Как написать свое ядро linux

Пишем простой модуль ядра Linux

Захват Золотого Кольца-0

Linux предоставляет мощный и обширный API для приложений, но иногда его недостаточно. Для взаимодействия с оборудованием или осуществления операций с доступом к привилегированной информации в системе нужен драйвер ядра.

Модуль ядра Linux — это скомпилированный двоичный код, который вставляется непосредственно в ядро Linux, работая в кольце 0, внутреннем и наименее защищённом кольце выполнения команд в процессоре x86–64. Здесь код исполняется совершенно без всяких проверок, но зато на невероятной скорости и с доступом к любым ресурсам системы.

Не для простых смертных

Написание модуля ядра Linux — занятие не для слабонервных. Изменяя ядро, вы рискуете потерять данные. В коде ядра нет стандартной защиты, как в обычных приложениях Linux. Если сделать ошибку, то повесите всю систему.

Ситуация ухудшается тем, что проблема необязательно проявляется сразу. Если модуль вешает систему сразу после загрузки, то это наилучший сценарий сбоя. Чем больше там кода, тем выше риск бесконечных циклов и утечек памяти. Если вы неосторожны, то проблемы станут постепенно нарастать по мере работы машины. В конце концов важные структуры данных и даже буфера могут быть перезаписаны.

Можно в основном забыть традиционные парадигмы разработки приложений. Кроме загрузки и выгрузки модуля, вы будете писать код, который реагирует на системные события, а не работает по последовательному шаблону. При работе с ядром вы пишете API, а не сами приложения.

У вас также нет доступа к стандартной библиотеке. Хотя ядро предоставляет некоторые функции вроде printk (которая служит заменой printf ) и kmalloc (работает похоже на malloc ), в основном вы остаётесь наедине с железом. Вдобавок, после выгрузки модуля следует полностью почистить за собой. Здесь нет сборки мусора.

Необходимые компоненты

Прежде чем начать, следует убедиться в наличии всех необходимых инструментов для работы. Самое главное, нужна машина под Linux. Знаю, это неожиданно! Хотя подойдёт любой дистрибутив Linux, в этом примере я использую Ubuntu 16.04 LTS, так что в случае использования других дистрибутивов может понадобиться слегка изменить команды установки.

Во-вторых, нужна или отдельная физическая машина, или виртуальная машина. Лично я предпочитаю работать на виртуальной машине, но выбирайте сами. Не советую использовать свою основную машину из-за потери данных, когда сделаете ошибку. Я говорю «когда», а не «если», потому что вы обязательно подвесите машину хотя бы несколько раз в процессе. Ваши последние изменения в коде могут ещё находиться в буфере записи в момент паники ядра, так что могут повредиться и ваши исходники. Тестирование в виртуальной машине устраняет эти риски.

И наконец, нужно хотя бы немного знать C. Рабочая среда C++ слишком велика для ядра, так что необходимо писать на чистом голом C. Для взаимодействия с оборудованием не помешает и некоторое знание ассемблера.

Установка среды разработки

На Ubuntu нужно запустить:

Устанавливаем самые важные инструменты разработки и заголовки ядра, необходимые для данного примера.

Примеры ниже предполагают, что вы работаете из-под обычного пользователя, а не рута, но что у вас есть привилегии sudo. Sudo необходима для загрузки модулей ядра, но мы хотим работать по возможности за пределами рута.

Начинаем

Приступим к написанию кода. Подготовим нашу среду:

Запустите любимый редактор (в моём случае это vim) и создайте файл lkm_example.c следующего содержания:

Мы сконструировали самый простой возможный модуль, рассмотрим подробнее самые важные его части:

• В include перечислены файлы заголовков, необходимые для разработки ядра Linux.
• В MODULE_LICENSE можно установить разные значения, в зависимости от лицензии модуля. Для просмотра полного списка запустите:

Мы устанавливаем init (загрузка) и exit (выгрузка) как статические функции, которые возвращают целые числа.

Обратите внимание на использование printk вместо printf . Также параметры printk отличаются от printf . Например, флаг KERN_INFO для объявления приоритета журналирования для конкретной строки указывается без запятой. Ядро разбирается с этими вещами внутри функции printk для экономии памяти стека.

В конце файла можно вызвать module_init и module_exit и указать функции загрузки и выгрузки. Это даёт возможность произвольного именования функций.

Впрочем, пока мы не можем скомпилировать этот файл. Нужен Makefile. Такого базового примера пока достаточно. Обратите внимание, что make очень привередлив к пробелам и табам, так что убедитесь, что используете табы вместо пробелов где положено.

Если мы запускаем make , он должен успешно скомпилировать наш модуль. Результатом станет файл lkm_example.ko . Если выскакивают какие-то ошибки, проверьте, что кавычки в исходном коде установлены корректно, а не случайно в кодировке UTF-8.

