Linux Kernel Module: Module Tạo Một Số Ngẫu Nhiên

Lý do thực hiện

• Đồ án thực hành môn Hệ điều hành.
• Tìm hiểu về Linux kernel module và hệ thống quản lý file và device trong linux, giao tiếp giữa tiến trình ở user space và code kernel space.

Kết quả

• Module sinh một số ngẫu nhiên thành công.
• Tạo một character device cho phép tiến trình ở userspace có thể open và read các số ngẫu nhiên.

Hệ điều hành và Ngôn ngữ được dùng

• Module tạo trên hệ điều hành Ubuntu 18.04 LTS, phiên bản Linux headers 4.4.0-31-generic.
• File module và test module được viết bằng C với thư viện hỗ trợ linux.

Một số hàm/lệnh tiêu biểu

Cài đặt trong file module

• [module]_init() và [module]_exit() là hàm khởi chạy và thoát của module. [module] thay thế bằng tên của module.
• printk() giống với printf(). Nhưng có một khác biệt quan trọng là lập trình viên phải xác định log level khi gọi hàm này. Log level được định nghĩa trong linux/kern_levels.h như là: KERN_EMERG, KERN_ALERT, KERN_CRIT, KERN_ERR, KERN_WARNING, KERN_NOTICE, KERN_INFO, KERN_DEBUG, và KERN_DEFAULT. Hàm này nằm trong linux/printk.h, cũng được bao hàm bởi linux/kernel.h
• dev_open(): Được gọi mỗi khi device được mở từ user space.
• dev_read(): Được gọi mỗi khi dữ liệu được gửi ttừ device đến user space.
• dev_write(): Được gọi mỗi khi dữ liệu được gửi từ user space tới device.
• dev_release(): Được gọi khi device được đóng từ user space.
• get_random_byte(void *buf, int nbytes): Hàm trả về số ngẫu nhiên được sinh ra từ những byte ngẫu nhiên, lưu trong buffer.

Syntax trong Makefile

• obj-m: định nghĩa một loadable module. Ta có thể dùng obj-y cho những mục đích khác. Syntax ngày càng phức tạp khi xây dựng module từ nhiều đối tượng khác nhau.
• $(shell uname -r): trả về phiên bản kernel hiện thời.
• -C: chuyển đường dẫn về đường dẫn kernel trước khi thực hiện.
• M=$(PWD): cho lệnh “make” biết “địa chỉ” project file.
• modules: xác định mục đích cho external kernel modules. Ở đây, có nghĩa là xây dựng module.

Một số lệnh thực hiện linux kernel module và character device

• sudo insmod [Tên module].ko : Gắn module vào kernel space.
• lsmod: Kiểm tra những module có trong kernel space.
• modinfo [Tên module].ko: Thông tin về module.
• sudo rmmode [Tên module].ko: Tháo module ra khỏi kernel space.
• tail -f /var/log/kern.log: Xem thông tin ghi nhận lại khi chạy xong module.
• sudo ./test: Chạy mã mẫu device test.

Cách thực hiện

1. Cập nhật và cài đặt Linux header phù hợp

• Mở terminal
• Gõ "sudo apt-get update" để cập nhật ubuntu.
• Gõ "apt-cache search linux-headers-$(uname -r)" để xác định Linux header phù hợp
• Gõ "sudo apt-get install linux-headers-…" thay thế “…” theo phiên bản Linux header tìm được để cài đặt Linux header. Từ khóa "uname" cho phép xác định chính xác phiên bản Linux header cần cài.

2. Dùng lệnh "mkdir Module_First" để tạo một thư mục mới tên Module_First. Tên có thể tùy chọn.
3. Dùng lệnh "cd Module_First" để vào thư mục. Kết quả:

maivu@ubuntu:~$ cd Module_First
maivu@ubuntu:~/Module_First$

4. Chép 3 file: Module_Create_Random_Number.c, testModule_Create_Random_Number.c và Makefile vào thư mục trên.
5. Dùng lệnh "make" để thực thi file Makefile. Sau đó kiểm tra xem file Module_Create_Random_Number.ko đã sinh ra hay chưa bằng lệnh "ls -l *.ko".

Kết quả:

maivu@ubuntu:~/Module_First$ make
make -C /lib/modules/4.4.0-31-generic/build/ M=/home/maivu/Module_First modules
make[1]: Entering directory '/usr/src/linux-headers-4.4.0-31-generic'
  Building modules, stage 2.
  MODPOST 1 modules
make[1]: Leaving directory '/usr/src/linux-headers-4.4.0-31-generic'
cc testModule_Create_Random_Number.c -o test
maivu@ubuntu:~/Module_First$ ls -l *.ko
-rw-rw-r-- 1 maivu maivu 9224 Sep 25 01:30 Module_Create_Random_Number.ko

6. Dùng lệnh "sudo insmod Module_Create_Random_Number.ko" để thêm module vào kernel space.
7. Dùng lệnh "lsmod" để xem danh sách các module đang gắn trên kernel space. Kết quả:

maivu@ubuntu:~/Module_First$ lsmod
Module                         Size  Used by
Module_Create_Random_Number    16384  0
nls_utf8                       16384  1
isofs                          40960  2

8. Dùng lệnh "sudo ./test" để chạy file test "testModule_Create_Random_Number.c". Kết quả:

maivu@ubuntu:~/Module_First$ sudo ./test
Starting device test code example...
Press ENTER to read back from the device...

Reading from the device...
The received number is: 1673601317
End of the program

9. Dùng lệnh "sudo rmmod Module_Create_Random_Number.ko để tháo module ra khỏi kernel space.
10. Dùng lệnh "tail -f /var/log/kern.log" để xem thông báo của hệ thống. Kết quả:

Sep 25 01:40:12 ubuntu kernel: [ 2048.937540] MCRN: Device has been opened 1 time(s)
Sep 25 01:40:14 ubuntu kernel: [ 2051.149417] MCRN: Sent 1673601317 with 4 byte(s) to the user
Sep 25 01:40:14 ubuntu kernel: [ 2051.149486] MCRN: Device successfully closed
Sep 25 01:40:45 ubuntu kernel: [ 2081.606580] MCRN: Goodbye from the LKM!

Giải thích một số hàm và lệnh được cài đặt

File testModule_Create_Random_Number.c

fd = open("/dev/Module_Create_Random_Number", O_RDWR); 

• Mở device với thao tác được cho phép: đọc và ghi.
• Nếu thất bại sẽ trả về fb < 0.

ret = read(fd, &received_Number, sizeof(received_Number));

• Đọc số trong buffer và gán vào biến received_Number.
• Nếu không đọc được thì trả về ret < 0

error_count = copy_to_user(buffer, &randomNumber, size_of_message);

• Có cấu trúc: ( * to, *from, size). Chép số được lưu trong randomNumber với kích thước là size_of_message và lưu trong buffer.
• Nếu thành công thì trả về 0.

Giấy phép

Theo GPL.

Nguồn tham khảo

Các file đã viết bên trên được thực hiện dựa vào những ví dụ trong bài viết của Dr.Derek Molly.