构建调试Linux内核(32位)网络代码的环境MenuOS系统

构建调试Linux内核(32位)网络代码的环境MenuOS系统

最后的目录：

说明：qemu qemu-system-i386 qemu-system-x86_64
qemu-system-i386是32位的QEMU的命令
qemu-system-x86_64是64位的QEMU的命令
qemu 是软链接到qemu-system-i386，二者是一样的，如果qemu没有软链接，是无法执行的。

以下过程是回忆所写，有些小细节可能记错了，部分命令是手敲的，不一定对，仅供参考。

安装，编译linux内核

步骤 1：下载，配置编译为32位

#如果想编译为64位，请直接忽略此步骤最后一条命令，接步骤二开始，但是后面需要更改一些qemu命令的格式，要都按照64位来做，后面我大概提一下，但是具体细节我没做，所以有什么坑我也不知道。

mkdir LinuxKernel  #创建一个项目目录
cd LinuxKernel
wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.0.1.tar.xz  #下载linux-5.0.1的内核，当然也可以下载其他版本的，就是有点慢。
xz -d linux-5.0.1.tar.xz    #解压
tar -xvf linux-5.0.1.tar
cd linux-5.0.1
sudo apt install build-essential flex bison libssl-dev libelf-dev libncurses-dev #安装内核编译所需的库
make i386_defconfig  #生成32位x86的配置文件

步骤 2：配置编译需要debug信息

#针对32位的，步骤二可以在这步做，也可以在后面gdb调试那一步之前做，我当时是在那一步之前做的，但是现在想想没必要编译两次，因为编译真的需要很久，64位就在这儿做吧。

make menuconfig

#执行make menuconfig之后，会跳出一个图形化界面，就在图形化界面中完成以下操作，如果没有跳出，或者报错，自行解决界面大小适应问题：安装vmware tool,或者在设置中调整分辨率。

1：选择 Kernel hacking
2：选择 Compile-time checks and compiler options
3：选择 [ ]Compile the kernel with debug info 
4：按Y  前面就多了一个 [*] Compile the kernel with debug info 
5：选择 save
6：按 esc，直到退出图形化界面

步骤 3：编译

make

漫长的等待开始了，直到编译完成。

步骤 4：升级内核

#可以忽略此步骤！！！！因为这个步骤是老师上课讲的的，但是我做的时候，机子在reboot的时候总是错，所以后面就跳过了。
#欢迎大佬指出问题

uname -a
sudo make modules_install  # ⚠️安装前通过系统快照备份系统，以防出现故障前功尽弃
sudo make install
sudo update-grub
reboot
uname -a

制作根文件系统

步骤 1：QEMU虚拟机加载内核

cd ~/LinuxKernel/
sudo apt install qemu  # 安装qemu命令
qemu-system-i386 -kernel  linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage #qemu虚拟机加载 linux-5.0.1内核，这条命令可以不用执行，因为后面构造menuOS的makefile中是包含了这条命令的

步骤 2： 构造MenuOS

#下载menu系统，并在LinuxKernel目录下建一个子目录rootfs,当作menuOS的根目录

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

mkdir rootfs

步骤2.1： 安装libc6-dev-i386和修改Makefile

安装libc6-dev-i386

sudo apt-get install libc6-dev-i386

修改makefile，我的做法是方式二

方式一

cd menu

vim Makefile

qemu -kernel ../linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img  #修改前

qemu-system-i386 -kernel  ../linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage  -initrd ../rootfs.img #修改后

wq

64位的就修改为 qemu-system-x86_64 -kernel ../linux-5.0.1/arch/x86_64/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img

方式二

#如果不想使用qemu-system-i386，仍然想使用qemu命令，就改为如下，然后执行一个软链接

cd menu

vim Makefile

qemu -kernel ../linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img  #修改前

qemu -kernel ../linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img #修改后

wq

sudo ln -s /usr/bin/qemu-system-i386  /usr/bin/qemu

步骤2.2 初始化根目录

linux启动后期会在根⽬录中寻找⼀个应⽤程序来运⾏，在根⽬录下提供init是⼀种可选⽅案

#在menu目录下执行一下命令
make rootfs

结果应该是这样

回车，然后执行help命令查看当前构建的menuOS系统中的命令 ，其他命令都可以，但是quit命令无效，hh。

gdb 调试

在执行gdb 调试之前，保证make menuconfig那个步骤已经执行，不然编译的内核系统不含调试信息。

步骤 1：启动gdb server

1 关闭 之前打开的menuOS系统界面
2 执行 qemu -kernel ../linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img -append  nokaslr -s -S

