Linux Kernel Modifikation Quiz

Betriebssysteme (BS) - Linux Kernel

• Der Linux-Kernel ist der zentrale Bestandteil eines Betriebssystems.
• Er fungiert als Schnittstelle zwischen Hardware und Softwareanwendungen.
• Er übernimmt wichtige Aufgaben wie Speicherverwaltung, Prozessverwaltung, Gerätesteuerung und die Kommunikation zwischen Hardware und Software.
• Der Kernel ermöglicht es Programmen, auf die Hardware zuzugreifen, ohne direkten Kontakt mit ihr.
• Dies erhöht die Stabilität und Sicherheit des Systems.

Agenda

• Was ist der Linux-Kernel?
• Wie wird der Linux-Kernel konfiguriert?
• Welche Optionen sind bei der Konfiguration des Linux-Kernels notwendig?
• Welche weiteren Konfigurationsmöglichkeiten gibt es?

Ziele

• Wissen, was für die Übersetzung eines Linux-Kernels notwendig ist.
• Die Linux-Kernel-Konfiguration beherrschen.
• Die Source-Dateien des Linux-Kernels verstehen.
• Einen Linux-Kernel selbstständig übersetzen.

Der Monolithische Kernel

• Im monolithischen Kernel sind alle Betriebssystemdienste in einem großen Adressraum organisiert.
• Vorteile: schnelle Performance, geringe Kommunikationskosten zwischen Prozessen, einfache Integration in Hardwareressourcen.
• Nachteil: grosse Codebasis, schwer zu warten. Fehler im Kernel können das gesamte System lahmlegen.
• Beispiele: Linux, Unix

Der Microkernel

• Der Microkernel ist ein minimalistischer Kernel.
• Nur essentielle Mechanismen wie Speicherverwaltung, Prozesskommunikation und Low-Level-Hardware-Unterstützung sind integriert.
• Die meisten Dienste (Dateisystem, Gerätetreiber) werden im User-Space ausgeführt.
• Vorteile: kleinere Codebasis, einfach zu warten, robuster gegenüber Fehlern.
• Nachteil: geringere Performance, da Kommunikation zwischen User-Space-Diensten und Kernel-Space-Mechanismen stattfindet.
• Beispiele: Minix, QNX

Der Hybrid Kernel

• Vereint Aspekte von monolithischem und Microkernel.
• Einige Dienste laufen im Kernel-Space für höhere Performance.
• Vorteile: gute Balance zwischen Performance, Modularität und Systemsicherheit.
• Nachteil: komplexer in der Entwicklung und Wartung im Vergleich zu rein monolithischen oder Microkernels
• Beispiele: Windows, macOS

Der Exokernel

• Minimalistischer Kernel, der Anwendungen die direkte Kontrolle über die Hardwareressourcen gibt.
• Vorteile: hohe Performance, da Abstraktionsschichten fehlen.
• Nachteil: komplexe Entwicklung, da wenig Abstraktion vorhanden ist.
• Beispiele: MIT's Exokernel

Der Nanokernel

• Kleinere Version des Microkernels mit geringer Funktionalität.
• Realisiert Basisfunktionalität wie Prozesskommunikation und Interrupt-Management.
• Vorteile: sehr leichtgewichtig, minimalistisch, gut für Embedded-Geräte geeignet.
• Nachteil: hoher Aufwand bei der Entwicklung und Anpassung an Geräte.
• Beispiele: EPOC-Kernel von Symbian (z.B. Nokia 3210)

Der Modulare Kernel

• Basiert im Kern auf einem monolithischen Kernel, aber mit der Möglichkeit, Funktionalitäten zur Laufzeit über Module zu erweitern, ohne Neustart.
• Vorteile: hohe Flexibilität, Reduzierung des Speicherverbrauchs.
• Nachteil: erbt die Komplexität des monolithischen Kernels.
• Beispiele: Linux (moderne Versionen mit Linux-Kernel-Modulen)

Linux Historie

• 1991: Linus Torvalds begann mit der Entwicklung von Linux.
• 1985: Gründung der Free Software Foundation (FSF).
• 1991: Richard Stallmann gründete die GNU Public License (GPL).
• Prof. Andrew S. Tanenbaum entwickelte das Minix-Betriebssystem.

Linux Wachstum

• Neue Prozessorarchitekturen.
• Entwicklung neuer Treiber benötigt.
• Open-Source-Charakter ermutigt Einzelentwickler zum Mitmachen.
• Studierende und Lehrende an Universitäten und Forschungseinrichtungen suchen nach freien, offenen Betriebssystemen.

Linux Releases

• Entwicklungsstufen des Linux-Kernels, mit zunehmenden Komplexität, Benutzer und Codebasis.

Übersicht: Linux Kernel

• Struktur des Linux-Kernels mit Unterverzeichnissen wie documentation/, arch/, drivers/, fs/, include/, init/, kernel/, mm/, net/.
• Die Struktur ist im Laufe der Zeit nicht verändert worden.

Voraussetzungen für die Übersetzung

• benötigte Werkzeuge, z.B Compiler, Build-Tool (make), Tool zum Installieren (z.B. update-grub)
• weitere Tools (z.B. Ncurses, GTK+, QT und andere Compiler je nach Bedarf)

Unterstützung

• Referenzmaterialien zum Konfigurieren und Erstellen auf GitLab.

Linux Kernel Übersetzen mit make

• make-Befehle zur Konfiguration, Erstellung, Installation, und Aktivierung des Kernels.

Linux Kernel Config mit GUI (QT)

• Verwendung von Ubuntu und libqt4-dev.

Überlslick: Linux Kernel Menuconfig

• Parameter und Optionen bei der Auswahl der Konfiguration des Kernels.

Linux Kernel Übersetzen

• make oldconfig: erstellt eine .config-Datei, basierend auf der bestehenden Konfiguration.
• make menuconfig(xconfig): GUI-basierte Konfigurationsoption
• make localmodconfig: erzeugt config Datei für die aktuell geladenen Module.

Linux Kernel Booten/Starten

• Neu-Start der virtuellen Maschine und Konfiguration von boot-manager.
• Identifikation und Überprüfung der Module nach dem Bootprozess.

Zusammenfassung

• Einführung in das Thema Linux Kernel und die zugehörigen Konfigurationsdetails.
• Das Erlernen von Hands-on-Phasen für die Übersetzung, Installation, und das Starten des Kernels.