифрования — модуль алгоритма шифрования, например «blowfish».

Поиск необходимого модуля

Модули хранятся в каталоге «/lib/modules/ » в виде файлов с расширением «ko». Для получения списка всех модулей из дерева можно выполнить команду поиска всех файлов с расширением «ko» в каталоге с модулями текущего ядра:

find /lib/modules/`uname -r` -name ‘*.ko’

Полученный список даст некоторое представление о доступных модулях, их назначении и именах. Например, путь «kernel/drivers/net/wireless/rt2x00/rt73usb.ko» явно указывает на то, что этот модуль — драйвер устройства беспроводной связи на базе чипа rt73. Более детальную информацию о модуле можно получить при помощи команды modinfo:

filename: /lib/modules/2.6.38-gentoo-r1/kernel/drivers/net/wireless/rt2x00/rt73usb.ko
license: GPL
firmware: rt73.bin
description: Ralink RT73 USB Wireless LAN driver.
version: 2.3.0
author: rt2x00.serialmonkey.com
depends: rt2x00lib,rt2x00usb,crc-itu-t
vermagic: 2.6.38-gentoo-r1 SMP preempt mod_unload modversions CORE2
parm: nohwcrypt:Disable hardware encryption. (bool)

Поле «firmware» указывает на то, что этот модуль сам по себе не работает, ему нужна бинарная микропрограмма устройства в специальном файле «rt73.bin». Необходимость в файле микропрограммы появилась в связи с тем, что интерфейс взаимодействия с устройством закрыт, и эти функции возложены на файл прошивки (firmware). Взять firmware можно с сайта разработчика, установочного диска, поставляемого вместе с устройством, или где-нибудь в репозиториях дистрибутива, затем нужно его скопировать в каталог «/lib/firmware», при чем имя файла должно совпадать с тем, что указано в модуле.
Следующее поле, на которое нужно обратить внимание — это поле «depends». Здесь перечислены модули, от которых зависит данный. Логично предположить, что модули друг от друга зависят, например модуль поддержки USB накопителей зависит от модуля поддержки USB контроллера. Эти зависимости просчитываются автоматически, и будут описаны ниже.
Последнее важное поле — «param». Здесь описаны все параметры, которые может принимать модуль при загрузке, и их описания. В данном случае возможен только один: «nohwcrypt», который, судя по описанию, отключает аппаратное шифрование. В скобках указан тип значения параметра.
Более подробную информацию о модуле можно прочитать в документации к исходным кодам ядра (каталог Documentation) в дереве исходных кодов. Например, найти код нужного видеорежима драйвера «vesafb» можно в файле документации «Documentation/fb/vesafb.txt» относительно корня дерева исходных кодов.

Загрузка и выгрузка модулей

Загрузить модуль в ядро можно при помощи двух команд: «insmod» и «modprobe», отличающихся друг от друга возможностью просчета и удовлетворения зависимостей. Команда «insmod» загружает конкретный файл с расширением «ko», при этом, если модуль зависит от других модулей, еще не загруженных в ядро, команда выдаст ошибку, и не загрузит модуль. Команда «modprobe» работает только с деревом модулей, и возможна загрузка только оттуда по имени модуля, а не по имени файла. Отсюда следует область применения этих команд: при помощи «insmod» подгружается файл модуля из произвольного места файловой системы (например, пользователь скомпилировал модули и перед переносом в дерево ядра решил проверить его работоспособность), а «modprobe» — для подгрузки уже готовых модулей, включенных в дерево модулей текущей версии ядра. Например, для загрузки модуля ядра «rt73usb» из дерева ядра, включая все зависимости, и отключив аппаратное шифрование, нужно выполнить команду:

# modprobe rt73usb nohwcrypt=0

Загрузка этого модуля командой «insmod» произойдет следующим образом:

# insmod /lib/modules/2.6.38-gentoo-r1/kernel/drivers/net/wireless/rt2x00/rt73usb.ko nohwcrypt=0

Но нужно помнить, что при использовании «insmod» все зависимости придется подгружать вручную. Поэтому эта команда постепенно вытесняется командой «modprobe».

