透過 User-Mode-Linux 來學習核心設計 (1)

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January 11, 2007

透過 User-Mode-Linux 來學習核心設計 (1)

因為收到不少網友來信指教，小弟決定整理過去的心得與筆記，分享如何透過 [ User-Mode Linux] (以下簡寫 UML，注意該術語與軟體工程的 Unified Modeling Language 無任何關係) 來學習核心設計、體驗修改並驗證的新途徑。

UML 顧名思義是將 Linux Kernel 移植到 user-space，如此一來，就可將這個修改的 "Kernel" 當作一般的 Linux process 來執行，這有什麼好處呢？簡單來說，至少有以下應用：

對與硬體架構無關的一般性 Linux Kernel 程式作偵錯與快速測試
檢驗 file system 的完整性與正確性，特別是 init script 相關的部份
在單機建構虛擬網路環境，以多個網路單元進行模擬操作
追蹤 Linux Kernel 大體流程，允許快速測試新的演算法或改進途徑
完整的 Linux 教學環境

在 UML 官方網頁 [ What are people using it for?] 與 [ Case Studies] 有更詳細的描述。類似的技術有 Win32 平台的 [ coLinux] (Cooperative Linux) 與 FreeBSD jail (指 sandbox 的行為) 等。如果不能從以上描述體會 UML 的重要性，不妨想想這個案例：做 Embedded Linux 最痛苦的不是在設計階段，而是測試與調整的步驟，以前我們很直覺會利用硬體環境直接測試，不是放到 Floppy，就是弄到 Flash 之類的實體環境，光是 download 就耗費相當多時間了，更別說發現 Bug，然後 rebuild 再重來，曠日費時。所以呢，比較妥當的方式是利用模擬的環境，像是 chroot 指令的使用，不過，那也要 target 環境跟 building 系統接近才行，那，不同的 kernel 組態怎麼辦呢？或是，很容易毀損實體 filesystem 的測試呢？透過 UML，我們可以建構出一個極佳的測試環境。

知名的 [ LEAF] (Linux Embedded Appliance Firewall) 計劃的文件中，有份 [ Developing and using LEAF in a virtual environment] 開發文獻很值得一看，不僅克服不必要的微調動作，還能兼具設計與測試雙軌運作的趨勢，透過建構 UML 作為基礎的開發環境，並讓 [ LEAF] 能在其上開發。

[ UserModeLinux for KNOPPIX] 很有創意也相當實用的途徑，透過 UML 來測試不同的 [ Knoppix Linux LiveCD 配置組態，可以避免無謂的燒錄測試，而且可以透過 UML 搭配特定 debugger 與 benchmark profiling 來進行微調。

無獨有偶，[ GPE] (GPE Palmtop Environment) 官方網站文件中也提及這類 cross-development 的方式，請見 [ GPE: UML GTK 2 cross compiling environment]，如此一來，ARM target 的 layout 就可以在設計的初期界定了，相當方便的途徑，當然，隨著 [ qemu] 具備 ARM system emulation 後，使用 UML 的途徑就稍微彆扭些，但核心的想法是雷同的。

也因此，Linux Kernel 2.6 source tree 正式收錄 UML，我們也不再需要跟一堆 patch 搏鬥，不過 UML 經歷過許多重大修改，這使得不同時期的 HOW-TO 文件幾乎都有重大出入 (早於 2004 年的文件就不需要太拘泥細節了，畢竟設定方式更動過大)，對一般使用者來說，徒增困擾而難以入門，這也是為何小弟試圖撰寫這系列筆記的原因，需要留意的是，因為 Linux Kernel 總是捨棄相容性包袱，所以難確保有一致的文件，也因此，本系列文件基本上以新版修正舊版缺失的方式撰寫，對系統造成的損失或不便處，請多見諒，但歡迎 [ 來信指教]。以下是本系列文件著墨之處 (不依據時間順序)：

親手打造 UML 開發環境
建構 UML 所需之 root file system 並微調
以 GDB 追蹤 UML
修改 UML 並快速驗證，體驗 Kernel Hacking 的快感
以 UML 建構虛擬網路環境，進而實驗小型 PC Cluster

UML 是種虛擬機器機制，可建立在既有 Linux 作業系統上多個 Linux 系統的「假象」，而虛擬機器所使用的 rootfs (root filesystem) 則建立於宿主系統上的單一檔案系統。一般而言，程序執行於 Linux 的架構如下圖：

而 UML 則是在宿主系統上另執行一核心，如下圖：

由此可見，UML 提供的虛擬機器，允許模擬出比實體裝置更豐富的配置方式，而且 UML 所使用的檔案系統對宿主 Linux 來說也不過只是單純的檔案，一切都好比置身於保護的 sandbox (原文的意思就是「貓沙盒」，給調皮的貓咪一個自得其樂卻不傷害家具的器具，引申為保護的自我封裝機制)，經由適當配置，我們大可放心對虛擬機器作任何更動，而不必擔憂損害到真實的硬體與系統。

