🐢 chap11. 시스템 호출과 커널

⭐ 11.1 시스템 호출

사용자 프로세스~커널 프로세스: 시스템 호출 내부 메커니즘

이전에 없었던 기능을 커널에 추가하기 위해 새로운 시스템 호출을 작성해야 함

커널 공간은 사용자 공간의 차이점 알아보기, 둘은 매우 다름

✅ 11.1.1 시스템 호출 자세히 보기

셸 링→커널 링: 분리 발생

사용자 공간: 사용자 응용프로그램, 셀 링

커널 공간: 커널 링, 하드웨어 링

사용자 공간이 커널 공간에 직접 접근할 수 없음→시스템 호출을 통해 접근

• 알아야 할 사항
  • 시스템 호출 이후에 따라오는 모든 로직을 수행하는 커널은 단 하나.
  • 시스템 호출이 블로킹일 때 호출하는 쪽의 사용자 프로세스는 시스템 호출이 종료될 때까지 기다려야 함. 논블로킹일 경우 시스템 호출은 아주 빨리 반환되지만, 사용자 프로세스는 결과를 이용할 수 있는지 확인하기 위해 추가로 시스템 호출을 해야 함.
  • 입출력 데이터와 함께 인수는 사용자 공간’에서’ 혹은 사용자 공간’으로’ 복제됨. 실제값이 복제되므로 시스템 호출은 작은 변수 및 포인터를 입력 인수로 받을 수 있게 설계해야 함.
  • 커널은 시스템의 모든 리소스에 접근할 수 있는 완전한 권한을 가짐. 그러므로 사용자 공간이 이러 한 시스템 호출을 할 수 있는지를 확인하는 메커니즘 필요. 이때 만약 사용자가 파일의 소유자가 아니라면 fread는 필수 권한이 없다는 오류를 발생시키며 실패.
  • 사용자 및 커널 공간에 할당된 메모리도 비슷하게 분리되어 있음. 사용자 프로세스는 사용자 공간 메모리에만 접근 가능. 특정 시스템 호출을 위해 여러 번 전송해야 할 경우 발생.

✅ 11.1.2 표준 C 건너뛰기: 직접 시스템 호출하기

• 코드 박스 11-1 [예제 11-1] 시스템 호출을 직접 불러오는 또 다른 Hello World 예제

    // File name: ExtremeC_examples_chapter11_1.c
    // Description: Hello world with direct system call
      
    // POSIX가 아닌 것을 사용할 수 있도록 이 코드가 필요합니다.
    #define _GNU_SOURCE
      
    #include <unistd.h>
      
    // 이것 POSIX에 속하지 않습니다.
    #include <sys/syscall.h>
      
    int main(int argc, char** argv) {
      char message[20] = "Hello World!\n";
      // 쓰기를 하는 'write' 시스템 호출을 부릅니다.
      // 표준 출력으로는 바이트가 입력됩니다.
      syscall(__NR_write, 1, message, 13);
      return 0;
    }
  

• 셀 박스 11-1 [예제 11-1]의 출력 결과

    gcc ExtremeC_examples_chapter11_1.c -o ex11_1.out
    ./ex11_1.out
      
    //Hello World!
  

✅ 11.1.3 syscall 함수의 내부

• 코드 박스 11-2 glibc에 있는 syscall 함수의 정의

    /* Copyright (C) 2001-2018 Free Software Foundation, Inc.
       This file is part of the GNU C Library.
      
       The GNU C Library is free software; you can redistribute it and/or
       modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
       License as published by the Free Software Foundation; either
       version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
      
       The GNU C Library is distributed in the hope that it will be useful,
       but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
       MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
       Lesser General Public License for more details.
      
