Linux исходники своего ядра

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

Как собрать ядро Linux с нуля

Обновл. 18 Июн 2021 |

Ядро Linux является основой дистрибутивов Linux. Оно связывает аппаратное и программное обеспечение компьютера, а также отвечает за распределение доступных ресурсов.

Если вы хотите отключить несколько опций и драйверов или попробовать экспериментальные исправления, то вам необходимо будет собрать ядро вручную. В этой статье вы узнаете, как с нуля самостоятельно скомпилировать и установить ядро Linux.

Сборка ядра Linux

Процесс сборки ядра Linux состоит из семи простых шагов. Однако для выполнения этой процедуры вам потребуется значительное количество времени (зависящее от характеристик вашего компьютера).

Примечание: Для сборки ядра Linux я выделил следующие ресурсы:

виртуальная машина — VMware Workstation 15 Pro (15.5.6);

дистрибутив — Debian Linux (ветка Testing);

ресурсы — 2 ядра CPU (Ryzen 5 1600 AF), 2GB RAM, HDD;

время компиляции — 3+ часа.

После этого я попробовал собрать ядро еще раз, перенеся образ виртуальной машины на NVMe SSD A-Data XPG SX8200 Pro (1TB), а также увеличив количество доступных для виртуальной машины ядер CPU до 6, а RAM — до 4GB. В таком варианте время компиляции составило около 1.5 часов.

Шаг №1: Загрузка исходного кода

Откройте сайт kernel.org и найдите архив с исходными кодами самой свежей версии ядра (Latest Release).

Примечание: Не пугайтесь, если версия ядра на сайте kernel.org не совпадает с той, которую я использовал на данном уроке. Все рассмотренные шаги/команды работоспособны, просто вам придется заменить цифры в версии ядра на свои.

Затем откройте терминал и с помощью команды wget скачайте архив с исходным кодом ядра Linux:

Шаг №2: Распаковка архива с исходным кодом

Распакуем архив, применив команду tar :

$ tar xvf linux-5.12.10.tar.xz

Шаг №3: Установка необходимых пакетов

Нам потребуются дополнительные утилиты, с помощью которых мы произведем компиляцию и установку ядра. Для этого выполните следующую команду:

Пользователям Debian/Ubuntu/Linux Mint:

$ sudo apt-get install git fakeroot build-essential ncurses-dev xz-utils libssl-dev bc flex libelf-dev bison

Данная команда установит следующие пакеты:

Пакет	Описание
git	Утилита, помогающая отслеживать изменения в файлах исходного кода. А в случае какой-либо ошибки, эти изменения можно будет откатить.
fakeroot	Позволяет запускать команду в среде, имитирующей привилегии root.
build-essential	Набор различных утилит для компиляции программ (компиляторы gcc, g++ и пр.).
ncurses-dev	Библиотека, предоставляющая API для программирования текстовых терминалов.
xz-utils	Утилита для работы с архивами в .xz-формате.
libssl-dev	Библиотека для разработки и поддержки протоколов шифрования SSL и TLS.
bc (Basic Calculator)	Интерактивный интерпретатор, позволяющий выполнять скрипты с различными математическими выражениями.
flex (Fast Lexical Analyzer Generator)	Утилита генерации программ, которые могут распознавать в тексте шаблоны.
libelf-dev	Библиотека, используемая для работы с ELF-файлами (исполняемые файлы, файлы объектного кода и дампы ядра).
bison	Создает из набора правил программу анализа структуры текстовых файлов.

Пользователям CentOS/RHEL/Scientific Linux:

$ sudo yum group install «Development Tools»

$ sudo yum groupinstall «Development Tools»

Также необходимо установить дополнительные пакеты:

$ sudo yum install ncurses-devel bison flex elfutils-libelf-devel openssl-devel

Пользователям Fedora:

$ sudo dnf group install «Development Tools»
$ sudo dnf install ncurses-devel bison flex elfutils-libelf-devel openssl-devel

Шаг №4: Конфигурирование ядра

Исходный код ядра Linux уже содержит стандартный файл конфигурации с набором различных настроек. Однако вы можете сами изменить его в соответствии с вашими потребностями.

Для этого перейдите с помощью команды cd в каталог linux-5.12.10:

Скопируйте существующий файл конфигурации с помощью команды cp :

$ sudo cp -v /boot/config-$(uname -r) .config

Чтобы внести изменения в файл конфигурации, выполните команду make :

Данная команда запускает несколько сценариев, которые далее откроют перед вами меню конфигурации:

Меню конфигурации включает в себя такие параметры, как:

Firmware Drivers — настройка прошивки/драйверов для различных устройств;

Virtualization — настройки виртуализации;

File systems — настройки различных файловых систем;

Для навигации по меню применяются стрелки на клавиатуре. Пункт H elp > поможет вам узнать больше о различных параметрах. Когда вы закончите вносить изменения, выберите пункт S ave > , а затем выйдите из меню с помощью пункта E xit > .

Примечание: Изменение настроек некоторых параметров может привести к тому, что в вашем новом ядре будет отсутствовать поддержка жизненно важных для системы функций. Если вы не уверены, что нужно изменить, то оставьте заданные по умолчанию настройки.

Примечание: Если вы использовали вариант с копированием файла конфигурации, то перед переходом к следующему шагу, откройте этот файл и проверьте, что параметр CONFIG_SYSTEM_TRUSTED_KEYS у вас определен так же, как указано на следующем скриншоте:

В противном случае вы можете получить ошибку:

make[4]: *** No rule to make target ‘debian/certs/test-signing-certs.pem’, needed by ‘certs/x509_certificate_list’. Stop.
make[4]: *** Waiting for unfinished jobs.

Шаг №5: Сборка ядра

Для старта сборки ядра выполните следующую команду:

Процесс сборки и компиляции ядра Linux занимает довольно продолжительное время.

Во время этого процесса в терминале будут перечисляться все выбранные компоненты ядра Linux: компонент управления памятью, компонент управления процессами, драйверы аппаратных устройств, драйверы файловых систем, драйверы сетевых карт и пр.

Затем нужно будет установить модули с помощью следующей команды:

$ sudo make modules_install

Осталось произвести установку нового ядра. Для этого необходимо выполнить:

$ sudo make install

Шаг №6: Обновление загрузчика

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

Пользователям Debian/Ubuntu/Linux Mint:

Команда make install автоматически обновит загрузчик.

Для того, чтобы обновить загрузчик вручную, вам необходимо сначала обновить initramfs до новой версии ядра:

$ sudo update-initramfs -c -k 5.12.10

Затем обновить загрузчик GRUB с помощью следующей команды:

Пользователям CentOS/RHEL/Scientific Linux :

$ sudo grub2-mkconfig -o /boot/grub2/grub.cfg
$ sudo grubby —set-default /boot/vmlinuz-5.6.9

Вы можете подтвердить детали с помощью следующих команд:

grubby —info=ALL | more
grubby —default-index
grubby —default-kernel

Шаг №7: Перезагрузка системы

После выполнения вышеописанных действий перезагрузите свой компьютер. Когда система загрузится, проверьте версию используемого ядра с помощью следующей команды:

Как видите, теперь в системе установлено собранное нами ядро Linux-5.12.10.

Поделиться в социальных сетях:

Источник