相當重要的觀念是：UML 本身就是全功能的 kernel，具備專屬的虛擬環境，對硬體的支援僅仰賴於宿主 Linux 系統，從 UML 內部的觀點來看，基本上支援基本的硬體裝置，如：

block device
- UML 的 block device 其實是透過檔案以映射到宿主環境中的檔案系統，仍秉持 UNIX 一貫的 "Everything is file" 的概念，UML 可如掛載實體硬碟裝置一般，將檔案系統掛入，當然也可建立 swap，更可如 Raw disk 一般被處理，透過 dd 一般的工具進行讀寫。UML 的 block device 可分層處理，並透過 CoW (Copy-on-Write) 的方式，作有效率且安全的操作，同時這允許我們執行多個 UML 實體，卻可避免頻繁的系統崩潰造成檔案系統的損毀。
console & serial
- 幾乎沒改變，與 Linux kernel 共享絕大部份的程式碼，差異在於由 kernel 提供不同的介面。就 UML 目前的設計來說，提供 file descriptor、ptys、ttys、pts 和 xterm。預設的 console file descriptor 為 0 (stdin) 與 1 (stdout)，其他則是 xterm 彩色終端機來啟動。
network device
- UML 內建類似 Hub 的軟體實做，以轉發封包，可從一個虛擬機器遞送到另一個，或設定為多點傳輸，UML 可在主機使用 ethertap 或 slip 介面。
SCSI
- UML 可模擬小型 SCSI 裝置。
USB / Sound / PCI / Wifi
- 皆有實驗性的模擬途徑被提出，目前進度算是堪用，但並未完整整合到 UML 官方開發，需要再行確認。

Debian GNU/Linux 很早就收錄 UML 與其相關的工具，不過為了能深入體驗 UML，我們試著 build from scratch，這裡採用的 Linux Kernel 版本為 2.6.19.1 (Date: 2006-12-11)，可在 [ Kernel.org] 下載，建議用 "linux-2.6.19.1.tar.bz2" 來搜尋 mirror，畢竟現在的 kernel 已經增長到 41 Mb 的龐大空間。儘管 UML 已經整合到 2.6 source tree，但每個發佈版本總不免會有小疏失，所以請一併取得小弟的修正 [ uml-2_6_19_1-compilation.patch]，以及預先做好的組態設定值 [ uml-dot-config] (使用 ext2 檔案系統)。大致的建構方式如下：

$ tar jxvf linux-2.6.19.1.tar.bz2
$ cd linux-2.6.19.1
$ patch -p1 < ../uml-2_6_19_1-compilation.patch
$ cp ../uml-dot-config .config
$ make menuconfig ARCH=um
$ make linux ARCH=um

注意到包含 "make" 的那兩行都有 "ARCH=um" 的 build variable，這是建構 UML 一定要加上的，無論是 kernel source 或 external kernel module，都需在 make 時加上，至於原因，看官花點時間看 Linux Kernel 的 Makefile 就可見其端倪。不過，就算不小心忘了加上，請立即執行以下操作：

$ make mrproper

經過冗長的編譯過程後，會發現有個新檔案被建立，即 "linux"，但別急著執行，因為我們需要合用的 rootfs，原本這是苦差事，但 Debian/Ubuntu 有個強大的工具 [ debootstrap] 可輕易生成具備 Debian/Ubuntu base 的 rootfs，以下是套件簡介：

debootstrap is used to create a Debian base system from scratch, without requiring the availability of dpkg or apt. It does this by downloading .deb files from a mirror site, and carefully unpacking them into a directory which can eventually be chrooted into.

為了避免浪費時間在細節上，我準備了一個 script [ create-uml-rootfs] 與部份設定檔範例 [ etc_sample.tar.bz2]，以下是 script 內容：

#!/bin/sh

BASE_DIR=`pwd`

# --- Modified as you need ---
TARGET_DIR=$BASE_DIR/ext2fs
ETC_SAMPLE=etc_sample.tar.bz2
ROOTFS_FILE=ubuntu-root

# Create rootfs (400Mb)
echo "Creating root file system..."
rm -f $ROOTFS_FILE
dd if=/dev/zero of=$ROOTFS_FILE bs=1024K count=400
if [ ! -f $ROOTFS_FILE ]; then
    echo "Error: creation of image file fails."
    exit
fi
yes y | mkfs.ext2 $ROOTFS_FILE
mkdir -p $TARGET_DIR
mount -o loop $ROOTFS_FILE $TARGET_DIR

# Make use of Debian's debootstrap tool to construct Ubuntu Dapper (6.10) base
echo "Invoking debootstrap..."
debootstrap --arch i386 dapper \
    $TARGET_DIR \
    http://archive.ubuntulinux.org/ubuntu