       You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
       License along with the GNU C Library; if not, see
       <http://www.gnu.org/licenses/>.  */
      
    #include <sysdep.h>
      
    /* 아래의 -4095 값에 대한 추가 정보는
       sysdeps/unix/sysv/linux/x86-64/sysdep.h 파일을 참고하세요(consult). */
      
    /* 사용법: long syscall (syscall_number, arg1, arg2, arg3, arg4, arg5, arg6)
       몇몇 인수를 옮겨야 합니다. syscall_number는 rax가 됩니다. */
      
    	.text
    ENTRY (syscall)
    	movq %rdi, %rax		/* Syscall number -> rax. */
    	movq %rsi, %rdi		/* arg1 - arg5 옮기기*/
    	movq %rdx, %rsi
    	movq %rcx, %rdx
    	movq %r8, %r10
    	movq %r9, %r8
    	movq 8(%rsp),%r9	/* arg6 은 스택에 있습니다.  */
    	syscall			/* 시스템 호출을 하세요.  */
    	cmpq $-4095, %rax	/* %rax에 대한 오류를 검사하세요.  */
    	jae SYSCALL_ERROR_LABEL	/* 오류가 발생했다면 오류 핸들러로 점프하세요.  */
    	ret			/* 호출자를 반환하세요.  */
      
    PSEUDO_END (syscall)
  

✅ 11.1.4 리눅스에서 시스템 호출 추가하기

• 커널 개발

  • 단 하나의 커널 프로세스가 모든 것을 실행
    • 커널에서 코드가 충돌이 발생한다면 머신을 재시작해서 커널을 다시 초기화해야 한다는 의미
    • 사용자 공간 프로그램에서는 해결책을 찾기가 쉽지만, 커널 프로세스의 경우 머신 재부팅을 하지 않는 다른 해결책을 찾기는 어려움
    • 커널 프로세스의 개발 비용이 매우 많이 듦.
    • 커널에 충돌이 발생하면 커널 충돌 덤프 Kemel crash dump 가 생성, 문제 원인 진단에 사용.
  • 커널 링에는 glibc 같은 C 표준 라이브러리가 없음.
    • 커널 링은 SUSL POSIX 표준이 더 이상 유효하지 않은 영역
    • stdio.hL string. h와 같은 Itbc 헤더 파일을 포함 불가.
    • 이런 경우 여러 작업에 사용되는 지정된 함수 모음이 존재
    • 이들 함수는 일반적으로 커널 헤더에 있으며, 이 영역은 표준화되어 있지 않으므로 유닉스 버전마다 다를 수 있음.
  • 커널에서 파일을 읽거나 수정할 수는 있지만, Iibc 함수를 사용할 수는 없음.
    • 각 유닉스 커널은 커널 링 내부에 고유의 접근 파일에 대한 메서드가 있음.
    • 이는 IIDc에서 노출하는 모든 기능과 동일.
  • 커널 링에서는 물리 메모리 및 다른 서비스에 완전히 접근 가능.
    • 그러므로 안전하며 신뢰할 수 있는 코드가 매우 중요.
  • 커널에는 시스템 호출 메커니즘이 없음.
    • 시스템 호출은 사용자 프로세스가 커널 링과 통신할 수 있도록 하는 주요 사용자 공간 메커니즘
    • 일단 커널에 들어가면 시스템 호출을 할 필요가 없음.
  • 커널 프로세스는 커널 이미지를 물리 메모리로 복제해 생성하고, 이는 부트 로더가 수행.
    • 맨 처음부터 trom scratch 커널 이미지를 생성한 다음 시스템을 재부팅해 시스템 호출을 다시 로드하지 않으면 새로운 시스템 호출을 추가 불가.
  • 커널 모듈을 지원하는 커널에서는 커널이 실행 중일 때 모듈을 쉽게 추가하고 제거 가능.
    • 시스템 호출에서는 불가.

• 리눅스에서 Hello World 시스템 호출 작성하기

✅ 11.1.3 syscall 함수의 내부

• 셀 박스 11-3 [예제 11-2]에 필요한 필수 패키지 설치하기

    sudo apt-get update
    sudo apt-get install -y build-essential autoconf libncurses5-dev libssl-dev bison flex libelf-dev git
    ...
  

