Linux kernel module server

Kernel module

Kernel modules are pieces of code that can be loaded and unloaded into the kernel upon demand. They extend the functionality of the kernel without the need to reboot the system.

To create a kernel module, you can read The Linux Kernel Module Programming Guide. A module can be configured as built-in or loadable. To dynamically load or remove a module, it has to be configured as a loadable module in the kernel configuration (the line related to the module will therefore display the letter M ).

Contents

Obtaining information

Modules are stored in /usr/lib/modules/kernel_release . You can use the command uname -r to get your current kernel release version.

To show what kernel modules are currently loaded:

To show information about a module:

To list the options that are set for a loaded module:

To display the comprehensive configuration of all the modules:

To display the configuration of a particular module:

List the dependencies of a module (or alias), including the module itself:

Automatic module loading with systemd

Today, all necessary modules loading is handled automatically by udev, so if you do not need to use any out-of-tree kernel modules, there is no need to put modules that should be loaded at boot in any configuration file. However, there are cases where you might want to load an extra module during the boot process, or blacklist another one for your computer to function properly.

Kernel modules can be explicitly listed in files under /etc/modules-load.d/ for systemd to load them during boot. Each configuration file is named in the style of /etc/modules-load.d/program.conf . Configuration files simply contain a list of kernel modules names to load, separated by newlines. Empty lines and lines whose first non-whitespace character is # or ; are ignored.

See modules-load.d(5) for more details.

Manual module handling

Kernel modules are handled by tools provided by kmod package. You can use these tools manually.

To load a module:

To load a module by filename (i.e. one that is not installed in /usr/lib/modules/$(uname -r)/ ):

To unload a module:

Setting module options

To pass a parameter to a kernel module, you can pass them manually with modprobe or assure certain parameters are always applied using a modprobe configuration file or by using the kernel command line.

Manually at load time using modprobe

The basic way to pass parameters to a module is using the modprobe command. Parameters are specified on command line using simple key=value assignments:

Using files in /etc/modprobe.d/

Files in /etc/modprobe.d/ directory can be used to pass module settings to udev, which will use modprobe to manage the loading of the modules during system boot. Configuration files in this directory can have any name, given that they end with the .conf extension. The syntax is:

Using kernel command line

If the module is built into the kernel, you can also pass options to the module using the kernel command line. For all common bootloaders, the following syntax is correct:

Simply add this to your bootloader’s kernel-line, as described in Kernel Parameters.

Aliasing

Aliases are alternate names for a module. For example: alias my-mod really_long_modulename means you can use modprobe my-mod instead of modprobe really_long_modulename . You can also use shell-style wildcards, so alias my-mod* really_long_modulename means that modprobe my-mod-something has the same effect. Create an alias:

Some modules have aliases which are used to automatically load them when they are needed by an application. Disabling these aliases can prevent automatic loading but will still allow the modules to be manually loaded.

Blacklisting

Blacklisting, in the context of kernel modules, is a mechanism to prevent the kernel module from loading. This could be useful if, for example, the associated hardware is not needed, or if loading that module causes problems: for instance there may be two kernel modules that try to control the same piece of hardware, and loading them together would result in a conflict.

Some modules are loaded as part of the initramfs. mkinitcpio -M will print out all automatically detected modules: to prevent the initramfs from loading some of those modules, blacklist them in a .conf file under /etc/modprobe.d and it shall be added in by the modconf hook during image generation. Running mkinitcpio -v will list all modules pulled in by the various hooks (e.g. filesystems hook, block hook, etc.). Remember to add that .conf file to the FILES array in /etc/mkinitcpio.conf if you do not have the modconf hook in your HOOKS array (e.g. you have deviated from the default configuration), and once you have blacklisted the modules regenerate the initramfs, and reboot afterwards.

Using files in /etc/modprobe.d/

Create a .conf file inside /etc/modprobe.d/ and append a line for each module you want to blacklist, using the blacklist keyword. If for example you want to prevent the pcspkr module from loading:

However, there is a workaround for this behaviour; the install command instructs modprobe to run a custom command instead of inserting the module in the kernel as normal, so you can force the module to always fail loading with:

This will effectively blacklist that module and any other that depends on it.

Using kernel command line

You can also blacklist modules from the bootloader.

Simply add module_blacklist=modname1,modname2,modname3 to your bootloader’s kernel line, as described in Kernel parameters.

Troubleshooting

Modules do not load

In case a specific module does not load and the boot log (accessible by running journalctl -b as root) says that the module is blacklisted, but the directory /etc/modprobe.d/ does not show a corresponding entry, check another modprobe source folder at /usr/lib/modprobe.d/ for blacklisting entries.

A module will not be loaded if the «vermagic» string contained within the kernel module does not match the value of the currently running kernel. If it is known that the module is compatible with the current running kernel the «vermagic» check can be ignored with modprobe —force-vermagic .

Источник

Kernel module (Русский)

Модули ядра — это отдельные кусочки кода, которые могут быть загружены и выгружены из ядра по мере необходимости. Они расширяют функциональность ядра без необходимости перезагрузки системы.

