掌握 Golden?Ring-0

Linux為應(yīng)用程序提供了強大而廣泛的API，但有時這還不夠。?與一塊硬件交互或執(zhí)行需要訪問系統(tǒng)中特權(quán)信息的操作需要內(nèi)核模塊。

Linux內(nèi)核模塊是一段編譯的二進制代碼，直接插入到Linux內(nèi)核中，運行在x86-64處理器中最低且受保護程度最低的環(huán)0。?此處的代碼完全未經(jīng)檢查，但以令人難以置信的速度運行，并且可以訪問系統(tǒng)中的所有內(nèi)容。

不僅僅是凡人

編寫Linux內(nèi)核模塊并不適合膽小的人。?通過更改內(nèi)核，您可能會面臨數(shù)據(jù)丟失和系統(tǒng)損壞的風(fēng)險。?內(nèi)核代碼沒有常規(guī)Linux應(yīng)用程序所享有的常用安全網(wǎng)。?如果您有故障，它將鎖定整個系統(tǒng)。

更糟糕的是，您的問題可能不會立即顯現(xiàn)出來。?您的模塊在加載后立即鎖定可能是失敗的最佳情況。?在向模塊添加更多代碼時，存在引入失控循環(huán)和內(nèi)存泄漏的風(fēng)險。?如果你不小心，這些可以繼續(xù)增長，因為你的機器繼續(xù)運行。?最終可以覆蓋重要的內(nèi)存結(jié)構(gòu)甚至緩沖區(qū)。

傳統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)范例可以在很大程度上被丟棄。?除了加載和卸載模塊之外，您將編寫響應(yīng)系統(tǒng)事件的代碼，而不是按順序模式運行。?使用內(nèi)核開發(fā)，您將編寫API，而不是自己編寫應(yīng)用程序。

您也無法訪問標準庫。?雖然內(nèi)核提供了一些函數(shù)，比如printk（用作printf的替代品）和kmalloc（以與malloc類似的方式操作），但你很大程度上只能使用自己的設(shè)備。?此外，當(dāng)您的模塊卸載時，您有責(zé)任自行完成清理。?沒有垃圾收集。

先決條件

在我們開始之前，我們需要確保我們擁有適合該工作的正確工具。?最重要的是，你需要一臺Linux機器。?我知道這完全是一個驚喜！?雖然任何Linux發(fā)行版都可以，但在本例中我使用的是Ubuntu 16.04 LTS，因此如果您使用的是其他發(fā)行版，則可能需要稍微調(diào)整一下安裝命令。

其次，您需要單獨的物理機器或虛擬機。?我更喜歡在虛擬機中完成我的工作，但這完全取決于您。?我不建議使用您的主要機器，因為當(dāng)您犯錯時可能會丟失數(shù)據(jù)。?我說什么時候，而不是，因為你無疑會在這個過程中至少鎖定你的機器幾次。?當(dāng)內(nèi)核發(fā)生混亂時，您的最新代碼更改可能仍在寫緩沖區(qū)中，因此您的源文件可能會損壞。?在虛擬機中進行測試可以消除這種風(fēng)險。

最后，你需要知道至少一些C. C ++運行時對內(nèi)核來說太大了，所以寫裸機C是必不可少的。?對于與硬件的交互，了解某些程序集可能會有所幫助。

安裝開發(fā)環(huán)境

在Ubuntu上，我們需要運行：

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

這將安裝本示例所需的基本開發(fā)工具和內(nèi)核頭文件。

下面的示例假設(shè)您以普通用戶身份運行而不是root用戶，但您擁有sudo權(quán)限。?Sudo是加載內(nèi)核模塊的必需項，但我們希望盡可能在root之外工作。

入門

我們開始編寫一些代碼。?讓我們?yōu)槲覀兊沫h(huán)境做好準備：

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

啟動您最喜歡的編輯器（在我的例子中，這是vim）并使用以下內(nèi)容創(chuàng)建文件lkm_example.c：

#include <linux / init.h> #include <linux / module.h> #include <linux / kernel.h> MODULE_LICENSE（“GPL”）; MODULE_AUTHOR（“Robert W. Oliver II”）; MODULE_DESCRIPTION（“一個簡單的示例Linux模塊。”）; MODULE_VERSION（“0.01”）; static int __init lkm_example_init（void）{ printk（KERN_INFO“Hello，World！\ n”）; 返回0; } static void __exit lkm_example_exit（void）{ printk（KERN_INFO“Goodbye，World！\ n”）; } 宏module_init（lkm_example_init）; 宏module_exit（lkm_example_exit）;

現(xiàn)在我們已經(jīng)構(gòu)建了最簡單的模塊，讓我們舉例說明重要的部分：

·“includes”包含Linux內(nèi)核開發(fā)所需的頭文件。

·MODULE_LICENSE可根據(jù)模塊的許可證設(shè)置為各種值。?要查看完整列表，請運行：?
grep“MODULE_LICENSE”-B 27 / usr / src / linux-headers -`uname -r` / include / linux / module.h