После загрузки модуля можно проверить его наличие в списке загруженных в ядро модулей при помощи команды «lsmod»:

# lsmod | grep rt73usb

Module	Size	Used by
rt73usb	17305	0
crc_itu_t	999	1	rt73usb
rt2x00usb	5749	1	rt73usb
rt2x00lib	19484	2	rt73usb,rt2x00usb

Из вывода команды ясно, что модуль подгружен, а так же в своей работе использует другие модули.
Чтобы его выгрузить, можно воспользоваться командой «rmmod» или той же командой «modprobe» с ключем «-r». В качестве параметра обоим командам нужно передать только имя модуля. Если модуль не используется, то он будет выгружен, а если используется — будет выдана ошибка, и придется выгружать все модули, которые от него зависят:

# rmmod rt2x00usb
ERROR: Module rt2x00usb is in use by rt73usb

# rmmod rt73usb
# rmmod rt2x00usb

После выгрузки модуля все возможности, которые он предоставлял, будут удалены из таблицы ядра.

Для автоматической загрузки модулей в разных дистрибутивах предусмотрены разные механизмы. Я не буду вдаваться здесь в подробности, они для каждого дистрибутива свои, но один метод загрузки всегда действенен и удобен: при помощи стартовых скриптов. В тех же RedHat системах можно записать команды загрузки модуля прямо в «/etc/rc.d/rc.local» со всеми опциями.
Файлы конфигурация модулей находится в каталоге «/etc/modprobe.d/» и имеют расширение «conf». В этих файлах преимущественно перечисляются альтернативные имена модулей, их параметры, применяемые при их загрузке, а так же черные списки, запрещенные для загрузки. Например, чтобы вышеупомянутый модуль сразу загружался с опцией «nohwcrypt=1» нужно создать файл, в котором записать строку:

options rt73usb nohwcrypt=1

Черный список модулей хранится преимущественно в файле «/etc/modules.d/blacklist.conf» в формате «blacklist ». Используется эта функция для запрета загрузки глючных или конфликтных модулей.

Сборка модуля и добавление его в дерево

Иногда нужного драйвера в ядре нет, поэтому приходится его компилировать вручную. Это так же тот случай, если дополнительное ПО требует добавление своего модуля в ядро, типа vmware, virtualbox или пакет поддержки карт Nvidia. Сам процесс компиляции не отличается от процесса сборки программы, но определенные требования все же есть.
Во первых, нужен компилятор. Обычно установка «gcc» устанавливает все, что нужно для сборки модуля. Если чего-то не хватает — программа сборки об этом скажет, и нужно будет доустановить недостающие пакеты.
Во вторых, нужны заголовочные файлы ядра. Дело в том, что модули ядра всегда собираются вместе с ядром, используя его заголовочные файлы, т.к. любое отклонение и несоответствие версий модуля и загруженного ядра ведет к невозможности загрузить этот модуль в ядро.
Если система работает на базе ядра дистрибутива, то нужно установить пакеты с заголовочными файлами ядра. В большинстве дистрибутивов это пакеты «kernel-headers» и/или «kernel-devel». Для сборки модулей этого будет достаточно. Если ядро собиралось вручную, то эти пакеты не нужны: достаточно сделать символическую ссылку «/usr/src/linux», ссылающуюся на дерево сконфигурированных исходных кодов текущего ядра.
После компиляции модуля на выходе будет получен один или несколько файлов с расширением «ko». Можно попробовать их загрузить при помощи команды «insmod» и протестировать их работу.
Если модули загрузились и работают (или лень вручную подгружать зависимости), нужно их скопировать в дерево модулей текущего ядра, после чего обязательно обновить зависимости модулей командой «depmod». Она пройдется рекурсивно по дереву модулей и запишет все зависимости в файл «modules.dep», который, в последствие, будет анализироваться командой «modprobe». Теперь модули готовы к загрузке командой modprobe и могут загружаться по имени со всеми зависимостями.
Стоит отметить, что при обновлении ядра этот модуль работать не будет. Нужны будут новые заголовочные файлы и потребуется заново пересобрать модуль.

«Слушаем» что говорит ядро

При появлении малейших неполадок с модулем, нужно смотреть сообщения ядра. Они выводятся по команде «dmesg» и, в зависимости от настроек syslog, в файл «/var/log/messages». Сообщения ядра могут быть информативными или отладочными, что поможет определить проблему в процессе работы модуля, а могут сообщать об ошибке работы с модулем, например недостаточности символов и зависимостей, некорректных переданных параметрах. Например, выше рассмотренный модуль «rt73usb» требует параметр типа bool, что говорит о том, что параметр может принимать либо «0», либо «1». Если попробовать передать «2», то система выдаст ошибку:

