Как работать с ядром линукс

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

Настройка ядра Linux

Ядро Linux — очень гибкая вещь, позволяющая настроить очень много параметров. Такие параметры, как поддерживаемые устройства и функции настраиваются при сборке ядра. Но сегодня не будет рассматриваться компиляция ядра Linux. Мы поговорим о более тонкой настройке параметров ядра на лету, прямо во время его работы.

Да, мы не можем включать добавлять неподдерживаемые модули и драйвера устройств, но мы можем настроить такие параметры ядра Linux, как особенности работы процессора, памяти, виртуального пространства памяти, планировщика ядра, сетевой стек и многое другое. Все эти настройки доступны через файловую систему proc. Мы рассматривали подробно ее в предыдущей статье, теперь же остановимся только на директории /proc/sys, с помощью которой мы и будем настраивать ядро.

Как выполняется настройка?

Здесь все предельно просто. В этом каталоге и его подкаталогах лежат файлы, это и есть параметры, а значения в файлах нам и нужно изменять. Для этого можно использовать самую простую конструкцию из команды echo и оператора перенаправления вывода:

echo «1» > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

Значение 1 будет записано в файл ipv4_forward. Но измененные таким способом параметры не сохраняются после перезагрузки. Перед тем как рассматривать как сохранить параметры ядра linux из proc рассмотрим еще один способ их модификации.

Для работы с параметрами ядра есть утилита sysctl. Она представляет все параметры в виде переменных. Имена этих переменных соответствуют адресу файла в папке /proc/sys только слеш заменен точкой. Например:

Вы можете установить значение параметра такой командой:

Но это изменение тоже не сохранится, чтобы сохранить настройку после перезагрузки нужно добавить опцию -w:

sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1

Вы можете также сразу посмотреть все доступные переменные с помощью опции -a:

abi.vsyscall32 = 1
debug.exception-trace = 1
dev.cdrom.autoclose = 0
dev.cdrom.autoeject = 0
dev.cdrom.check_media = 0
dev.cdrom.debug = 0
.
vm.stat_interval = 1
vm.swappiness = 60
vm.user_reserve_kbytes = 131072
vm.vfs_cache_pressure = 100
vm.zone_reclaim_mode = 0

Все эти переменные сохраняются в обычные конфигурационные файлы для сохранения между перезагрузками. Переменные, в зависимости от назначения распределяются между этими файлами:

• /run/sysctl.d/*.conf
• /etc/sysctl.d/*.conf
• /usr/local/lib/sysctl.d/*.conf
• /usr/lib/sysctl.d/*.conf
• /lib/sysctl.d/*.conf
• /etc/sysctl.conf

Вы также можете вручную добавлять переменные и их значения в эти файлы. Если вы хотите вернуть значения переменных до состояния сохраненного в файлах и удалить свои изменения выполните:

* Applying /boot/sysctl.conf-4.1.21-14-default .
kernel.hung_task_timeout_secs = 0
kernel.msgmax = 65536
kernel.msgmnb = 65536
kernel.shmmax = 0xffffffffffffffff
kernel.shmall = 0x0fffffffffffff00
vm.dirty_ratio = 20

Теперь вы знаете как работать с переменными, дальше мы рассмотрим значение некоторых, самых важных переменных, с помощью которых может быть выполнена настройка ядра linux.

Настройка ядра Linux

abi.vsyscall32

Если установлено 1, разрешает выполнение 32 битных программ в 64 битной системе. По умолчанию включено, можете отключить, а затем попробовать запустить, например, skype.

debug.exception-trace

При возникновении ошибки в ядре выводить значения регистров процессора и стек вызовов процедур. По умолчанию включено.

dev.cdrom.autoclose

Ваш CDROM будет автоматически закрыт при попытке его монтирования, по умолчанию отключено.

dev.cdrom.autoeject

CDROM будет открыт после размонтирования содержащегося там диска с помощью команды umount.

dev.hpet.max-user-freq

Максимальная частота генерации прерываний от системного таймера High Precision Event Timer (HPET), который пришел на замену таймеру реального времени RTC. По умолчанию 64.

fs.aio-nr

Количество асинхронных операций ввода и вывода в вашей файловой системе.

fs.file-max

Максимальное количество дескрипторов файлов, которые может создать и обрабатывать ядро. Если вы часто получаете сообщения об ошибке из-за невозможности создать дескриптор файла увеличьте этот лимит. По умолчанию установлено значение 10 % от вашей оперативной памяти.

fs.inotify.max_queued_events

Подсистема ядра inotify позволяет следить за изменениями в файловой системе. Этот параметр устанавливает максимальное количество событий, которые могут находиться в очереди, перед тем как их обработает программа.

fs.inotify.max_user_instances

Максимальное количество объектов inotify, которые может создать один пользователь.

fs.inotify.max_user_watches

Максимальное количество файлов и директорий, за которыми может наблюдать один объект inotify.