• 셀 박스 11-4 리눅스 커널을 복제하고 버전이 5.3인지 검사하기

    git clone https://github.com/torvalds/linux
    cd linux
    git checkout v5.3
  

  vi (printk) 커널에서 메시지 출력하는 도구

    " ============================================================================
    " Netrw Directory Listing                                        (netrw v171)
    "   /home/ubuntu/linux/kernel/printk
    "   Sorted by      name
    "   Sort sequence: [\/]$,\<core\%(\.\d\+\)\=\>,\.h$,\.c$,\.cpp$,\~\=\*$,*,\.o$,\.obj$,\.info$,\.swp$,\"   Quick Help: <F1>:help  -:go up dir  D:delete  R:rename  s:sort-by  x:special
    " ==============================================================================
    ../                                                                                                   ./
    braille.h
    console_cmdline.h
    internal.h
    braille.c
    printk.c
    printk_safe.c
    Makefile
  

• 코드 박스 11-3 새로운 Hello World 시스템 호출에 대한 선언(include/linux/syscalls.h)

• 셀 박스 11-6 hello_world 경로 만들기

    mkdir hello_world
    cd hello_world
  

• 코드 박스 11-4 Hello World 시스템 호출에 대한 정의

• 코드 박스 11-5 새롭게 추가된 Hello World 시스템 호출을 시스템 호출 테이블에 더하기

    999 64 hello_world __x64_sys_hello_world
  

• 셀 박스 11-7 시스템 호출 테이블에 추가된 Hello World 시스템 호출

    cat arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl
    ...
  

• 코드 박스 11-6 Hello World 시스템 호출에 대한 Makefile 파일 내용

    obj-y := sys_hello_world.o
  

• 코드 박스 11-7 루트의 Makefile 파일에서 수정할 목표 행

    core-y += kernel/certs/mm/fs/ipc/security/crypto/block/
  

• 코드 박스 11-8 수정한 뒤의 목표 행

    core-y += kernel/certs/mm/fs/hello_world/ipc/security/crypto/block/
  

• 커널 빌드하기

  • 셀 박스 11-8 현재 실행 중인 커널을 기반으로 한 커널 설정 만들기

      make localmodconfig
      ...
    

  • 셀 박스 11-9 커널 빌드의 출력: Hello World 시스템 호출에 대한 컴파일을 나타내는 행에 주목하기

      make -j4
    

  • 셀 박스 11-10 새 커널 이미지를 생성하고 설치하기

      sudo make modules_install install
    

  • 셀 박스 11-11 현재 설치된 커널의 버전 검사하기

      uname -r
    

  • 셀 박스 11-12 시스템 재시작하기

      sudo reboot
    

  • 셀 박스 11-13 재시작 이후 커널 버전 검사하기

      uname -r
    

  • 코드 박스 11-9 [예제 11-2] 새롭게 추가된 Hello World 시스템 호출 불러오기

      // File name: ExtremeC_examples_chapter11_2.c
      // Description: Invoke the hello world system call
          
      // POSIX가 아닌 것을 사용할 수 있도록 이 코드가 필요합니다.
      #define _GNU_SOURCE
          
      #include <stdio.h>
      #include <unistd.h>
          
      // 이것은 POSIX에 속하지 않습니다.
      #include <sys/syscall.h>
          
      int main(int argc, char** argv) {
        char str[20] = "Kam";
        char message[64] = "";
          
        // hello world 시스템 호출 부르기
        int ret_val = syscall(999, str, 4, message, 64);
        if (ret_val < 0) {
          printf("[ERR] Ret val: %d\n", ret_val);
          return 1;
        }
        printf("Message: %s\n", message);
        return 0;
      }
    

  • 셀 박스 11-14 [예제 11-2]를 컴파일하고 실행하기

      gcc ExtremeC_examples_chapter11_2.c -o ex11_2.out
      ./ex11_2.out
          
      //Message: Hello Kam!
    