# modprobe rt73usb nohwcrypt=2
FATAL: Error inserting rt73usb (/lib/modules/2.6.38-gentoo-r1/kernel/drivers/net/wireless/rt2x00/rt73usb.ko): Invalid argument

Ошибка «Invalid argument» может говорить о чем угодно, саму ошибку ядро на консоль написать не может, только при помощи функции «printk» записать в системный лог. Посмотрев логи можно уже узнать в чем ошибка:

# dmesg | tail -n1
rt73usb: `2′ invalid for parameter `nohwcrypt’

В этом примере выведена только последняя строка с ошибкой, чтобы не загромаждать статью. Модуль может написать и несколько строк, поэтому лучше выводить полный лог, или хотя бы последние строк десять.
Ошибку уже легко найти: значение «2» неприемлемо для параметра «nohwcrypt». После исправления, модуль корректно загрузится в ядро.

Из всего сказанного можно сделать один вывод: ядро Linux играет по своим правилам и занимается серьезными вещами. Тем не менее — это всего лишь программа, оно, по сути, не сильно отличается от других обычных программ. Понимание того, что ядро не так уж страшно, как кажется, может стать первым шагом к пониманию внутреннего устройства системы и, как результат, поможет быстро и эффективно решать задачи, с которыми сталкивается любой администратор Linux в повседневной работе.

Источник

Основы Linux от основателя Gentoo. Часть 2 (5/5): Модули ядра

В заключительном отрывке второй части описаны основы управление модулями ядра Linux. Этот минимум неплохо знать всякому пользователю, однако, не стоит надеяться обнаружить в этом руководстве для начинающих информацию по сборке и конфигурированию модулей ядра.

Навигация по основам Linux от основателя Gentoo:

Часть I

1. BASH: основы навигации (вступление)
2. Управление файлами и директориями
3. Ссылки, а также удаление файлов и директорий
4. Glob-подстановки (итоги и ссылки)

Часть II

1. Регулярные выражения (вступление)
2. Назначения папок, поиск файлов
3. Управление процессами
4. Обработка текста и перенаправления
5. Модули ядра (итоги и ссылки)

Часть III: 1, 2, 3, 4

Модули ядра

Знакомьтесь, «uname»

Команда uname дает множество интересной информации о вашей системе. Вот пример вывода на моей рабочей машине, после того, как я набрал uname -a, что говорит команде uname напечатать всю имеющуюся информацию:

$ uname -a
Linux inventor 2.4.20-gaming-r1 #1 Fri Apr 11 18:33:35 MDT 2003 i686 AMD Athlon(tm) XP 2100+ AuthenticAMD GNU/Linux

Подробнее о uname

Теперь, давайте посмотрим, какую же информацию о системе может дать uname

Интригующе! А что напечатает uname -a у вас?

Релиз ядра

А теперь небольшой трюк. Для начала выполните uname -r чтобы программа напечатала релиз ядра, которое работает в данный момент.

Теперь посмотрите в директорию /lib/modules и — опа! — Я уверен, что вы обнаружили каталог с точно таким же именем! OK, никакой магии, теперь самое время поговорить о значении каталогов в /lib/modules, а также объяснить, что такое модули ядра.

Ядро Linux это сердце того, что обычно называют «Linux» — это кусок кода, который напрямую взаимодействует с вашим железом и абстрагирует от него обычные программы. Благодаря ядру, вашему текстовому редактору не нужно беспокоиться на какой диск, SCSI или IDE, а может даже в RAM, он производит запись. Редактор просто записывает в файловую систему, а ядро заботится обо всем остальном.

Введение в модули ядра

Итак, что такое модули ядра? Они представляют собой часть ядра, которая сохраняется на диске в специальном формате. По вашей команде, они подгружаются в работающее ядро и добавляют в него новую функциональность.

Поскольку модули ядра загружаются по требованию, вы можете иметь ядро поддерживающее дополнительную функциональность, которая в обычном состоянии будет выключена и недоступна.
Но «раз в сто лет», эти модули окажутся очень полезными и смогут быть загружены — часто автоматически — для поддержки диковинной файловой системы или устройства, которое вы редко используете.

Модули ядра вкратце

В общем, модули ядра позволяют по требованию добавить возможностей в работающее ядро. Без модулей, вам бы пришлось компилировать новое ядро и перезагружаться для того, чтобы добавить поддержку чего-нибудь нового.

lsmod

Для просмотра загруженных модулей на вашей системе используйте команду lsmod:

Список модулей

Как видите, на моей системе загружено достаточно немного модулей. vmnet и vmmon модули, обеспечиваю необходимую функциональность для VMWare Workstation, которая позволяет мне запускать виртуальные машины в окне рабочего стола. Модуль nvidia выпущен NVIDIA corporation и позволяет использовать 3D-ускорение в Linux.

