Linux Kernel Module - HS Esslingen

BETRIEBSSYSTEME (BS) VI. LINUX KERNEL MODULE PROF. DR.-ING. RAINER KELLER PROF. DR. DENNIS GREWE 1 AGENDA l Was ist der Linux Kernel? l Was sind Linux Kernel Module und wie funktionieren sie? l Wie verwalte ich Module mittels systemnahen Programmen? l...

BETRIEBSSYSTEME (BS) VI. LINUX KERNEL MODULE PROF. DR.-ING. RAINER KELLER PROF. DR. DENNIS GREWE 1 AGENDA l Was ist der Linux Kernel? l Was sind Linux Kernel Module und wie funktionieren sie? l Wie verwalte ich Module mittels systemnahen Programmen? l Wie entwickle ich ein eigenes Linux Kernel Modul? 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 2 ZIELE l Wissen wie Linux Module aufgebaut sind! l Wissen wie man Linux Kernel Module selbst programmieren kann? l Zusammenführung des bisher gelernten… 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 3 QUIZ ZUR WIEDERHOLUNG https://partici.fi/54815345 [Bild von vecstock auf Freepik] 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Systemaufrufe & Interrupts 4 WIEDERHOLUNG LINUX HISTORIE 5 LINUX RELEASES l 09.1991 Linux v0.01 10.239 Lines-of-code (LOC) l 12.1991 Linux v0.11 (ohne MINIX) l 02.1991 Linux v0.12 unter GPL l 03.1991 X Windows System ~40k LoC 20k Benutzer l 03.1994 Linux v1.0 176.250 LoC 100k Benutzer l 03.1995 Linux v1.2 310.950 LoC l 06.1996 Linux v2.0 716.119 LoC l 01.1999 Linux v2.2 1.800.847 LoC l 01.2001 Linux v2.4 3.377.902 LOC l 12.2003 Linux v2.6 5.929.913 LOC, bis 2011, dann 3.0-Schema l 01.2012 Linux v3.2 14.998.651 LOC l 10.2015 Linux v4.2.3. 18.756.142 LOC l 11.2019 Linux v5.8.3 24.711.894 LOC l 02.2022 Liunx v5.16.11 29.086.702 LOC (Unser Stable-Kernel) l 11.2022 Linux v6.1 ~28.000.000 LOC 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 6 ÜBERSICHT: LINUX KERNEL l Die Struktur des Linux Kernel hat sich seit Beginn nicht geändert: l documentation/ (Alles über Linux) l arch/ (Architektur-abhängige Dateien, z.B. x86) l drivers/ (Alle Low-Level Treiber für Hardware!!!) l fs/ (Schnittstelle und Code für Filesysteme!) l include/ (Alle C-Header Dateien) l init/ (Einsprung nach dem Booten: start_kernel) l kernel/ (Architektur-unabhängige Schnittstellen) l mm/ (Memory Management Schnittstelle) l net/ (Netzwerk Schnittstelle – ohne Treiber) l Wir werden uns Interrupts und Scheduler unter kernel anschauen l Aber zunächst wollen wir den Linux-Kernel übersetzen. 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 7 WIE FINDET MAN SICH IM LINUX KERNEL ZURECHT? l Die interaktive Webseite Linux Kernel- Map bietet eine gute Möglichkeit sich die Struktur des Linux Kernels anzusehen. l Aktuell bis Linux v5.1 (2022) 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 8 LINUX KERNEL MODULE Quelle: [Image by freepik] 9 WAS IST EIN LINUX KERNEL MODUL? Anwendungsprogramme Grafische Benutzeroberfläche l Linux Module sind Softwarekomponenten, welche dynamisch in den Systemnahe Programme Bibliotheken Kernel eines laufenden Linux-Systems geladen oder entfernt werden OS (Kern+Module) Software Hardware können. l Linux Module erweitern die Funktionalität des Kernels, ohne dass ein Neustart des Systems erforderlich ist. l Linux Kernel Module werden häufig verwendet, um Hardware-Treiber (Grafik, Netzwerkkarten), Dateisysteme (NTFS Festplatten, Mac Partition), Netzwerkprotokolle oder andere Kernelfunktionen bereitzustellen. 