# Extract sample configure files
if [ -f $ETC_SAMPLE ]; then
    cd $TARGET_DIR
    tar jcvf $ETC_SAMPLE
    cd $BASE_DIR
fi

# mknod for ubd0 (specific to UML)
if [ -d $TARGET_DIR/dev ]; then
    cd $TARGET_DIR/dev
    mknod --mode=660 ubd0 b 98 0
    chown root:disk ubd0
    cd $BASE_DIR
else
    echo "Error: debootstrap fails."
    exit
fi

# Finish
sync
umount ext2fs
echo "Done"
echo "Please assign the rootfs: " $ROOTFS_FILE

沒有意外的話，以 root 權限執行以上 script 後，[ debootstrap] 會幫我們建構具備 Ubuntu Dapper (6.10) base 的 rootfs，其容量為 400 Mb。注意 [ debootstrap] 下載 Debian package 是透過 wget，如果在防火牆的環境中，請將相關設定準備好。輸出的 "ubuntu-root" 檔案即是 UML 所需的 rootfs，是的，就是一個檔案，損毀的話就再重跑以上流程，無論 UML 內部發生什麼事情，宿主 Linux 仍沒有大影響。

由於後續操作都會大量使用終端機，請確認安裝合用的終端機，如 [ rxvt-unicode] 就是一個不錯的選擇。我們將剛剛產生的 "ubuntu-root" 檔案放在 linux-2.6.19.1 目錄下，於是可進行啟動程序：

./linux ubd0=`pwd`/ubuntu-root

ubd 也就是 UML Block Device 之意，對 UML 相當重要，將透過該 device 存取到 rootfs，我們應該會見到類似以下輸出：

Checking that ptrace can change system call numbers...OK
Checking syscall emulation patch for ptrace...OK
Checking advanced syscall emulation patch for ptrace...OK
Checking for tmpfs mount on /dev/shm...OK
Checking PROT_EXEC mmap in /dev/shm/...OK
Checking for the skas3 patch in the host:
  - /proc/mm...not found
  - PTRACE_FAULTINFO...not found
  - PTRACE_LDT...not found
UML running in SKAS0 mode
Checking that ptrace can change system call numbers...OK
Checking syscall emulation patch for ptrace...OK
Checking advanced syscall emulation patch for ptrace...OK
[42949372.960000] Linux version 2.6.19.1 (jserv@venux) (gcc version 4.1.2 20070106 (prerelease) (Ubuntu 4.1.1-21ubuntu7)) #4 Wed Jan 10 20:53:03 CST 2007
[42949372.960000] Built 1 zonelists.  Total pages: 8128
[42949372.960000] Kernel command line: ubd0=/opt/src/ubuntu-root root=98:0
[42949372.960000] PID hash table entries: 128 (order: 7, 512 bytes)
[42949372.960000] Dentry cache hash table entries: 4096 (order: 2, 16384 bytes)
[42949372.960000] Inode-cache hash table entries: 2048 (order: 1, 8192 bytes)
[42949372.960000] Memory: 30100k available
[42949373.230000] Mount-cache hash table entries: 512
... 省略 ...

預設 root 是不需要密碼，我們試著登入並結束系統：

Ubuntu 6.06 LTS uml tty0

uml login: root
[42949456.230000] line_ioctl: tty0: unknown ioctl: 0x5603
Last login: Wed Jan 10 16:47:59 2007 on tty0
Linux uml 2.6.19.1 #4 Wed Jan 10 20:53:03 CST 2007 i686 GNU/Linux
root@uml:~# halt

Broadcast message from root@uml (tty0) (Wed Jan 10 16:48:40 2007):

The system is going down for system halt NOW!
 * INIT: Switching to runlevel: 0
 * INIT: Sending processes the TERM signal
hwclock is unable to get I/O port access:  the iopl(3) call failed.
 * Stopping kernel log... [ ok ] 
 * Stopping system log... [ ok ] 
 * Terminating any remaining processes... [ ok ] 
 * Unmounting remote filesystems... [ ok ] 
 * Deconfiguring network interfaces... [ ok ] 
 * Unmounting local filesystems... [ ok ] 
 * Deactivating swap... [ ok ] 
 * Will now halt
[42949503.180000] System halted.

粗體字是我們鍵入的部份，當有 ioctl 抱怨錯誤訊息，請忽略，因為 UML 並未完全實做該功能，這不影響我們的進行。這短暫的過程我們見到 UML 虛擬機器的啟動與終結，佛語常說，一切萬物，自有緣起緣滅之時，且讓我們來探究 UML 的因果與深入設計，進而體驗 Linux Kernel 的美妙。
(待續)
由 jserv 發表於 January 11, 2007 12:59 AM