Sestavení Linuxového systému

Cíl cvičení

Na předchozích cvičeních jsme se zabývali jednotlivými aspekty operačních systémů a jejich používání a programování. V této dobrovolné úloze si zkusíte sestavit kompletní operační systém z jednotlivých komponent. Bude se jednat o operační systém s jádrem Linux a jako uživatelský prostor budeme používat projekt BusyBox. Tato kombinace komponent je často používána ve vestavěných (embedded) aplikacích, jako jsou například síťové routery, chytré domácí spotřebiče apod.

Co je Linuxové jádro snad už trochu tušíte z přednášek. BusyBox je sada miniaturních Unixových programů jako je například příkazový interpret (shell), editor, příkazy jako ls, find, cat, atd. Pomocí projektu BusyBox lze vytvořit funkční unixové uživatelské prostředí o celkové velikosti pod 1 MiB.

Zadání úlohy

Tato úloha není povinná.

Vytvořte shellový skript, který automaticky vytvoří a v emulátoru Qemu nabootuje funkční operační systém. Skript by měl vykonat následující operace:

Stáhne zdrojové kódy projektu BusyBox (buď z archivu nebo z repozitáře verzovacího systému git).
Nakonfiguruje a zkompiluje BusyBox (stačí výchozí konfigurace pomocí make defconfig, kompilace pomocí make).
Stáhne zdrojové kódy jádra Linux. Buď jako archiv tar nebo naklonuje repozitář gitu.
Nakonfiguruje (opět stačí make defconfig) a zkompiluje jádro. Doporučujeme kompilovat paralelně na všech dostupných procesorech pomocí make -j$(nproc).
Ze zkompilovaného BusyBoxu vytvoří souborový systém tak, aby Linuxové jádro mohlo nabootovat. Viz nápovědu níže.
Zkompilované jádro a vytvořený souborový systém nabootuje v emulátoru Qemu. (Pozor: V předchozích cvičeních jsme používali emulátory 32bitového systému. Zde budete pravděpodobně kompilovat 64bitový systém, takže použijte i jeho emulátor qemu-system-x86_64).

Evaluace

Úloha se nekontroluje plně automaticky - je proto nutná kontrola cvičícím! Buď osobně na cvičení nebo v BRUTE. V BRUTE to stačí pokud tam váš skript funguje, t.j. ve výstupu AE je vidět hláška Please press Enter to activate this console.

Nápověda

Tvorba souborového systému

Základem pro váš souborový systém bude BusyBox nainstalovaný příkazem

make install

Tím se vytvoří základní adresářová struktura, ale k nabootování systému to stačit nebude. Bude potřeba vyřešit následující nedostatky:

Doplnit sdílené knihovny, které potřebuje BusyBox ke svému běhu.
Vytvořit adresář /dev s odkazy na nejnutnější zařízení.

Jaké jsou potřeba knihovny pro běh daného programu lze zjistit příkazem ldd. V našem případě tedy spustíme

ldd _install/bin/busybox

Všechny zmiňované knihovny (s výjimkou linux-vdso.so.1) je potřeba mít v cílovém souborovém systému v místě, kde je najde dynamický linker (/lib64/ld-linux-x86-64.so.2). Teoreticky byste si i tyto knihovny mohli zkompilovat sami, ale vzhledem k tomu, že kompilace knihovny jazyka C (libc) není triviální, použijte už zkompilovanou knihovnu z vašeho systému.

Dostupnost všech potřebných knihoven můžete otestovat příkazem chroot. Pokud se rozhodnete svůj souborový systém vytvářet v adresáři _install, spusťte tedy

chroot _install /bin/sh

Ten spustí příkaz /bin/sh s kořenovým adresářem nastaveným na _install. Shell tedy neuvidí žádné jiné soubory než ty, co jsou v adresáři _install a pokud tam budou chybět potřebné knihovny, nepůjde ani spustit.