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 10 WO FINDE ICH LINUX KERNEL MODULE? l Die compilierten/ übersetzten Linux Module liegen in den Verzeichnissen unterhalb von /lib/modules/VERSION/, wobei VERSION die Versionsnummer des Kernels ist. l Linux Kernel Module sind Objektdateien, die in den laufenden Kernel nachgeladen werden; wie in der Programmiersprache C die.o-Dateien plus weitere Daten -> Dateien mit Endung.ko (kernel object) last SretwelchRemel Libmodules 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 11 WO FINDE ICH LINUX KERNEL MODULE? l Linux Kernel Module sind spezielle Objektdateien mit der Endung.ko (kernel object): Virtueller Speicher: Prozess main() Text / OS-Mment:... Code myfunc() Segment PID... Ressourcen myvar=0 Data... mama=42 Segment Register: Alloc. HEAP IP Speicher Speicher SP RAX IP-RetAddr Stack int i; Segment int myval; RDX... 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 13 UNTERSCHIED LINUX MODULE ZU „NORMALEN” PROGRAMMEN l Keine main() Funktion l während C-Programme unter Unix als Prozess in der main() Funktion gestartet werden. l Werden nicht rein sequentiell ausgeführt l Modul registriert sich Handler für bestimmte Events bei der Initialisierung l Können während der Ausführung unterbrochen werden l Bspw. durch mehrfachen Aufruf aus Threads einer Anwendung unterliegen diese Interrupts l Haben eine höhere Ausführungspriorität l Kernel Module laufen mit höherer Priorität und mehr Rechte um bestimmte Instruktionen auszuführen l Dürfen keine Fließkommaoperation ausführen 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 14 SYSTEMNAHE PROGRAMME FÜR LINUX MODULE Anwendungsprogramme Grafische Benutzeroberfläche l Für die Interaktion mit Linux Modulen gibt es systemnahe Programme Systemnahe Programme Bibliotheken die zur Verwaltung herangezogen werden können: OS (Kern+Module) Software l lsmod↵ # Liste der derzeit geladenen Module Hardware l depmod↵ # Dependencies (Abhängigkeiten) erkennen l modprobe↵ # Module & Dependencies aus /lib/modules laden l insmod↵ # Ein bestimmtes Modul (auch im CWD!) laden l rmmod↵ # Ein Modul wieder entfernen l modinfo↵ # Modulinformationen wie z.B. Funktion, Parameter (allesamt aus Section.modinfo!) anzeigen. l Und weiter Tools die auf diesen aufbauen, z.B.: l udevd↵ # lädt automatisch Module, sobald Gerät angeschlossen l automount↵# macht Dateisystem dem OS bekannt, sobald angeschlossen 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 15 HILFREICHE TOOLS LINUX MODULE PROGRAMME Quelle: [Image by Freepik] 16 LINUX MODULE PROGRAMM: MODINFO l Informationen zu einem Module liefert das Programm modinfo: l $ modinfo rfcomm↵ # Zeige alle Modulinfos zu ‘rfcomm‘ filename: /lib/modules/3.5.0-18- generic/kernel/net/bluetooth/rfcomm/rfcomm.ko alias: bt-proto-3 alias: pci:v00001283d... license: GPL version: 1.11 description: Bluetooth RFCOMM ver 1.11 author: Marcel Holtmann srcversion: CC35386D02177A222DBB63D depends: bluetooth intree: Y vermagic: 3.5.0-18-generic SMP mod_unload modversions 686 parm: disable_cfc:Disable credit based flow cntrl (bool)m 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 17 LINUX MODULE PROGRAMM: DEPMOD l Mittels depmod werden Abhängigkeiten zwischen Modulen ermittelt und in einer Datenbank abgespeichert. Eine Beispielausgabe der Datenbank: l $ cat /lib/modules/3.XXX.0-27-ray/modules.dep↵ l... kernel/drivers/video/nvidia/nvidiafb.ko: kernel/drivers/video/fb_ddc.ko l d.h. der NVIDIA-Framebuffer Treiber benötigt den FB Data-Display-Channel Treiber (welcher die Monitor-Auflösung mittels DDC/EDID ausliest)… l depmod muss immer ausgeführt werden, sobald Module mit Abhängigkeiten geändert wurden l Hinweis: das macht make modules_install automatisch