为什么和老师的不一样？em 我也不知道为什么，可能teacher给的命令只适合teache的机子，反正我又是一堆错，这儿写的命令也可能不适合你的机子。
所以多提供两条参考命令，反正我的机子是不行的，说不定你的机子行呢，如下

qemu -kernel ../linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img  -s -S   #(我的机子执行之后调试停不下来)
(32)qemu -kernel ../linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -hda rootfs.img -append "root=/dev/sda init=/init nokaslr" -s -S
(64)qemu-system-x86_64 -kernel ../linux-5.0.1/arch/x86_64/boot/bzImage -hda rootfs.img -append "root=/dev/sda init=/init nokaslr" -s -S
#(调试的时候，中途报错：VFS,unable to mount rootfs on unkwon-block(x,x))

步骤2 gdb客户端连接gdb server

#打开另一个终端

gdb
file ~/LinuxKernel/linux-5.0.1/vmlinux
break start_kernel
target remote:1234
c
list

如图

多打几个断点看看，内核启动的过程，具体细节再研究研究，看我后续部分

构建MenuOS的网络功能

参考老师的实验楼：https://www.shiyanlou.com/courses/1198

步骤1： 将 TCP 网络通信程序的服务端集成到 MenuOS 系统中

cd ~/LinuxKernel  
git clone https://github.com/mengning/linuxnet.git
cd linuxnet/lab2
make
cd ../../menu/
make rootfs #改一下Makefile

步骤2： 将 TCP 网络通信程序的客户端集成到 MenuOS 系统中

cd ~/LinuxKernel  
git clone https://github.com/mengning/linuxnet.git
cd linuxnet/lab3
make rootfs  #报错之后，修改Makefile

结果如图：menuOS下面已经多了replyhi，和 hello命令，后面再看细节。

后续。。。

linux 内核的启动过程

start_kernel 部分代码

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
  char *command_line;
  char *after_dashes;

   set_task_stack_end_magic(&init_task); #设置0号进程的栈边界。可以通过 gdb 调试查看  p init_task->pid  看到它的进程号
   smp_setup_processor_id();
   debug_objects_early_init();

   cgroup_init_early();

   local_irq_disable();
   early_boot_irqs_disabled = true;

   /*
    * Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then
    * enable them.  #设置中断表
    */
   boot_cpu_init();
   page_address_init(); #初始化虚拟页地址
   pr_notice("%s", linux_banner);
   setup_arch(&command_line);
   /*
   * Set up the the initial canary and entropy after arch
    * and after adding latent and command line entropy.
    */
   add_latent_entropy();
   add_device_randomness(command_line, strlen(command_line));
   boot_init_stack_canary();
   mm_init_cpumask(&init_mm);
   setup_command_line(command_line);
   setup_nr_cpu_ids();
   setup_per_cpu_areas();
   smp_prepare_boot_cpu(); /* arch-specific boot-cpu hooks */
   boot_cpu_hotplug_init();

start_kernel 代码分析：参考博客：https://www.cnblogs.com/yjf512/p/5999532.html
说明：init_task 它是谁？他是0号进程，本质是一个结构体task_strcuk，即通用的进程描述符，它在哪创建？在cpu_startup_entry处创建，参考：https://www.cnblogs.com/dakewei/p/11558027.html
结构体task_strcuk是什么，参考：https://blog.csdn.net/qq_25424545/article/details/80289683
0号进程是如何调用rest_init创建1，2号进程 的，以及他们之间的关系？参考：https://www.cnblogs.com/alantu2018/p/8526970.html

如何往menu系统中添加tcp通讯功能的

以linuxnet/lab3为例

main.c

步骤 1 重启网卡

BringUpNetInterface

为什么呢？为了配置网卡协议，以及绑定主机ip。

步骤2 构造命令和对应的handle函数

MenuConfig("replyhi", "Reply hi TCP Service", StartReplyhi);