Nejjednodušší možnost jak nabootovat do právě vytvořeného uživatelského prostředí je uložit ho ve formátu pro Linuxový startovací RAM-disk a nabootovat Linuxové jádro s tímto RAM-diskem. Aby vše fungovalo jak má, kromě souborů v adresáři _install musí RAM-disk obsahovat i několik položek v adresáři /dev pro přístup k virtuálním terminálům. V závislosti na vašem oprávnění můžete RAM-disk vytvořit jedním z následujících způsobů:

Bez rootovských práv (což je i případ BRUTE) můžete RAM-disk vytvořit pomocí nástroje gen_init_cpio. Pokud program nemáte na svém počítači, měl by se vám zkompilovat pří kompilaci Linuxového jádra do adresáře usr (pozor, ne /usr).
```
(
cat <<EOF
dir /dev 755 0 0
nod /dev/tty0 644 0 0 c 4 0
nod /dev/tty1 644 0 0 c 4 1
nod /dev/tty2 644 0 0 c 4 2
nod /dev/tty3 644 0 0 c 4 3
nod /dev/tty4 644 0 0 c 4 4
slink /init bin/busybox 700 0 0
dir /proc 755 0 0
dir /sys 755 0 0
EOF

find _install -mindepth 1 -type d -printf "dir /%P %m 0 0\n"
find _install -type f -printf "file /%P %p %m 0 0\n"
find _install -type l -printf "slink /%P %l %m 0 0\n"
) > filelist

gen_init_cpio filelist | gzip > ramdisk
```
Výše uvedené příkazy fungují následovně: Nejprve vytvoříme seznam souborů (filelist), které má ramdisk obsahovat. Nástroj gen_init_cpio pak podle toho seznamu vytvoří obraz ramdisku, který “zazipujeme” příkazem gzip a uložíme do souboru ramdisk.

Pokud máte rootovská práva, můžete odkazy na zařízení zkopírovat z vašeho systému a RAM-disk pak vytvořit následovně:

mkdir _install/{dev,etc,proc,sys}
sudo cp -a /dev/tty? _install/dev
ln -s bin/busybox _install/init
(cd _install; find . | cpio -o -H newc | gzip) > ramdisk

Bootování jádra s naším filesystémem v emulátoru Qemu

Na 64-bitovém systému spustíme emulátor Qemu s parametry -kernel a -initrd. Jako jádro zvolíme výsledek naší kompilace jádra, typicky soubor arch/x86/boot/bzImage. Spuštění emulátoru pak může vypadat např. následovně:

qemu-system-x86_64 -kernel linux-stable/arch/x86/boot/bzImage -initrd busybox/ramdisk

Pokud vše proběhlo správně, zobrazila se hláška

Please press Enter to activate this console.

a po stisku Enteru můžete začít pracovat ve vašem právě vytvořeném systému.

Možná vylepšení

Dále můžete provést drobná (či větší) vylepšení svého nového systému, která vám mohou zjednodušit další práci.

Můžete připojit souborový systém /proc, aby fungovaly příkazy jako např. ps (výpis běžících procesů). Příkaz spusťte v emulátoru, ne na vaší pracovní stanici.
```
mount -t proc none /proc
```

V RAM-disku můžete vytvořit soubor /etc/init.d/rcS, který bude obsahovat příkazy, které budou spuštěny při bootu systému.

mkdir -p _install/etc/init.d cat <<EOF >_install/etc/init.d/rcS
#!/bin/sh
mount -t proc none /proc
echo Nazdar!!!!
EOF
chmod +x _install/etc/init.d/rcS # nastavení spustitelnosti

Nyní musíte znovu vytvořit RAM-disk a nabootovat.

Zachytávání zpráv jádra spuštěného v emulátoru QEMU do souboru. Zprávy jádra je možné přesměrovat na virtuální sériový port a odtamtud pak například na standardní výstup:
```
qemu -serial stdio ...
```
a jádru předáme parametr console=ttyS0
```
qemu -serial stdio -append console=ttyS0 ...
```
Pokud chcete z vašeho systému komunikovat po síti, připojte ho na vnější síť pomocí NAT na uživatelské úrovni:
```
qemu -net nic,vlan=0,model=ne2k_pci -net user,vlan=0 ...
```

Tipy a triky

Pokud je Qemu spouštěný přes vzdálené připojení (např. server postel), je potřeba pro zobrazení emulované obrazovky spouštěného stroje buď provést protunelování X protokolu (ssh -X) nebo používat Qemu s emulací obrazovky v textovém režimu qemu -curses. Další možnost je emulovat HW bez grafické karty qemu -nographic a nastavit testovaný systém tak, aby systémová konzole směřovala na sériový port (-append console=ttyS0).
Pokud vám systém nenastartuje s chybou “Failed to execute /init” zkontrolujte si, že v cílovém filesystému (ramdisk) máte všechny knihovny které busybox potřebuje ke svému běhu a zda jsou tyto knihovny ve správných adresářích (viz ldd _install/bin/busybox)