  • 셀 박스 11-15 Hello World 시스템 호출에 따라 생성된 로그를 보기 위해 dmesg 사용하기

      dmesg
      ...
    

  • 셀 박스 11-16 [예제 11-2]에서 불러온 시스템 호출 감시하기(모니터링하기)

      strace ./ex11_2.out
    

  • 코드 박스 11-10 Hello World 시스템 호출에 긴 멧지 전달하기(64바이트 이상)

  • 셀 박스 11-17 수정한 뒤 [예제 11-2]를 컴파일하고 실행하기

      gcc ExtremeC_examples_chapter11_2.c -o ex11_2.out
      ./ex11_2.out
    

  • 셀 박스 11-18 수정한 뒤 [예제 11-2]에서 불러온 시스템 호출 감시하기

      strace ./ex11_2.out
    

⭐ 11.2 유닉스 커널

▶️ 유닉스 커널

→ 유닉스 커널의 설계에는 두 가지의 아키택처가 있습니다.

모놀리식 커널과 마이크로커널입니다.

→ 모놀리식 커널과 마이크로커널은 모두 장단점이 있습니다. 또한 커널은 시스템 호출을 처리하는데에 있어 특정한 방식이 있는데 이로 인해 논쟁이 발생하기도 했습니다.(타넨바움-토르발)

▶️모놀리식 커널 대 마이크로커널

→ 두가지의 아키텍처의 장단점을 알아보겠습니다.

	모놀리식 커널	마이크로 커널
프로세스	커널이 제공하는 모든 서비스를 포함하는 단일 프로세스로 구성(구식 방법)	커널이 제공하는 모든 서비스에 대해 별도의 프로세스가 존재
위치	커널 공간에 위치	사용자 공간에 위치
속도	모든 커널 서비스가 커널 프로세스 내에서 수행되기 때문에 빠름.	사용자 공간과 커널 공간 사이에서 메시지를 전달(시스템 호출과 문맥 교환 多) 모놀리식 보다 느림
커널 충돌	모든 장치 드라이버는 커널에 로드. - 내부 장치 드라이버나 유닛에 결함이 있다면 커널 충돌 발생 有	다른 여러 유닛들이 사용자 공간에서 실행 되기 때문에 커널 충돌 無
손상	작은 악성 코드를 넣으면 시스템 전체를 충분히 손상 가능	많은 서버 프로세스가 사용자 공간에 있으며 최소한의 필수 기능만이 커널 공간에 집중되므로 쉽게 발생 X
편리성	커널소스를 간단하게 변경한다면 다시 컴파일을 하고 새 이미지를 불러오려면 다시 재부팅 해야 함.	소스를 변경하더라도 재부팅하지 않고도 새 기능을 불러올 수 있음.

▶️ 리눅스

→ 리눅스는 모놀리식 커널이며 모든 커널 기능이 커널 내부에 있습니다.

→ 모놀리식 커널이므로 커널을 다시 컴파일하지 않고도 커널에 새 기능을 추가하는 방법이 있어야합니다.

→ 다음 파트에서 커널 모듈을 작성해 커널을 동적으로 연결해 새로운 시스템 호출로 커널에 새 기능을 추가하는 방법에 대해 다루겠습니다.

▶️ 커널 모듈

→ 모놀리식 커널에는 실행 중인 커널에 새 기능을 핫플러그 할 수 있는 기능이 있습니다.

• 이때 플러그가 가능한 유닛을 커널 모듈이라고 합니다.
  • 마이크로커널의 서버 프로세스는 IPC 기술을 사용해 서로 통신합니다.
  • 커널 모듈은 커널 목적 파일로 이미 컴파일 되어서 커널 이미지에 정적으로 빌드될 수도 있고 커널이 실행 중일 때 동적으로 로드될 수 있습니다.

    ☑️ 커널 목적 파일은 C개발에서 일반 목적 파일과 쌍둥이 개념입니다.
  

