构建调试Linux内核网络代码的环境MenuOS系统

Posted 2021-03-23 zhouzhouL

1.  构建MenuOS系统

　　a). 下载linux内核并编译 （在虚拟机上自己实现一个小的linux操作系统）

　　　   a.1) 实验环境： VMware虚拟机、64位Ubuntu16.04 　　

　　　　a.2) 下载linux内核源码编译内核： 版本 linux-5.0.1(https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.0.1.tar.xz) 

　　　　a.3) 解压缩文件: $ xz -d linux-5.0.1.tar.xz;  $ tar -xvf linux-5.0.1.tar

　　　　a.4) $ cd linux-5.0.1　　

　　 b).  安装内核编译工具

　　　　$  sudo apt install build-essential flex bison libssl-dev libelf-dev libncurses-dev

　　c).  配置编译内核

　　　　$ sudo cp /boot/config-xxx -r .config    # 使用现存内核的配置文件：xxx指命令输入此处可以按Tab键补全

　　　  $ sudo make oldconfig  # 应用现存配置文件

　　　  $ sudo make localmodconfig  # 仅安装已有module

　　     $ sudo make menuconfig  # 配置其他编译选项  (依次选择Kernel hacking --> Compile-time checks and compiler options --> Compile the kernel with debug info, 保存退出)

　　　　 

 　　　$ cd ~/MenuOS/linux-5.0.1  # 以上内核的准备工作结束， 开始编译内核

　　　 $ sudo make   # 2019-12-20 09-02-31屏幕截图 进行内核配置，过程较慢

　　　

　　c). 通过qemu虚拟机加载内核

　　　$ cd ../  

　　　$ sudo apt install qemu  # 安装qemu 　

　　　 $ qemu -kernel linux-5.0.1/arch/x86_64/boot/bzImage    # 运行该命令，安装成功则会弹出一个MenuOs系统窗口

　　 d).  构造MenuOS

 　　  $  git clone https://github.com/mengning/menu.git

　　  $ mkdir rootfs  # 创建一个rootfs目录

　　  $ cd menu

　　  $ sudo apt-get install libc6-dev-i386  # 在64位环境下编译32位需安装

　　  # 在进一步执行前，需要先修改~/LinuxKernel/menu目录下Makefile文件下的一行内容

　　  # 将原qemu处的命令改为qemu-system-x86_64 -kernel ../linux-5.0.1/arch/x86_64/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img

　　  

　　  $ make rootfs （成功则会出现如下界面）

　　  

　 　e).  验证MenuOS的网络可以正常工作　

　　  $ cd ~/LinuxKernel

　　  $ git clone https://github.com/mengning/linuxnet.git

　　  # 集成服务器到MENUOS上

 　　 $ cd linuxnet/lab2

　　  $ make

　　  $ cd ../../menu/

　　  $ make rootfs  # 初始化根目录

　　  

 　　 # 集成服务器到MENUOS上 (先修改lab3/makefile的qemu处的命令修改为qemu-system-x86_64 -kernel ../../linux-5.0.1/arch/x86_64/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img )

　　  $ cd  ../inuxnet/lab3

　　  $ make rootfs

　　  # 可以观察到，现在多了replyhi和hello两个命令

　　  

 　　 $ 直接在QEMU中输入hello命令， 输出如下，则网络正常工作

　　　　

　2). 也可以实验楼线上直接运行MenuOS系统(实验楼课程地址:  https://www.shiyanlou.com/courses/1198)

　　　　启动MenuOS系统　

　　　    $ cd ~/LinuxKernel/ 　　　

　　　　$ qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img　 # 直接启动内核 （initrd: 指定一个根文件系统）　 　　　

　　　　# 成功运行MenuOS系统会跳出下面的界面（到此时，已经成功构建一个简单的linux系统）

　　　　

2. 使用gdb跟踪调试信息

　　　　a). 在qemu中重新启动gdb server （倘若在QEMU出现卡死状态，通过快捷键ctrl+alt即可解除该状态）

　　　　　 $ qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S  # 启动一个虚拟机qemu， 并且此时处于冻结状态

　　　　b). 重新打开一个终端，执行gdb (相当于gdb client)

　　　　 　$ gdb   # 启动gdb

　　　　　$ file linux-3.18.6/vmlinux   #  加载符号表

　　　　　$ target remote:1234   #  建立 gdb client 和 gdb server 之间的连接

　　　　　$ break start_kernel   #  在start_kernel处设置断点

　　　　　$ c    # 按 c 让qemu上的Linux继续运行, 即启动程序解除冻结 

　　　　　

　　　　　$ list    # 可以查看断点处  start_kernel 的源码 (即 已经验证 gdb可以跟踪到内核代码)

　　　　　

　　　　　# 到这一步已经验证我们成功构建了menuos系统并且可以使用gdb进行调试　　

 3. 内核的启动过程简单介绍

　　内核映像被加载到内存并获得控制权之后，内核启动流程开始。通常，内核映像以压缩形式存储，并不是一个可以执行的内核。

　　因此，内核阶段的首要工作是自解压内核映像。

　　内核编译生成vmliunx后，通常会对其进行压缩，得到zImage（小内核，小于512KB）或bzImage（大内核，大于512KB）。在它们的头部嵌有解压缩程序。

　　linux内核的启动过程：　

　　　　（CPU进入复位状态，内存数据清零，CS:IP(FFFF:0000)指向Bios的入口,系统通过此方法进入BIOS启动过程）　　　　

　　　　==> 系统上电  
  　　　　　　===> CPU自身初始化 

　　　　---------------------------------BIOS------------------------------------------  （BIOS启动，主要完成硬件初始化，包含以下两个过程）
 　　　　 　　　　===> 上电自检
  　　　　　　　　　　===> 加载内核引导程序 （读入Boot Loader, 其主要作用是将系统启动代码读入内存）

　　　　------------------------------内核引导程序----------------------------------- （此时控制权转交给了Boot Loader，引导OS的启动）
  　　　　　　　　　　　　===> 主引导程序
  　　　　　　　　　　　　　　===> 次引导程序

　　　　----------------------------------------------------------------------------------  (已经将OS代码调入内存，将控制权转交给OS，OS的启动程序开始执行)
  　　　　　　　　　　　　　　　　===> 调用内核 （控制权在Setup.s程序处，之后它会将控制权交给Head.s, Head.s在最后将控制权交给main.c中的start_kernel函数，剩余的初始化工作皆由它完成）

　　我们在start_kernel函数处设置断点，并继续执行MenuOs系统，得到下面的图

      

 　　可以看到此时在start_kernel函数处停止，此时已经完成了

　　 

 　　我们主要介绍一下Boot Loader 将控制权转交给OS后，从start_kernel开始到init的几个重要的初始化过程

// start_kernel()执行后，从内核态转到用户态，此时可以以用户的身份使用
linuxasmlinkage void __init start_kernel(void)
{
　　... 
　　setup.arch();  // 基本硬件初始化
　　...
　　paging_init(); // 完成页的初始化
　　...
　　trap_init();   // 中断向量表初始化
　　...
　　sched.init(); 　// 为进程调度执行做准备
　　...
　　time_init();  
　　...
　　console_init();  
　　...
　　inode_init();　　//  文件系统初始化开始
　　...
　　mem_init(); 　　　// 结束后启动/etc下的配置文件，并进入用户态
　　
}

参考来源：

　　1. https://github.com/mengning/net/tree/master/lab3

　　2. 深入分析Linux内核源码