Теперь можно внедрить модуль и проверить его. Для этого запускаем:

Если всё нормально, то вы ничего не увидите. Функция printk обеспечивает выдачу не в консоль, а в журнал ядра. Для просмотра нужно запустить:

Вы должны увидеть строку “Hello, World!” с меткой времени в начале. Это значит, что наш модуль ядра загрузился и успешно сделал запись в журнал ядра. Мы можем также проверить, что модуль ещё в памяти:

Для удаления модуля запускаем:

Если вы снова запустите dmesg, то увидите в журнале запись “Goodbye, World!”. Можно снова запустить lsmod и убедиться, что модуль выгрузился.

Как видите, эта процедура тестирования слегка утомительна, но её можно автоматизировать, добавив:

в конце Makefile, а потом запустив:

для тестирования модуля и проверки выдачи в журнал ядра без необходимости запускать отдельные команды.

Теперь у нас есть полностью функциональный, хотя и абсолютно тривиальный модуль ядра!

Немного интереснее

Копнём чуть глубже. Хотя модули ядра способны выполнять все виды задач, взаимодействие с приложениями — один из самых распространённых вариантов использования.

Поскольку приложениям запрещено просматривать память в пространстве ядра, для взаимодействия с ними приходится использовать API. Хотя технически есть несколько способов такого взаимодействия, наиболее привычный — создание файла устройства.

Вероятно, раньше вы уже имели дело с файлами устройств. Команды с упоминанием /dev/zero , /dev/null и тому подобного взаимодействуют с устройствами “zero” и “null”, которые возвращают ожидаемые значения.

В нашем примере мы возвращаем “Hello, World”. Хотя это не особенно полезная функция для приложений, она всё равно демонстрирует процесс взаимодействия с приложением через файл устройства.

Вот полный листинг:

Тестирование улучшенного примера

Теперь наш пример делает нечто большее, чем просто вывод сообщения при загрузке и выгрузке, так что понадобится менее строгая процедура тестирования. Изменим Makefile только для загрузки модуля, без его выгрузки.

Теперь после запуска make test вы увидите выдачу старшего номера устройства. В нашем примере его автоматически присваивает ядро. Однако этот номер нужен для создания нового устройства.

Возьмите номер, полученный в результате выполнения make test , и используйте его для создания файла устройства, чтобы можно было установить коммуникацию с нашим модулем ядра из пространства пользователя.

(в этом примере замените MAJOR значением, полученным в результате выполнения make test или dmesg )

Параметр c в команде mknod говорит mknod, что нам нужно создать файл символьного устройства.

Теперь мы можем получить содержимое с устройства:

или даже через команду dd :

Вы также можете получить доступ к этому файлу из приложений. Это необязательно должны быть скомпилированные приложения — даже у скриптов Python, Ruby и PHP есть доступ к этим данным.

Когда мы закончили с устройством, удаляем его и выгружаем модуль:

Заключение

Надеюсь, вам понравились наши шалости в пространстве ядра. Хотя показанные примеры примитивны, эти структуры можно использовать для создания собственных модулей, выполняющих очень сложные задачи.

Просто помните, что в пространстве ядра всё под вашу ответственность. Там для вашего кода нет поддержки или второго шанса. Если делаете проект для клиента, заранее запланируйте двойное, если не тройное время на отладку. Код ядра должен быть идеален, насколько это возможно, чтобы гарантировать цельность и надёжность систем, на которых он запускается.

Источник

ИТ База знаний

Курс по Asterisk

Полезно

— Узнать IP — адрес компьютера в интернете

— Онлайн генератор устойчивых паролей

— Онлайн калькулятор подсетей

— Калькулятор инсталляции IP — АТС Asterisk

— Руководство администратора FreePBX на русском языке

— Руководство администратора Cisco UCM/CME на русском языке

— Руководство администратора по Linux/Unix

Навигация

Серверные решения

Телефония

FreePBX и Asterisk

Настройка программных телефонов

Корпоративные сети

Протоколы и стандарты

Пошаговое руководство как собрать ядро Linux с нуля

4 минуты чтения

Ядро Linux является основой Unix-подобных операционных систем. Ядро отвечает за связь между оборудованием и программным обеспечением и за распределение доступных ресурсов.

Онлайн курс по Linux

Мы собрали концентрат самых востребованных знаний, которые позволят тебе начать карьеру администратора Linux, расширить текущие знания и сделать уверенный шаг к DevOps

Все дистрибутивы Linux основаны на предопределенном ядре. Но если вы хотите отключить несколько параметров и драйверов или попробовать экспериментальные исправления, вам необходимо собрать ядро Linux.