→ 커널 모듈로 통신하는 방법(3가지)

• /dev 경로에 있는 장치 파일
  • 커널 모듈은 주로 장치 드라이버가 사용하므로 장치는 /dev 경로에 있는 장치 파일로 접근 할 수 있습니다. 장치 파일에 있는 데이터를 읽고 쓸 수 있으며 이를 이용해 모듈과 데이터를 주고받을 수 있습니다.
• procfs 의 진입점
  • /procfs의 진입점은 특정 커널 모듈에 대한 메타 정보를 읽거나 정보를 전달 또는 명령을 통제하기 위해 사용합니다.
• sysfs 진입점
  • procfs의 새로운 버전으로 사용자가 다른 커널 관련 유닛을 통제할 수 있도록 하는 리눅스의 또 다른 파일 시스템입니다.

☑️리눅스에 커널 모듈 사용하기

 ❗커널 모듈로 통신하는 방법 중 하나인 procfs에서 진입점을 생성하고 이를 이용해
	 인사 문자열을 받는 새 모듈을 작성해보자!  

• 예제 11_3에 대한 루트 경로 만들기

$ mkdir ex11_3
$ cd ex11_3

• Hello World 커널 모듈(ex11_3/hwkm.c)

    // File name: hwkm.c
    // Description: Hello World Kernel Module
      
    #include <linux/module.h>
    #include <linux/kernel.h>
    #include <linux/init.h>
    #include <linux/proc_fs.h>
      
    // The structure pointing to the proc file
    struct proc_dir_entry *proc_file;
      
    // The read callback function
    ssize_t proc_file_read(struct file *file, char __user *ubuf, size_t count, loff_t *ppos) {
      int copied = 0;  // 일기기 콜백 함수로 파일을 읽으려고 할 때 호출 할 수 있습니다.
      if (*ppos > 0) {
        return 0;
      }
      copied = sprintf(ubuf, "Hello World From Kernel Module!\n");
      *ppos = copied;
      return copied;
    }
      
    static const struct file_operations proc_file_fops = {
     .owner = THIS_MODULE,
     .read  = proc_file_read
    };
      
    // The module initialization callback
    static int __init hwkm_init(void) {
      proc_file = proc_create("hwkm", 0, NULL, &proc_file_fops);  // /proc 경로에서 hwmk파일을 생성합니다.
      if (!proc_file) {
        return -ENOMEM;
      }
      printk("Hello World module is loaded.\n");
      return 0;
    }
      
    // The module exit callback
    static void __exit hkwm_exit(void) {
      proc_remove(proc_file);   // /proc 경로에서 hwmk파일을 삭제합니다. 
      printk("Goodbye World!\n");
    }
      
    // Defining module callbacks ->모듈이 로드, 언로드될 떄 각각 호출
    module_init(hwkm_init);  //초기화 콜백은 가장 먼저 실
    module_exit(hkwm_exit);
  

  hwmk.c파일을 생성해 커널 모듈 코드를 담습니다.

  → 이 단계에서 커널 모듈 내부에 쓰인 코드는 커널 안의 거의 모든 것에 완전히 접근할 수 있으므로, 사용자 공간에 모든 종류의 정보를 새어 나가게 할 수 있습니다. 그러므로 안전한 커널 모듈을 작성하는 것이 좋습니다.

• 커널 모듈에 대한 Makefile

    obj-m += hwkm.o
      
    all:
    	make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules
      
    clean:
    	make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean
  

  → 커널 모듈을 빌드하는데 필수적인 필드 도구를 트리어가는 Makefile을 생성합니다.