in Hintergrund 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 19 LINUX MODULE PROGRAMM: MODPROBE l Das Tool modprob ist ein „Allrounder“ und kann Module l mit allen Abhängigkeiten laden, l Kann „Aliase“ (andere Namen für ein Modul) umwandeln l Abhängigkeiten anzeigen lassen und l Module wieder entladen l Aber: l Es arbeitet nur mit Modulen welche in (Unter-)Verzeichnissen unter /lib/modules/VERSION/ abgelegt sind 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 20 LINUX MODULE PROGRAMM: INSMOD & RMMOD l Das Tool insmod fügt ein Modul zur Laufzeit dem Kernel hinzu: l $ insmod ↵ # Einfügen von l Beispiel: l $ insmod./modul.ko↵ # Einfügen aus diesem Verzeichnis l Das Tool rmmod entfernt das Modul aus dem Kernel: l $ rmmod ↵ # Entlädt 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 21 WIEDERHOLUNG: STRACE l Das Tool strace zeigt alle Systemcalls (mit Parameter und Rückgabe) für jeden systemnahen Programmaufruf auf der Konsole an: l $ strace ↵ # Nachverfolgung von 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 22 LINUX KERNEL MODUL LADEN (II) l Das laden eines Modules in den Kernel können wir uns mittels strace “anschauen“: l $ cd /lib/modules/3.11.5/kernel/drivers/block # wechseln in Verzeichnis mit Modulen l $ sudo strace insmod floppy.ko ↵ # Laden des Moduls floppy.ko 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 23 LINUX MODULE PROGRAMM: PCIUTILS l Das Paket pciutils beinhaltet Tools zum Auflisten und Verwalten von Geräten am PCI-Bus. PCI-Geräte haben eine eindeutige Nummer: l $ lspci↵ 00:00.0 Host bridge: Red Hat, Inc. QEMU PCIe Host bridge 00:01.0 Ethernet controller: Red Hat, Inc. Virtio network device 00:02.0 Display controller: Red Hat, Inc. Virtio GPU (rev 01) l In pciutils gibt es das Programm pcimodules: l $ pcimodules↵ # Liste v. Modulen für inst. PCI-Geräte l D.h. man kann die kleinste Anzahl an Modulen ermitteln, die man für (PCI-) Geräteunterstützung benötigt! 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 25  AI MACHEN SIE AM RECHNER MIT HANDS-ON TIME LINUX MODULE PROGRAMME Quelle: [Image by Freepik] 26 LINUX KERNEL MODUL LADEN (I) l Starten Sie die Ubuntu VM l Loggen Sie sich als User „test“ ein (pw: „test“) l Starten Sie ein Terminal (CTRL + T) 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 27 EIGENES LINUX KERNEL MODUL BAUEN (I) l Der Linux Kernel ist in der Programmiersprache C entwickelt; also auch die Module. l Es gibt keine (User-Space) Bibliotheken, z.B.: libc, auf die wir zurückgreifen können … l Alle Funktionen kommen vom Kernel und dessen Modulen und müssen mittels und in das Programm „inkludiert“ werden. 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 28 EIGENES LINUX KERNEL MODUL BAUEN (II) l Ein einfaches Linux Kernel Modul sieht wie folgt aus: // C-Preprocessor directives #include #include MODULE_LICENSE(”GPL"); __init int my_init_module(void) { printk(KERN_DEBUG ”Hello\n"); return 0; } __exit void my_cleanup_module(void) { } module_init(my_init_module); module_exit(my_cleanup_module); 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 29 EIGENES LINUX KERNEL MODUL ÜBERSETZEN (III) l Das Modul von Hand zu übersetzen ist schwierig, da Abhängigkeitsbaum zu Kernel, Header- Dateien, Versions-Info, gcc, etc. fehlen: l Linux macht es uns mit einem Makefile einfach: # Makefile für eigenes Kernel Module obj-m = linux_module.o # Name der Objekt-Datei dieses Moduls # Kernelversion für die übersetzt warden soll; hier durch ‘uname’ gegeben KVERSION = $(shell uname -r) # das Makefile-Target ‘modules’ kenn wir schon und bauen damit alle Module # im derzeitigen Directory modules all: make -C /lib/modules/$(KVERSION)/build M=$(PWD) modules clean: make -C /lib/modules/$(KVERSION)/build M=$(PWD) clean 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 30 EIGENES LINUX KERNEL MODUL ÜBERSETZEN (IV) l Anschließend wird make genutzt um das Modul zu bauen: l $ make modules↵ # Alle Kommandos v. Target modules im Makefile; verbose V=1' make -C /lib/modules/3.5.0-18/build M=/mnt/../linux_module modules make: Entering dir /usr/src/linux-headers-3.5.0-18-generic CC [M] /mnt/../linux_module/linux_module.o Building modules, stage 2. MODPOST 1 modules CC /mnt/../linux_module/linux_module.mod.o LD [M] /mnt/../linux_module/linux_module.ko l Anschließend kann das Modul geladen werden: l $ insmod./linux_module.ko l Und es anzeigen lassen mittels lsmod: Huch, warum >12kB? 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 31 BESONDERHEITEN BEI MODULEN: PRINTK()-FUNKTION l Die printk()-Funktion schreibt Text, welche das Device /dev/kmesg sammelt, bzw. vom Programm dmesg ausgegeben werden. l Der printk()-Funktion kann man einen Log-Level mitgeben: l KERN_DEBUG "7" wird typischerweise ausgefiltert l KERN_INFO "6" Einfache Information l KERN_NOTICE "5" Nachricht an Benutzer l KERN_WARNING "4" Warnung l KERN_ERR "3" Fehler, sollte nicht ignoriert werden l KERN_CRIT "2" Kritischer Zustand! l KERN_ALERT "1" Problem, Benachrichtigung d. Users! l KERN_EMERG "" Notfall, System wohl tot... l Diese Log-Level Strings werden dem Text vorangestellt (kein Komma) l printk(KERN_DEBUG "Just read Byte:%d\n", byte); l Das Programm sysctl mit kernel.printk kann das filtern! 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 32 BESONDERHEITEN BEI MODULEN: MAKROS l Folgende Makros werden in Linux Modulen definiert: l MODULE_LICENSE: Gibt die Source-Code Lizenz für dieses Module an. Sollte kein Open Source unter GPL- Code gesetzt sein, wird der Kernel nach dem Laden auf “Tainted” gesetzt. Ein Kernel-Oops (Linux-Äquivalent zu einem Blue-Screen of Death) würde dieses TAINT beinhalten... l MODULE_AUTHOR: Der / Die Autoren des Modules l MODULE_DESCRIPTION: Die Kurzbeschreibung des Modules l MODULE_VERSION: Die Versionsnummer als String 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 33 BESONDERHEITEN BEI MODULEN: PARAMETER l Beim Laden eines Modules können Parameter übergeben werden. Hierfür müssen Variablen vorab definiert werden: static char *name = "world"; // Statische Variable // Module Parameter bekannt machen: // name ist ein „Char pointer“, also ein String // S_IRUGO String darf nur gelesen, nicht geändert werden module_param(name, charp, S_IRUGO); // Eine Beschreibung zu dieser Variable MODULE_PARM_DESC(name, "The name to display"); l Beim Laden des Modules: insmod module name=Yeah l Andere erlaubte Datentypen für Modulparameter sind: byte, short, ushort, int, uint, long, ulong = unsigned long; charp (character pointer) = String; bool = Boolean, also 0/1, y/n oder Y/N; invbool = inverted Boolean, also (0=true) oder (Y=false) 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 34 WEITERE QUELLEN UND LITERATUR l Jürgen Quade, Eva-Katharina Kunst: Linux-Treiber entwickeln: Eine systematische Einführung in die Gerätetreiber- und Kernelprogrammierung, Okt. 2015, dpunkt.Verlag l Frau Kunst‘s Kolumne „Kern-Technik“ im Linux-Magazin: bspw. in Ausgabe 12/2016 die Folge 89 über „Raspberry PI 3 64-Bit Programmierung“ 01.10.2024 Profs. Grewe & Keller | Betriebssysteme | Linux Kernel 35