Operating Systems  I   (Bachelor)

Lab 2:  Kernel Modul

 

Lernziele. 

Aufgabe.

Einleitung:

Kernaufgabe eines Betriebssystem ist es u.a. Nutzern eine Plattform zu bieten in denen sie Programme benutzen können und dabei die Ausführdetails und den dafür benötigten Verwaltungsaufwand vom Nutzer fern zu halten. Damit nun einzelne Nutzerprogramme nicht die Gesamtausführung des Systems beeinflussen, wird strikt zwischen dem eigentlichen Betriebssystem, (auch Systemkern oder Kernel) und ausgeführten Nutzerprozessen unterschieden. Diese Trennung entscheidet darüber, welche Rechte die zur Zeit ausgeführte Software hat und wird bis runter auf die Hardware vollzogen (siehe CPU Ringe).

Dies hat zur Folge, dass das Betriebssystem als Programm alle verfügbaren Rechte hat. Es darf z.B. von der Festplatte lesen bzw. auf diese schreiben oder Grafik auf dem Display ausgeben. Nutzerprogramme hingegen dürfen dies nicht. Wenn ein Nutzerprogramm solch eine höher privilegierte Aufgabe durchführen möchte, muss es das Betriebssystem bitten, diese stellvertretend zu übernehmen.

Solche eine Anfrage nennt man Systemaufruf bzw. System Call.

Damit wird sichergestellt, dass alle wichtigen Aktionen stets vom Betriebssystem kontrolliert und korrekt ausgeführt werden und somit das System im Kern immer in einem definierten Zustand und verfügbar bleibt.

In der folgenden Aufgabe sollen Sie verschiedene Varianten kennenlernen, solch einen System Call zu realisieren. Die wahrscheinlich offensichtlichste ist dabei, den Quelltext des Betriebssystems um Ihren eigenen Systemaufruf zu erweitern, dieses neu zu kompilieren und dann den neu erstellten Betriebssystemkernel zu booten. Dies erfordert allerdings mitunter Aufwand, welcher nicht proportional zur Größe des zu lösenden Problems ist. Eine weitere Variante die sie daher umsetzen sollen ist, nur ein einzelnes Kernelmodul zu erstellen, welches dann in das schon laufende Betriebssystem integriert werden und über das sog. Proc-Filesystem angesprochen werden kann. Beim Proc-FS handelt es sich um ein virtuelles
Dateisystem. Die über das Proc-FS angezeigte Dateien sind keine wirklichen Dateien. Sie dienen viel mehr als Kommunikationsschnittstelle und erlauben es mit den gängigen Fileoperationen wie read() und write() Daten zwischen Userspace und Kernelspace auszutauschen. Um Ihnen eine noch leichtgewichtigere aber dementsprechend auch im Umfang nicht ganz so mächtige Kommunikationsschnittstelle zu zeigen, sollen Sie im letzten Teil der Aufgabe das sog. Sys-Control, kurz "sysctl", Interface nutzen. Dies ist eigentlich dafür vorgesehen kleinere Konfigurationen am System zur Laufzeit vorzunehmen, kann aber auch als Kommunikationsschnittstelle verwendet werden.

Wenn Sie alle hier dargestellten Möglichkeiten implementiert haben, sollten Sie sie über ausreichende Auswahl an Systemaufrufrealisierungen verfügen, welche es Ihnen erlaubt, die passende für das jeweilige Problem auszuwählen.
 

Aufgabenstellung:

Installieren Sie Qemu und laden Sie sich das Qemu-Image für das Praktikum von der Webseite. Beachten Sie dabei die Hinweise auf unserer Webseite.

Implementieren Sie ein Modul sarlkm.ko, welches ein Pseudo-File /proc/sarlkm bereitstellt nachdem es geladen wurde. Das File soll Folgendes enthalten: 

<Prompt>, <Praktikumsgruppe>, <Anzahl Sekunden seit Systemstart>
Durch Schreiben in das Pseudo-File /proc/sarlkm soll sich der Prompt ändern lassen:
cat "foobar" > /proc/sarlkm
setzt den Prompt auf "foobar".

Implementieren Sie einen System-Call (sysctl: kernel.prompt), der den Prompt der vorangegangenen Teilaufgabe setzen kann und den Wert des alten Prompts zurückliefert. Erweitern Sie das Modul um einen Modulparameter "prompt_param" mit welchem der Prompt schon beim Laden des Moduls gesetzt werden kann.

Schreiben Sie ein Programm hostnamesysctl, das über die Kommandozeile einen Parameter entgegennimmt und den Hostnamen des Rechners mittels sysctl setzt. Wenn das Programm  hostnamesysctl ohne Parameter aufgerufen wird, so soll der Hostname mittels sysctl ermittelt und mit printf ausgegeben werden.

Nutzen Sie sowohl für das Kernelmodul als auch für das Programm hostnamesysctl die Vorlage lab-2.tar. Diese enthält die folgenden Dateien:

Das Makefile enthält folgende Ziele:

Zusatzaufgaben.

Die Bearbeitung eines System Calls durch den Kernel soll möglichst kurz gehalten werden. Bei komplexen Aufgaben (z.B. Netzwerkfilter) sollte die Aufgabe also möglichst an einen Userspaceprozess ausgelagert werden.

1. Implementieren Sie ein Userspace-Programm und einen entsprechenden System-Call, welcher die Bearbeitung des System-Calls an das Userspace-Programm weiterreicht.

2. Das Kopieren der Daten vom Userspace in den Kernelspace und zurück ist recht auswendig. Versuchen Sie die Kopiervorgänge zu reduzieren ("Zerocopy").

Abgabe der Lösung.

Quelltexte als .tar-Datei

Hinweise.

Verwenden Sie den PC-Emulator Qemu zum Ausprobieren Ihres modifizierten Betriebssystems. Hinweise zur Bearbeitung finden Sie in den Folien zur Übung.

Ressourcen.