• make명령어 실행하기

  $make
  make -C /lib/modules/54.318.0+/build M=/home/kamran/extreme_c/
  ch11/codes/ex11_3 modules
  make[1]: Entering directory '/home/kamran/linux'
  CC [M] /home/kamran/extreme_c/ch11/codes/ex11_3/hwkm.o
  Building modules, stage 2.
  MODPOST 1 modules
  WARNING: modpost: missing MODULE_LICENSE() in /home/kamran/
  extreme_c/ch11/codes/ex11_3/hwkm.o
  see include/linux/module.h for more information
  CC /home/kamran/extreme_c/ch11/codes/ex11_3/hwkm.mod.o
  LD [M] /home/kamran/extreme_c/ch11/codes/ex11_3/hwkm.ko
  make[1]: Leaving directory '/home/kamran/linux'
  $
  
  

→ 이때 컴파일러가 .ko파일을 만듭니다. 이는 출력 파일이 커널 목적 파일이라는 의미로 커널 목적 파일은 커널에 동적으로 로드외어 실행될 수 있는 공유 라이브러리입니다.

☀️커널 모듈을 빌드한 뒤에 존재하는 파일 목록 확인!

$ ls -l

total 556
-rw-rw-r-- 1 kamran kamran 154 Oct 19 00:36 Makefile
-rw-rw-r-- 1 kamran kamran 0 Oct 19 08:15 Module.symvers
-rw-rw-r-- 1 kamran kamran 1104 Oct 19 08:05 hwkm.c
-rw-rw-r-- 1 kamran kamran 272280 Oct 19 08:15 hwkm.ko
-rw-rw-r-- 1 kamran kamran 596 Oct 19 08:15 hwkm.mod.c
-rw-rw-r-- 1 kamran kamran 104488 Oct 19 08:15 hwkm.mod.o
-rw-rw-r-- 1 kamran kamran 169272 Oct 19 08:15 hwkm.o
-rw-rw-r-- 1 kamran kamran 54 Oct 19 08:15 modules.order

‼️커널 모듈의 로드와 언로드

▶️ 커널 모듈을 로드하고 설치하기

$ sudo inmode hwkm.ko

▶️최신 커널 로그 확인하기

$ dmesg
...
...
[ 7411.519575] Hello World module is loaded.

▶️파일 읽기

$ cat /proc/hwkm
Hello World From Kernel Module!
$ cat /proc/hwkm
Hello World From Kernel Module!
$

• 같은 문자열을 반환하는 이유
  • 커널 모듈이 문자열을 사용자 공간으로 복사했고 cat 프로그램이 표준 출력으로 이를 출력하였기에 파일을 두 번 읽어 같은 문자열을 반환한 것입니다.

▶️ 커널 모듈을 언로드하기

$ sudo rnmod hwkm

▶️ 언로드 되었는지 최신 커널 로그 확인하기

$ dmesg
...
...
[ 7411.519575] Hello World module is loaded.
[ 7648.950639] Goodbye World!

▶️ 결론

1️⃣ 커널 모듈은 머신을 재부팅할 필요 없이 로드와 언로드가 가능합니다.

→ 시스템 호출 이후에 커널 내에서 실행되어야 하는 코드를 개발할 때는 커널 모듈이 간편할 수 있습니다.

2️⃣ 커널 모듈은 로드되고 나면 커널에 속하고, 커널 내의 모든 유닛과 그 구조에 접근 가능합니다.

3️⃣ 커널 모듈이라면 커널 모듈의 소스 코드만 컴파일을 하게 되어 짧은 시간이 걸립니다.

4️⃣ 코드가 커널 충돌을 일으키려 할 때, 코드의 위치가 커널 모듈에 있든, 시스템 호출 이후에 있든 상관없이 반드시 재부팅을 해야 합니다.

⭐ 11.3 마무리

• 시스템 호출과, 시스템 호출이 특정 기능을 노출하는 방식
• 시스템 호출 다음에 일어나는 일
• C코드에서 특정 시스템 호출을 직접 부르는 방식
• 기존의 유닉스 계열 커널(리눅스)에 새 시스템 호출을 추가하는 방법과 커널을 다시 컴파일 하는 방법
• 모놀리식 커널 내부에서 커널 모듈의 작동 방식과 리눅스에 새 커널 모듈을 작성하는 방법