·我們將init（加載）和退出（卸載）函數(shù)定義為static并返回int。

·注意使用printk而不是printf。?此外，printk不與printf共享相同的參數(shù)。?例如，KERN_INFO是一個標志，用于聲明應(yīng)為此行設(shè)置的日志記錄優(yōu)先級，它是在沒有逗號的情況下定義的。?內(nèi)核在printk函數(shù)中對此進行排序以節(jié)省堆棧內(nèi)存。

·在文件的最后，我們調(diào)用module_init和module_exit來告訴內(nèi)核哪些函數(shù)是加載和卸載函數(shù)。?這使我們可以自由地命名任何我們喜歡的函數(shù)。

但是我們還不能編譯這個文件。?我們需要一個Makefile。?這個基本的例子現(xiàn)在可以使用了。?請注意，make對于空格和制表符非常挑剔，因此請確保在適當(dāng)?shù)奈恢檬褂弥票矸皇强崭瘛?/p> obj-m + = lkm_example.o 所有： make -C / lib / modules / $（shell uname -r）/ build M = $（PWD）模塊 清潔： make -C / lib / modules / $（shell uname -r）/ build M = $（PWD）clean

如果我們運行“make”，它應(yīng)該成功編譯你的模塊。?生成的文件是“l(fā)km_example.ko”。?如果收到任何錯誤，請檢查示例源文件中的引號是否正確，并且不會意外粘貼為UTF-8字符。

現(xiàn)在我們可以插入模塊來測試它。?為此，請運行：

sudo insmod lkm_example.ko

如果一切順利，你將看不到任何東西。?printk函數(shù)不輸出到控制臺，而是輸出內(nèi)核日志。?要看到這一點，我們需要運行：

sudo dmesg

您應(yīng)該看到以“時間戳”為前綴的“Hello，World！”行。?這意味著我們的內(nèi)核模塊已加載并成功打印到內(nèi)核日志中。?我們還可以檢查模塊是否仍然加載：

lsmod | grep“l(fā)km_example”

要刪除模塊，請運行：

sudo rmmod lkm_example

如果你再次運行dmesg，你會在日志中看到“再見，世界！”。?您還可以再次使用lsmod確認它已卸載。

如您所見，此測試工作流程有點單調(diào)乏味，因此要自動執(zhí)行此操作，我們可以添加：

測試： sudo dmesg -C sudo insmod lkm_example.ko sudo rmmod lkm_example.ko dmesg的

在我們的Makefile的末尾，現(xiàn)在運行：

做測試

測試我們的模塊并查看內(nèi)核日志的輸出，而不必運行單獨的命令。

現(xiàn)在我們有一個功能齊全但卻完全無關(guān)緊要的內(nèi)核模塊！

更有趣的一點

讓我們深入一點吧。?雖然內(nèi)核模塊可以完成各種任務(wù)，但與應(yīng)用程序交互是其最常見的用途之一。

由于限制應(yīng)用程序查看內(nèi)核空間內(nèi)存的內(nèi)容，因此應(yīng)用程序必須使用API??與它們進行通信。?雖然技術(shù)上有多種方法可以實現(xiàn)這一點，但最常見的是創(chuàng)建設(shè)備文件。

您之前可能已與設(shè)備文件進行過互動。?使用/ dev / zero，/ dev / null或類似命令的命令與名為“zero”和“null”的設(shè)備交互，返回預(yù)期值。

在我們的例子中，我們將返回“Hello，World”。?雖然這不是提供應(yīng)用程序特別有用的功能，但它仍將顯示通過設(shè)備文件響應(yīng)應(yīng)用程序的過程。

