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:

apt-get install build-essential linux-headers-`uname -r`

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:

mkdir ~/src/lkm_example
cd ~/src/lkm_example

Запустите любимый редактор (в моём случае это vim) и создайте файл lkm_example.c следующего содержания:

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
MODULE_LICENSE(“GPL”);
MODULE_AUTHOR(“Robert W. Oliver II”);
MODULE_DESCRIPTION(“A simple example Linux module.”);
MODULE_VERSION(“0.01”);
static int __init lkm_example_init(void) {
 printk(KERN_INFO “Hello, World!n”);
 return 0;
}
static void __exit lkm_example_exit(void) {
 printk(KERN_INFO “Goodbye, World!n”);
}
module_init(lkm_example_init);
module_exit(lkm_example_exit);

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:

   grep “MODULE_LICENSE” -B 27 /usr/src/linux-headers-`uname -r`/include/linux/module.h

• 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.

obj-m += lkm_example.o
all:
 make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules
clean:
 make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

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:

sudo insmod lkm_example.ko

Если всё нормально, то вы ничего не увидите. Функция printk обеспечивает выдачу не в консоль, а в журнал ядра. Для просмотра нужно запустить:

sudo dmesg

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:

lsmod | grep “lkm_example”

Для удаления модуля запускаем:

sudo rmmod lkm_example

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:

test:
 sudo dmesg -C
 sudo insmod lkm_example.ko
 sudo rmmod lkm_example.ko
 dmesg

в конце Makefile, а потом запустив:

make test

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:

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/uaccess.h>
MODULE_LICENSE(“GPL”);
MODULE_AUTHOR(“Robert W. Oliver II”);
MODULE_DESCRIPTION(“A simple example Linux module.”);
MODULE_VERSION(“0.01”);
#define DEVICE_NAME “lkm_example”
#define EXAMPLE_MSG “Hello, World!n”
#define MSG_BUFFER_LEN 15
/* Prototypes for device functions */
static int device_open(struct inode *, struct file *);
static int device_release(struct inode *, struct file *);
static ssize_t device_read(struct file *, char *, size_t, loff_t *);
static ssize_t device_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
static int major_num;
static int device_open_count = 0;
static char msg_buffer[MSG_BUFFER_LEN];
static char *msg_ptr;
/* This structure points to all of the device functions */
static struct file_operations file_ops = {
 .read = device_read,
 .write = device_write,
 .open = device_open,
 .release = device_release
};
/* When a process reads from our device, this gets called. */
static ssize_t device_read(struct file *flip, char *buffer, size_t len, loff_t *offset) {
 int bytes_read = 0;
 /* If we’re at the end, loop back to the beginning */
 if (*msg_ptr == 0) {
 msg_ptr = msg_buffer;
 }
 /* Put data in the buffer */
 while (len && *msg_ptr) {
 /* Buffer is in user data, not kernel, so you can’t just reference
 * with a pointer. The function put_user handles this for us */
 put_user(*(msg_ptr++), buffer++);
 len--;
 bytes_read++;
 }
 return bytes_read;
}
/* Called when a process tries to write to our device */
static ssize_t device_write(struct file *flip, const char *buffer, size_t len, loff_t *offset) {
 /* This is a read-only device */
 printk(KERN_ALERT “This operation is not supported.n”);
 return -EINVAL;
}
/* Called when a process opens our device */
static int device_open(struct inode *inode, struct file *file) {
 /* If device is open, return busy */
 if (device_open_count) {
 return -EBUSY;
 }
 device_open_count++;
 try_module_get(THIS_MODULE);
 return 0;
}
/* Called when a process closes our device */
static int device_release(struct inode *inode, struct file *file) {
 /* Decrement the open counter and usage count. Without this, the module would not unload. */
 device_open_count--;
 module_put(THIS_MODULE);
 return 0;
}
static int __init lkm_example_init(void) {
 /* Fill buffer with our message */
 strncpy(msg_buffer, EXAMPLE_MSG, MSG_BUFFER_LEN);
 /* Set the msg_ptr to the buffer */
 msg_ptr = msg_buffer;
 /* Try to register character device */
 major_num = register_chrdev(0, “lkm_example”, &file_ops);
 if (major_num < 0) {
 printk(KERN_ALERT “Could not register device: %dn”, major_num);
 return major_num;
 } else {
 printk(KERN_INFO “lkm_example module loaded with device major number %dn”, major_num);
 return 0;
 }
}
static void __exit lkm_example_exit(void) {
 /* Remember — we have to clean up after ourselves. Unregister the character device. */
 unregister_chrdev(major_num, DEVICE_NAME);
 printk(KERN_INFO “Goodbye, World!n”);
}
/* Register module functions */
module_init(lkm_example_init);
module_exit(lkm_example_exit);

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.

obj-m += lkm_example.o
all:
  make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules
clean:
  make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean
test:
  # We put a — in front of the rmmod command to tell make to ignore
  # an error in case the module isn’t loaded.
  -sudo rmmod lkm_example
  # Clear the kernel log without echo
  sudo dmesg -C
  # Insert the module
  sudo insmod lkm_example.ko
  # Display the kernel log
  dmesg

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.

sudo mknod /dev/lkm_example c MAJOR 0

(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:

cat /dev/lkm_example

или даже через команду dd:

dd if=/dev/lkm_example of=test bs=14 count=100

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:

sudo rm /dev/lkm_example
sudo rmmod lkm_example

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.

Автор: m1rko

Источник