Дальше у меня есть набор модулей, которые используются для поддержки USB устройств ввода — mousedev, hid, usbmouse, input, usb-ohci, ehci-hcd и usbcore. Имеет смысл сконфигурировать ваше ядро для поддержки USB модулей. Почему? Потому что USB девайсы это «plug and play» (подключай и работай) девайсы и если у вас есть поддержка USB в модулях, вы можете спокойно пойти и купить новое USB устройство, подключить его, и ваша система автоматически загрузит соответствующие модули для этого устройства. Это удобный способ сделать что-то.

Сторонние модули

Завершают этот список модули: emu10k1, ac97_codec и sound, которые вместе обеспечиваю поддержку моей звуковой карты Audigy.

Следует отметить, некоторые из моих модулей доступны прямо в исходниках ядра. Например, все USB-модули были скомпилированы из стандартных исходных текстов ядра Linux. Однако, nvidia, emu10k1 и VMWare-модули были получены из других источников. Это подчеркивает другую важную особенность модулей ядра — возможность сторонних производителей добавлять необходимую функциональность в ядро и включать ее прямо в запущенное ядро. Без перезагрузки.

depmod и компания

В моей папке /lib/modules/2.4.20-gaming-r1/, есть несколько
файлов которые начинаются со строки «modules.»:

$ ls /lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.*
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.dep
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.generic_string
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.ieee1394map
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.isapnpmap
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.parportmap
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.pcimap
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.pnpbiosmap
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/modules.usbmap

Эти файлы содержат множество информации о различных зависимостях. В том числе, они содержат информацию о зависимостях для модулей — некоторые модули требуют загрузки других модулей перед тем как быть запущенными.

Как получить модули

Некоторые модули ядра разработаны для работы со специальными устройствами, как например emu10k1 — модуль для поддержки моей звуковой карты. Для этого типа модулей, приведенные выше файлы включают также информацию о PCI IDs и прочие идентификационные метки оборудования, которое они поддерживают. Эта информация может быть использована различными скриптами, например «hotplug» (который мы рассмотрим в следующих руководствах) для автоматического определения оборудования и загрузки соответствующих модулей.

Использование depmod

Информация о зависимостях может становиться не актуальной, особенно в случае установки новых модулей. Чтобы ее обновить, просто введите depmod -a. Программа depmod просканирует модули из вашей папки /lib/modules и обновит информацию о зависимостях. Она делает это сканируя модули в /lib/modules и проверяя так называемые «symbols» внутри модулей.

Расположение модулей ядра

Итак, как выглядят модули ядра? Для ядра 2.4, все файлы модулей обычно находятся в /lib/modules и имеют имя оканчивающееся на «.o» (для 2.6 «.ko» — прим. ред.). Чтобы увидеть все модули из /lib/modules, введите следующее:

# find /lib/modules -name ‘*.o’
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/misc/vmmon.o
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/misc/vmnet.o
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/video/nvidia.o
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/kernel/fs/fat/fat.o
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/kernel/fs/vfat/vfat.o
/lib/modules/2.4.20-gaming-r1/kernel/fs/minix/minix.o
[список обрезан для краткости]

insmod vs. modprobe

Итак, как же подгрузить модуль в работающее ядро? Один из вариантов, использовать команду
insmod и указать ей полный путь к модулю, который вы хотите загрузить:

Хотя, обычно модули загружают используя команду modprobe. Одна из приятных вещей, которую делает modprobe это автоматическая загрузка всех необходимых зависимостей для данного модуля. Кроме того, вам не нужно указывать полный путь и расширение загружаемого модуля.

rmmod и modprobe в действии

Давайте выгрузим наш модуль fat.o и загрузим его обратно используя modprobe:

Как видите, работа команды rmmod очень похожа на работу modprobe, но имеет противоположный эффект — она выгружает указанный модуль.

Ваши помощники modinfo и modules.conf

Можете воспользоваться командой modinfo, чтобы узнать пару интересных вещей о своих любимых модулях:

Также обратите внимание на файл /etc/modules.conf. Он содержит настройки для modprobe и позволяет изменять поведение modprobe. Например, указывать какие модули загруть до/после загрузки остальных, запускать скрипты до и после загрузки модуля, и многое другое.