這是我們的完整列表：

#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（“一個簡單的示例Linux模塊。”）; MODULE_VERSION（“0.01”）; #define DEVICE_NAME“l(fā)km_example” #define EXAMPLE_MSG“Hello，World！\ n” #define MSG_BUFFER_LEN 15 / *設(shè)備功能的原型* / 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; / *此結(jié)構(gòu)指向所有設(shè)備功能* / static struct file_operations file_ops = { .read = device_read， .write = device_write， .open = device_open， .release = device_release }; / *當(dāng)一個進程從我們的設(shè)備讀取時，會調(diào)用它。 * / static ssize_t device_read（struct file * flip，char * buffer，size_t len，loff_t * offset）{ int bytes_read = 0; / *如果我們在最后，循環(huán)回到開頭* / if（* msg_ptr == 0）{ msg_ptr = msg_buffer; } / *將數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)* / while（len && * msg_ptr）{ / * Buffer在用戶數(shù)據(jù)中，而不是內(nèi)核，所以你不能只引用 *帶指針。 函數(shù)put_user為我們處理這個* / put_user（*（msg_ptr ++），buffer ++）; len--; bytes_read緩存++; } return bytes_read; } / *當(dāng)進程嘗試寫入我們的設(shè)備時調(diào)用* / static ssize_t device_write（struct file * flip，const char * buffer，size_t len，loff_t * offset）{ / *這是一個只讀設(shè)備* / printk（KERN_ALERT“不支持此操作。\ n”）; return -EINVAL; } / *進程打開我們的設(shè)備時調(diào)用* / static int device_open（struct inode * inode，struct file * file）{ / *如果設(shè)備已打開，請返回忙碌* / if（device_open_count）{ 返回-EBUSY; } device_open_count ++; try_module_get（THIS_MODULE）; 返回0; } / *當(dāng)進程關(guān)閉我們的設(shè)備時調(diào)用* / static int device_release（struct inode * inode，struct file * file）{ / *減少打開的計數(shù)器和使用計數(shù)。 沒有這個，模塊就不會卸載。 * / device_open_count--; module_put（THIS_MODULE）; 返回0; } static int __init lkm_example_init（void）{ / *使用我們的消息填充緩沖區(qū)* / strncpy（msg_buffer，EXAMPLE_MSG，MSG_BUFFER_LEN）; / *將msg_ptr設(shè)置為緩沖區(qū)* / msg_ptr = msg_buffer; / *嘗試注冊字符設(shè)備* / major_num = register_chrdev（0，“l(fā)km_example”，＆file_ops）; if（major_num <0）{ printk（KERN_ALERT“無法注冊設(shè)備：％d \ n”，major_num）; return major_num; } else { printk（KERN_INFO“l(fā)km_example模塊加載設(shè)備主編號％d \ n”，major_num）; 返回0; } } static void __exit lkm_example_exit（void）{ / *記住 - 我們必須自己清理。 取消注冊角色設(shè)備。 * / unregister_chrdev（major_num，DEVICE_NAME）; printk（KERN_INFO“Goodbye，World！\ n”）; } / *注冊模塊功能* / 宏module_init（lkm_example_init）; 宏module_exit（lkm_example_exit）;

測試我們的增強示例

既然我們的示例不僅僅是在加載和卸載時打印消息，我們還需要一個限制較少的測試例程。?讓我們修改我們的Makefile只加載模塊而不卸載它。

obj-m + = lkm_example.o 所有： make -C / lib / modules / $（shell uname -r）/ build M = $（PWD）模塊 清潔： make -C / lib / modules / $（shell uname -r）/ build M = $（PWD）clean 測試： ＃我們在rmmod命令前放一個 - 告訴make忽略 ＃模塊未加載時出錯。 -sudo rmmod lkm_example ＃清除沒有echo的內(nèi)核日志 sudo dmesg -C ＃插入模塊 sudo insmod lkm_example.ko ＃顯示內(nèi)核日志 dmesg的

現(xiàn)在，當(dāng)您運行“make test”時，您將看到設(shè)備主要編號的輸出。?在我們的示例中，這是由內(nèi)核自動分配的。?但是，您需要此值來創(chuàng)建設(shè)備。

獲取從“make test”獲得的值并使用它來創(chuàng)建設(shè)備文件，以便我們可以從用戶空間與內(nèi)核模塊進行通信。

sudo mknod / dev / lkm_example c MAJOR 0

（在上面的示例中，將MAJOR替換為您從“make test”或“dmesg”獲得的值）

mknod命令中的“c”告訴mknod我們需要創(chuàng)建一個字符設(shè)備文件。

現(xiàn)在我們可以從設(shè)備中獲取內(nèi)容：

cat / dev / lkm_example

甚至通過“dd”命令：

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

您也可以通過應(yīng)用程序訪問此設(shè)備。?它們不必是編譯的應(yīng)用程序 - 甚至Python，Ruby和PHP腳本也可以訪問這些數(shù)據(jù)。

完成設(shè)備后，刪除它并卸載模塊：

sudo rm / dev / lkm_example sudo rmmod lkm_example

結(jié)論

我希望你喜歡我們通過核心土地的嬉戲。?雖然我提供的示例是基本的，但您可以使用此結(jié)構(gòu)構(gòu)建自己的模塊來執(zhí)行非常復(fù)雜的任務(wù)。

請記住，你完全依靠自己的核心土地。?您的代碼沒有后備或第二次機會。如果您為客戶引用項目，請確保將預(yù)期的調(diào)試時間加倍（如果不是三倍）。內(nèi)核代碼必須盡可能完美，以確保運行它的系統(tǒng)的完整性和可靠性。

https://blog.sourcerer.io/writing-a-simple-linux-kernel-module-d9dc3762c234

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【译】Writing a Simple Linux Kernel Module的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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