Kernel Architekturen

Kernel Architekturen

• Monolithischer Kernel: Dieser Kern ist ein großer, zusammenhängender Codeblock. Alle Systemkomponenten sind hier integriert, einschließlich der Kernel- und User-Space-Dienste. Vorteile sind eine schnelle Leistung und einfache Integration mit Hardwareressourcen. Nachteile: Große Codebasis, schwierige Wartung und ein Fehler im Kernel kann das gesamte System zum Absturz bringen. Beispiele: Linux, UNIX.

• Microkernel: Nur die essentiellen Mechanismen wie Memory Management, Prozesskommunikation und Low-Level-Hardware werden im Microkernel implementiert. Die meisten Systemdienste wie Dateisysteme und Gerätetreiber laufen im User-Space. Vorteile sind eine kleinere Codebasis, einfachere Wartung und Robustheit gegen Fehler. Nachteile: Geringere Leistung aufgrund der Kommunikation zwischen User-Space-Diensten und Kernel-Space-Mechanismen. Beispiele: Minix, QNX.

• Hybrid Kernel: Er kombiniert Aspekte des monolithischen und Microkernel, wobei ausgewählte Dienste im Kernel-Space ausgeführt werden, um die Leistung zu verbessern. Vorteile: Gute Balance zwischen Leistung, Modularität und Systemsicherheit. Nachteil: Komplexer in der Entwicklung und Wartung im Vergleich zu rein monolithischen oder Microkernel. Beispiele: Windows, macOS.

• Exokernel: Ein minimaler Kernel, der Anwendungen die direkte Kontrolle über Hardwareressourcen gibt. Vorteile: Hohe Leistung, da Abstraktionsschichten fehlen und Anwendungen direkt mit der Hardware interagieren. Nachteil: Komplex in der Entwicklung, da wenig Abstraktion vorhanden ist. Beispiel: MIT's Exokernel.

• Nanokernel: Eine verkleinerte Variante des Microkernel, die nur grundlegende Funktionalitäten wie Prozesskommunikation und Interrupt Management realisiert. Vorteile: Sehr leichtgewichtig und minimalistisch, geeignet für eingebettete Geräte. Nachteil: Hoher Aufwand in der Entwicklung und Anpassung an verschiedene Geräte. Beispiele: EPOC Kernel von Symbian (z.B. Nokia Telefone wie 3210).

• Modularer Kernel: Grundsätzlich ein monolithischer Kernel, der das Nachladen von Funktionalitäten zur Laufzeit mithilfe von Modulen ermöglicht, ohne das System neu starten zu müssen. Vorteile: Flexibles System, um Funktionalität nachzuladen, ohne den Neustart des Systems; Reduzierung des Speicherverbrauchs, da nur geladene Module Ressourcen verbrauchen. Nachteil: Erbt die Komplexität des monolithischen Kernels. Beispiel: Linux (moderne Versionen mit Linux Kernel Modules).

Linux Geschichte

• 1991: Linus Torvalds (21 Jahre) entwickelt einen kleinen Bootloader auf einem PC-AT. Es wurde der GNU C Compiler (gcc, GNU Project) und das Betriebsystem MINIX (UNIX Clone, entwickelt an der Universität Amsterdam) verwendet.

• 1985: Richard Stallman Die Free Software Foundation (FSF) und die GNU Public License (GPL) wurden initiiert.

• 1991: Richard Stallman entwickelt das Betriebssystem GNU Hurd, GNU Emacs und den GNU C Compiler.

• 1991: Prof. Andrew S. Tanenbaum entwickelt MINIX-OS 2.0 für seine Betriebssystemvorlesung an der Freien Universität Amsterdam.

Linux Kernel Installation unter Ubuntu

• Voraussetzungen

  • sudo bash sicherheitsrelevante Befehle ausführen (root user)
  • apt-get update && apt-get install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev - Benötigte Pakete für die Installation des Kernel-Quellcodes installieren.
  • wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.10.1.tar.xz && tar -xvf linux-5.10.1.tar.xz && cd linux-5.10.1 - Kernel-Quellcode herunterladen und entpacken.

• Konfiguration & Übersetzung

  • make help - Hilfemenü anzeigen
  • make config - Neue Kernel Konfigurationsdatei (.config) erstellen.
  • make oldconfig - Eine neue .config auf Basis einer bestehenden Konfigurationsdatei erstellen.
  • make listnewconfig - Liste der neuen Konfigurationsoptionen anzeigen.
  • make all - Kernel-Image und alle Module kompilieren.
  • make modules_install - Kernel-Module im Verzeichnis /lib installieren.
  • make install - Kernel-Image im Verzeichnis /boot installieren.
  • make firmware_install - Neuere Firmware installieren.

• GUI-gestützte Konfiguration

  • sudo apt-get install libqt4-dev g++ - QT4 Bibliothek installieren.
  • make xconfig - QT-basierte Oberfläche zur Kernel-Konfiguration.

• Menuconfig

  • sudo apt-get install libncurses5-dev - Ncurses Bibliothek installieren.
  • make menuconfig - Ncurses-basierte Oberfläche zur Kernel-Konfiguration.

• Überblick: MenuConfig

  • ** [ ] ** - Optionen sind nicht ausgewählt.
  • ** [*] ** - Optionen sind ausgewählt und werden im Kernel-Image kompiliert.
  • ** ** - Optionen werden als Module kompiliert (nachladbare Module).
  • ** ( ) ** - Optionen sind wählbar (Text oder Zahl).
  • ** --> ** - Weitere Optionen in einem Untermenü.

• Menuconfig Navigation

  • Tabulator und Cursortasten - Navigation zwischen Optionen.
  • ** / ** - Suchen nach einer Option.
  • ** H ** - Hilfetext zu einer Option anzeigen.
  • ** Y ** - Option auswählen.
  • ** N ** - Option abwählen.
  • ** M ** - Option als Modul auswählen.
  • ** E ** - MenuConfig beenden.

• Linux Kernel Übersetzung (Ubuntu VM)

  • In der Ubuntu VM als Benutzer test (Passwort: test) einloggen.
  • sudo bash - Zum Root User wechseln.
  • cd /usr/src/linux-XX.YY.ZZ - In das Verzeichnis mit dem Kernel-Quellcode wechseln.
  • make oldconfig - Die Konfigurationsdatei .config aus der aktuellen Konfiguration erstellen.
  • make menuconfig - Neue Konfiguration mit der Ncurses Oberfläche erstellen.
  • make xconfig - Neue Konfiguration mit der QT Oberfläche erstellen.
  • make localmodconfig - Die Konfigurationsdatei localmodconfig erstellen, welche nur die momentan geladenen Module aktiviert.
  • make localyesconfig - Die Konfigurationsdatei localyesconfig erstellen, welche alle momentan geladenen Module fest in den Kernel kompiliert.

• Kernel-Image und Module bauen und installieren

  • make all install modules_install - Kernel-Image und alle Module kompilieren und installieren.
  • make V=1 all install modules_install - Kernel-Image und Module mit verbesserter Ausgabe kompilieren und installieren.
  • update-grub - Den neuen Kernel dem Bootmanager (z.B. GRUB) bekannt machen.

• Kernel-Module

  • lsmod - Liste aller aktuell geladenen Module anzeigen.

• Kernel Starten

  • Den neuen Kernel booten / starten.