MenuConfig中主要是设置一个结构体，将cmd和handle关联起来
例如在menu中执行replyhi,就会调用相应的函数StartReplyhi，StartReplyhi中子进程负责调用replyhi，replyhi就是执行tcp服务器的代码。

StartReplyhi

int StartReplyhi(int argc, char *argv[])
{
   int pid;
   /* fork another process */
   pid = fork();
   if (pid < 0)
   {
       /* error occurred */
       fprintf(stderr, "Fork Failed!");
       exit(-1);
   }
   else if (pid == 0)
   {
       /*   child process  */
       Replyhi();
       printf("Reply hi TCP Service Started!
");
   }
   else
   {
       /*  parent process   */
       printf("Please input hello...
");
   }
}

Replyhi

int Replyhi()
{
   char szBuf[MAX_BUF_LEN] = "";
   char szReplyMsg[MAX_BUF_LEN] = "hi";
   InitializeService();
   while (1)
   {
       ServiceStart();#宏定义  包括socket,bind,listen,accpet等函数
       RecvMsg(szBuf);
       SendMsg(szReplyMsg); #宏定义，就是调用recv函数
       ServiceStop();
   }
   ShutdownService();#宏定义，就是调用close函数
   return 0;
}

socket,bind,listen,accpet这些函数对应着以下系统调用

switch (call) {
   case SYS_SOCKET:
       err = __sys_socket(a0, a1, a[2]);
       break;
   case SYS_BIND:
       err = __sys_bind(a0, (struct sockaddr __user *)a1, a[2]);
       break;
   case SYS_CONNECT:
       err = __sys_connect(a0, (struct sockaddr __user *)a1, a[2]);
       break;
   case SYS_LISTEN:
       err = __sys_listen(a0, a1);
       break;
   case SYS_ACCEPT:
       err = __sys_accept4(a0, (struct sockaddr __user *)a1,
                   (int __user *)a[2], 0);
       break;
   case SYS_GETSOCKNAME:
       err =
           __sys_getsockname(a0, (struct sockaddr __user *)a1,
                     (int __user *)a[2]);
       break;
   case SYS_GETPEERNAME:
...

进程和系统调用之间是怎么进行的？
进程可以跳转到的内核中的位置叫做system_call。在此位置的过程检查系统调用号，它将告诉内核进程请求的服务是什么。然后，它再查找系统调用表sys_call_table，找到希望调用的内核函数的地址，并调用此函数。
gdb 调试lab3的看一看效果

gdb
file vmlinux
break sys_socketcall
target remote:1234
c
list
list
n
n
s 进入__sys_socket
bt  #查看堆栈

输出如下

(gdb) bt
#0  __sys_socket (family=2, type=2, protocol=0) at net/socket.c:1327  #sys_socket 的内容主要就是上面的switch中的结果了
#1  0xc1757b98 in __do_sys_socketcall (args=<optimized out>,
   call=<optimized out>) at net/socket.c:2555
#2  __se_sys_socketcall (call=1, args=-1076677360) at net/socket.c:2527  #找到了对应socket类的系统调用函数总入口地址
#3  0xc1002095 in do_syscall_32_irqs_on (regs=<optimized out>)  #syscall_trace_enter取出系统调用号 nr；到sys_call_table中去找到nr号对应的系统调用服务程序去执行后返回值放入ax。
   at arch/x86/entry/common.c:334
#4  do_fast_syscall_32 (regs=0xc7895fb4) at arch/x86/entry/common.c:397    #做一些额外的设置,里面可是有0x80，然后调用do_syscall_32_irqs_on
#5  0xc199141b in entry_SYSENTER_32 () at arch/x86/entry/entry_32.S:887  #保存现场将相关寄存器中的值压栈(rax,rsi,rdi等)
#6  0x00000001 in ?? () #上层就是用户进程了
#7  0xbfd33510 in ?? ()

系统调用咋回事？参考：https://docs.huihoo.com/joyfire.net/6-1.html
更多socke函数的分析 参考： https://blog.csdn.net/zhangskd/category_9263957.html