cad_pid

PID процесса, который получит сигнал, если будет нажато сочетание клавиш Ctrl+Alt+Del

kernel.ctrl-alt-del

Если значение параметра 0, система отправляет сигнал процессу Init или тому, который вы назначили в предыдущей переменной, чтобы выполнить правильную перезагрузку. Если значение больше нуля, будет выполнена немедленная перезагрузка.

kernel.domainname

Позволяет установить доменное имя NIS (Network Internet Services) и YP (Yellow Pages). Но не путайте это доменное имя с DNS, это совсем разные вещи.

kernel.hostname

Имя вашего компьютера. Это самый простой способ изменить имя компьютера прямо сейчас, без перезагрузки.

kernel.modules_disabled

Позволяет отключить загрузку модулей ядра.

kernel.panic

Указывает количество секунд после ошибки в ядре (kernel panic) до перезагрузки.

kernel.pid_max

Максимальное значение PID процесса. Когда PID достигает этого значения, ядро переходит опять к минимальному. Значения больше этого не выделяются.

kernel.random.boot_id

Этот файл доступен только для чтения и содержит уникальный, случайный идентификатор загрузки. Генерируется для каждой загрузки.

kernel.random.uuid

При каждом запросе генерирует случайный UUID. Тоже доступен только для чтения.

kernel.randomize_va_space

Рандомизация адресного пространства это функция увеличивающая безопасность вашей системы. Она защищает от атак на переполнение буфера. По умолчанию включена.

kernel.sysrq

Позволяет включить или отключить управление ядром с помощью SysRQ. Доступны такие параметры:

• 0 — отключить все функции
• 1 — разрешить все функции
• 2 — разрешить настройку уровня логгирования
• 4 — разрешить управление клавиатурой
• 8 — разрешить получение отладочных сообщений и дампов
• 16 — разрешить команду sync
• 32 — разрешить перемонтирование файловых систем в read-only
• 64 — разрешить завершение процессов
• 128 — разрешить перезагрузку, выключение
• 256 — разрешить управление планировщиком

kernel.threads-max

Максимальное количество запущенных потоков для процессов.

net.ipv4.icmp_echo_ignore_all

Если включено, ядро будет игнорировать все icmp запросы. Рекомендуется для защиты от DDOS атак.

net.ipv4.icmp_echo_ignore_broadcasts

Так же, как и в предыдущем варианте, только игнорироваться будут только широковещательные icmp запросы.

net.ipv4.ip_default_ttl

Максимальное количество узлов, через которые может пройти отправленный пакет перед тем, как достигнет цели.

net.ipv4.ip_forward

Разрешить проходящие пакеты через этот компьютер. Обычно такая настройка параметров ядра Linux нужна для роутеров.

net.ipv4.ip_local_port_range

Диапазон локальных портов, которые могут быть использованы вашими программами.

net.ipv4.tcp_rfc1337

Установите 1 чтобы защитить компьютер от атаки TCP TimeWait.

net.ipv4.tcp_fin_timeout

Таймаут ожидания завершения соединения после отправки пакета FIN. Рекомендовано 15.

net.ipv4.tcp_keepalive_time

Поддерживать соединение активным определенное время, например, 300 секунд. По истечении этого времени TCP соединение будет разорвано.

net.core.rmem_default

Указывает размер по умолчанию буфера для сокета получения данных по сети.

net.core.rmem_max

Максимальный размер буфера сокета для получения данных по сети.

net.core.wmem_default

Размер сокета по умолчанию для отправки данных по сети.

net.core.wmem_max

Максимальный размер буфера сокета для отправки данных по сети.

net.ipv4.tcp_rmem

Количество памяти, доступной для работы TCP.

vm.dirty_background_ratio

Указывает процент от общей системной памяти, когда фоновый демон pdflush записи данных начнет переписывать кешированные данные на диск. По умолчанию установлено 10, но в быстрых системах такое частое сбрасывание не нужно, поэтому этот параметр можно увеличить.

vm.dirty_ratio

Похожий параметр. Только на этот раз он указывает сколько общей оперативной памяти должно быть занято, чтобы процесс, который ведет запись данных на диск инициировал запись кэшированных данных непосредственно на жесткий диск.

vm.laptop_mode

Функция laptop mode позволяет не сразу записывать данные на жесткий диск после запроса, а хранить их указанное время в оперативной памяти. Может быть полезно если вы экономите заряд батареи и не хотите, чтобы жесткий диск всегда вращался.

vm.swappiness

Устанавливает процент свободной памяти, по достижении которого данные начинают переноситься на swap раздел, для систем с большим количеством памяти рекомендовано значение 10.

Выводы

Мы рассмотрели далеко не все параметры ядра linux, здесь описаны лишь самые интересные из них. Более подробную информацию и еще больше переменных вы можете найти в официальной документации по ядру Linux. И будьте осторожны, конфигурация ядра Linux — дело серьезное. Если я упустил какой-то важный параметр, напишите в комментариях!

Источник