Структура modules.conf

Синтаксис и функциональность modules.conf достаточно сложны, и мы не будем в них сейчас углубляться (наберите man modules.conf чтобы узнать все подробности), но есть несколько вещей, которые вы должны знать об этом файле.

Во-первых, многие дистрибутивы генерируют этот файл автоматически из набора файлов в других директориях, таких как /etc/modules.d/. Например, в Gentoo Linux есть такая папка, и запуск команды update-modules прочитает все файлы из /etc/modules.d/ и объединит их в новый /etc/modules.conf. Поэтому, сделав свои изменения в файлах из /etc/modules.d/ запустите update-modules, если вы используете Gentoo. В Debian, процедура очень похожа, за исключением того, что папка называется /etc/modutils/.

Для ядер версии 2.6 аналогичные по функциональности файл и папка из каталога etc называются modprobe.conf и modprobe.d соответственно. Синтаксис там упрощен, смотрите man modprobe.conf
— Примечание редактора.

Итоги и ресурсы

Итоги

Мои поздравления; вы дошли до конца этого учебника по основам администрирования Linux! Надеюсь он помог вам немного систематизировать ваши знания о Linux. Пожалуйста присоединяйтесь к нам в следующем руководстве раскрывающем более продвинутые аспекты администрирования, такие как права доступа, управление пользователями, файловую систему, монтирование и многое другое. В следующем руководстве мы будем опираться на фундамент, заложенный здесь. И помните, продолжая изучать эту серию руководств, вы уже совсем скоро будете готовы сдаче экзаменов на получение сертификата LPIC Level 1 от Linux Professional Institute.

Ресурсы

Говоря о сертификации LPIC, если вы действительно в ней заинтересованы, то я настоятельно рекомендую вам изучить следующие источники, которые были тщательно выбраны для расширения знаний полученных в этом руководстве.

В сети есть множество хороших руководств по регулярным выражениям. Вот парочка:

Можете прочитать стандарт иерархии файловой системы (Filesystem Hierarchy Standard) на http://www.pathname.com/fhs/.

В серии Bash в примерах (будет перевод), я покажу вам как использовать инструкции bash для написания ваших собственных скриптов. Это серия (особенно первая и вторая части) будет хорошей подготовкой к экзамену LPIC Level 1:

Вы можете узнать больше о sed в серии руководств Sed в примерах (будет переведено). Если вы планируете сдавать LPI экзамен, убедитесь что прочитали первые две части этой серии.

Чтобы узнать больше об awk, обратитесь к серии Awk в примерах (перевод будет).

Если вы не знакомы с редактором vi, Я настоятельно рекомендую вам посмотреть мое руководство Vi — the cheat sheet method. Этот учебник станет легким, но и стремительным введением в этот мощный текстовый редактор. Считайте, что это материал необходимый к прочтению, если вы не знаете как пользоваться vi.

Спасибо Dmitry Minsky (Dmitry.Minsky@gmail.com) за перевод.

Об авторах

Daniel Robbins

Дэниэль Роббинс — основатель сообщества Gentoo и создатель операционной системы Gentoo Linux. Дэниэль проживает в Нью-Мехико со свой женой Мэри и двумя энергичными дочерьми. Он также основатель и глава Funtoo, написал множество технических статей для IBM developerWorks, Intel Developer Services и C/C++ Users Journal.

Chris Houser

Крис Хаусер был сторонником UNIX c 1994 года, когда присоединился к команде администраторов университета Тэйлора (Индиана, США), где получил степень бакалавра в компьютерных науках и математике. После он работал во множестве областей, включая веб-приложения, редактирование видео, драйвера для UNIX и криптографическую защиту. В настоящий момент работает в Sentry Data Systems. Крис также сделал вклад во множество свободных проектов, таких как Gentoo Linux и Clojure, стал соавтором книги The Joy of Clojure.

Aron Griffis

Эйрон Гриффис живет на территории Бостона, где провел последнее десятилетие работая в Hewlett-Packard над такими проектами, как сетевые UNIX-драйвера для Tru64, сертификация безопасности Linux, Xen и KVM виртуализация, и самое последнее — платформа HP ePrint. В свободное от программирования время Эйрон предпочитает размыщлять над проблемами программирования катаясь на своем велосипеде, жонглируя битами, или болея за бостонскую профессиональную бейсбольную команду «Красные Носки».

Источник