Contents

Обзор

Чтобы создать модуль ядра, вы можете прочитать The Linux Kernel Module Programming Guide. Модуль можно сконфигурировать как вкомпилированный, а можно как загружаемый. Чтобы иметь возможность динамически загружать или выгружать модуль, его необходимо сконфигурировать как загружаемый модуль в настройке ядра (в этом случае строка, относящаяся к модулю должна быть отмечена буквой M ).

Модули хранятся в /usr/lib/modules/kernel_release . Чтобы узнать текущую версию вашего ядра, используйте команду uname -r .

Получение информации

Чтобы узнать, какие модули ядра загружены в настоящий момент:

Чтобы показать информацию о модуле:

Чтобы вывести список опций, с которыми загружен модуль:

Чтобы отобразить настройки для всех модулей:

Чтобы отобразить настройки для отдельного модуля:

Чтобы узнать зависимости модуля (или его псевдонима), включая сам модуль:

Автоматическое управление модулями

Сегодня все необходимые загрузки модулей делаются автоматически с помощью udev, поэтому если вам не нужно загружать какие-либо модули, не входящие в стандартное ядро, вам не придётся прописывать модули, требующиеся для загрузки в каком-либо конфигурационном файле. Однако, бывают случаи, когда вам необходимо загружать свой модуль в процессе загрузки или наоборот не загружать какой-то стандартный модуль, чтобы ваш компьютер правильно функционировал.

Чтобы дополнительные модули ядра загружались автоматически в процессе загрузки, создаются статические списки в конфигурационных файлах в директории /etc/modules-load.d/ . Каждый конфигурационный файл называется по схеме /etc/modules-load.d/

.conf . Эти конфигурационные файлы содержат список названий модулей ядра, которые необходимо грузить, разделённых переносом строки. Пустые строки и строки, в которых первым непробельным символом является # или ; , игнорируются.

Смотрите modules-load.d(5) для дополнительной информации.

Управление модулями вручную

Управление модулями ядра производится с помощью утилит, предоставляемых пакетом kmod . Вы можете использовать эти утилиты вручную.

Загрузка модуля из другого места (для тех модулей, которых нет в /lib/modules/$(uname -r)/ ):

Альтернативный вариант выгрузки модуля:

Настройка параметров модуля

Чтобы передать параметр модулю ядра, вы можете воспользоваться конфигурационным файлом в modprobe или использовать командную строку ядра.

С помощью файлов в /etc/modprobe.d/

Файлы в директории /etc/modprobe.d/ можно использовать для передачи настроек модуля в udev, который через modprobe управляет загрузкой модулей во время загрузки системы. Конфигурационные файлы в этой директории могут иметь любое имя, оканчивающееся расширением .conf . Синтаксис следующий:

С помощью командной строки ядра

Если модуль вкомпилирован в ядро, вы также можете передать параметры модулю с помощью командной строки ядра. Для всех стандартных загрузчиков, подойдёт следующий синтаксис:

Просто добавьте это в загрузчике в строку с ядром, как описано в параметрах ядра.

Создание псевдонимов

Псевдонимы (алиасы) — это альтернативные названия для модуля. Например: alias my-mod really_long_modulename означает, что вы можете использовать modprobe my-mod вместо modprobe really_long_modulename . Вы также можете использовать звёздочки в стиле shell, то есть alias my-mod* really_long_modulename будет иметь тот же эффект, что и modprobe my-mod-something . Создайте алиас:

У некоторых модулей есть алиасы, которые используются для их автоматической загрузки, когда они потребуются определённой программе. Отключение этих алиасов может предотвратить их автоматическую загрузку, при этом остаётся возможность из загрузки вручную.

Запрет загрузки

В терминах модулей ядра blacklisting означает механизм, предотвращающий загрузку какого-то модуля. Это может понадобиться, например если вам не нужна работа какого-то оборудования или если загрузка данного модуля вызывает проблемы: например, могут быть два модуля ядра, которые пытаются управлять одним и тем же оборудованием, и их совместная загрузка приводит к конфликту.

Некоторые модули загружаются как часть initramfs. Команда mkinitcpio -M напечатает все автоматически обнаруженные модули: для предотвращения initramfs от загрузки каких-то из этих модулей, занесите их в чёрный список в /etc/modprobe.d/modprobe.conf . Команда mkinitcpio -v отобразит все модули, которые необходимы некоторым хукам (например, filesystems хук, block хук и т.д.). Не забудьте добавить этот .conf файл в секцию FILES в /etc/mkinitcpio.conf , если вы этого ещё не сделали, пересоберите initramfs после того, как вы запретили загрузку модулей, а затем перезагрузитесь.

С помощью файлов в /etc/modprobe.d/

Создайте .conf файл в /etc/modprobe.d/ и добавьте строку для каждого модуля, который вы хотите запретить, используя ключевое слово blacklist . Например, если вы хотите запретить загружать модуль pcspkr :

Можно изменить такое поведение. Команда install заставляет modprobe запускать вашу собственную команду вместо вставки модуля в ядро как обычно. Поэтому вы можете насильно сделать так, чтобы модуль никогда не загружался:

Это запретит данный модуль и все модули, зависящие от него.

С помощью командной строки ядра

Вы также можете запрещать модули из загрузчика.

Источник

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