В этом пошаговом руководстве вы узнаете, как собрать и скомпилировать ядро Linux с нуля.

Сборка ядра Linux

Процесс создания ядра Linux состоит из семи простых шагов. Однако процедура требует значительного времени для завершения, в зависимости от скорости системы.

Примечание. Если версия на веб-сайте ядра не совпадает с версией из приведенных ниже шагов, используйте эти команды и замените номер версии ядра.

Шаг 1. Загрузите исходный код

1. Посетите официальный сайт ядра www.kernel.org и загрузите последнюю версию. Загруженный файл содержит сжатый исходный код.

2. Откройте терминал и используйте команду wget для загрузки исходного кода ядра Linux:

По завершении загрузки в выходных данных отображается сообщение «saved».

Шаг 2: извлеките исходный код

Когда файл будет готов, запустите команду tar , чтобы извлечь исходный код:

Вывод отображает извлеченный исходный код ядра:

Шаг 3: Установите необходимые пакеты

Перед сборкой ядра установите дополнительные пакеты. Для этого запустите эту команду:

Команда, которую мы использовали выше, устанавливает следующие пакеты:

• git — отслеживает и записывает все изменения исходного кода во время разработки. Это также позволяет отменить изменения.
• fakeroot — упаковочный инструмент, создающий фальшивую корневую среду.
• build-essential — Устанавливает инструменты разработки, такие как C, C++, gcc и g++.
• ncurses-dev — Библиотека программирования, предоставляющая API для текстовых терминалов.
• xz-utils — обеспечивает быстрое сжатие и распаковку файлов.
• libssl-dev — поддерживает SSL и TSL, которые шифруют данные и делают интернет-соединение безопасным.
• bc (Basic Calculator) — математический язык сценариев, поддерживающий интерактивное выполнение операторов.
• flex (Fast Lexical Analyzer Generator) — генерирует лексические анализаторы, преобразующие символы в токены.
• libelf-dev — выдает общую библиотеку для управления файлами ELF (исполняемые файлы, дампы ядра и объектный код)
• bison — генератор парсера GNU, который преобразует описание грамматики в программу на языке C.

Шаг 4: Настройте ядро

Исходный код ядра Linux поставляется с конфигурацией по умолчанию. Однако вы можете настроить его под свои нужды. Для этого выполните следующие действия:

1. Перейдите к каталогу linux-5.9.6. с помощью команды cd :

2. Скопируйте существующий файл конфигурации с помощью команды cp :

3. Чтобы внести изменения в файл конфигурации, выполните команду make :

Команда запускает несколько скриптов, которые затем открывают меню конфигурации:

4. Меню конфигурации включает в себя такие параметры, как прошивка, файловая система, сеть и параметры памяти. Используйте стрелки, чтобы сделать выбор, или выберите HELP, чтобы узнать больше о вариантах. Когда вы закончите вносить изменения, выберите SAVE, а затем выйдите из меню.

Примечание. Изменение настроек некоторых параметров может привести к тому, что ядро не будет работать. Если вы не знаете, что изменить, оставьте настройки по умолчанию.

Шаг 5: Соберите ядро

1. Начните сборку ядра, выполнив следующую команду:

Процесс сборки и компиляции ядра Linux занимает некоторое время.

Терминал перечисляет все компоненты ядра Linux: управление памятью, драйверы оборудования, драйверы файловой системы, сетевые драйверы и управление процессами.

2. Установите необходимые модули с помощью этой команды:

3. Наконец, установите ядро, набрав:

Вывод показывает готово, когда закончено:

Шаг 6. Обновите загрузчик (необязательно)

Загрузчик GRUB — это первая программа, которая запускается при включении системы.

Команда make install выполняет этот процесс автоматически, но вы также можете сделать это вручную.

1. Обновите initramfs до установленной версии ядра:

2. Обновите загрузчик GRUB с помощью этой команды:

Терминал выведет процесс и подтверждающее сообщение:

Шаг 7: перезагрузите и проверьте версию ядра

Когда вы выполните описанные выше действия, перезагрузите компьютер.

Когда система загрузится, проверьте версию ядра с помощью команды uname :

Терминал покажет текущую версию ядра Linux.

В этом пошаговом руководстве вы узнали, как собрать ядро Linux с нуля и установить необходимые пакеты.

Мини — курс по виртуализации

Знакомство с VMware vSphere 7 и технологией виртуализации в авторском мини — курсе от Михаила Якобсена

Полезно?

Почему?

😪 Мы тщательно прорабатываем каждый фидбек и отвечаем по итогам анализа. Напишите, пожалуйста, как мы сможем улучшить эту статью.

😍 Полезные IT – статьи от экспертов раз в неделю у вас в почте. Укажите свою дату рождения и мы не забудем поздравить вас.

Источник