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Linux 内核裁剪框架初探

大约是在2000年的时分,老码农还很年青,当时希望将Linux作为手机的操作体系,所以才有了进行内核裁剪的想法并辅助实践,作用尚好,已经能在PDA上履行手机的功用了。一晃20多年过去了,Linux已经有了太大的改变,内核裁剪的技能和办法也有了较大的不同。
Linux的内核裁剪是为了削减方针运用中不需求的内核代码,在安全性和高功用(快速发动时刻和削减内存占用)方面有着显著的好处。可是,现有的内核裁剪技能有其约束性,有没有内核裁剪的结构化办法呢?
1.关于内核裁剪
近年来,Linux操作体系在复杂性和规划上都在添加。可是,一个运用程序一般只需求一部分OS功用,众多的运用需求导致了Linux内核的胀大。操作体系的内核胀大相同导致了安全性隐患、发动时刻变长和内存运用的添加。
跟着服务化和微服务的盛行,进一步提出了对内核裁剪的需求。在这些场景中,虚拟机运转小型运用程序,每个运用程序往往是“微型”的,内核占用较小,一些虚拟化技能要为方针运用程序供给最简略的Linux内核。
鉴于操作体系的复杂性,经过手艺挑选内核特性来裁剪内核有些不切实际。例如,Linux有超过14,000+个装备选项(到v4.14),每年都会引进数百个新选项。内核装备器(例如KConfig)只供给用于挑选装备选项的用户界面。鉴于糟糕的可用性和文档的不完好性,用户很难挑选最小且有用的内核装备。
现有的内核裁剪技能一般遵循三个步骤:
运转方针运用程序的作业负载并盯梢在运用程序运转期间履行的内核代码;
剖析盯梢并确认方针运用程序所需的内核代码,
拼装一个只包括运用程序所需代码的内核裁剪。
装备驱动的是内核裁剪的一般办法,大多数现有的东西运用装备驱动技能,由于它们是为数不多的能够产生稳定内核的技能之一。装备驱动的内核重载依据功用特性削减了内核代码,装备选项对应于内核的功用,裁剪后的内核只包括用于支撑方针运用程序作业负载的功用。
可是,尽管内核裁剪技能在安全性和功用方面十分吸引人,但在实践中并没有得到广泛采用。这并不是由于缺少需求,实际上,许多云供货商手艺编写Linux内核来削减代码,但一般不如内核裁剪技能有用。

 

Linux
2.现有内核裁剪技能的约束
现有内核裁剪技能有五个首要的约束性。
在引导阶段不行见。现有技能只能在内核引导后发动,依靠于ftrace,因而无法观察在引导阶段加载了哪些内核代码。假如内核中缺少关键模块,内核一般无法发动,而大量的内核功用特性只能经过观察引导阶段来捕获。此外,关于功用和安全性相同只在引导时加载(例如,用于多核支撑的CONFIGSCHEDMC和CONFIGSECURITYNETWORK),导致了功用和安全性下降。
缺少对运用程序布置的快速支撑。运用现有的东西,面向内核裁剪来布置一个新的运用程序需求完结盯梢、剖析和拼装这三个步骤。这个进程十分耗时,有或许需求几个小时乃至几天,阻碍了运用布置的敏捷性。
粒度较粗。运用ftrace只能在函数级盯梢内核代码,粒度太粗,无法盯梢影响函数内代码的装备选项。
掩盖不完全。由于运用动态盯梢,所以需求运用程序作业负载来驱动内核的代码履行,以最大限度地扩大掩盖规模。可是,基准测验掩盖是具有挑战性的,而且,假如运用程序有在盯梢期间没有观察到的内核代码,那么裁剪后的内核或许会在运转时崩溃。
没有区别履行依靠,或许存在冗余。即便实际上或许并不需求履行的代码,也或许包括在了内核功用特性中,例如,或许初始化了第二个文件体系。
前三个约束是能够战胜的,能够经过改善设计和东西加以解决,然后两个约束是在所难免,需求在详细的技能之外作出努力。
 3.Linux的内核装备
3.1装备选项
内核装备由一拼装备选项组成。一个内核模块能够有多个选项,每个选项都操控哪些代码将包括在终究的内核二进制文件中。
装备选项操控内核代码的不同粒度,例如由C预处理器完结的句子和函数,以及依据Makefile完结的方针文件。C预处理器依据#ifdef/#ifndef挑选代码块,装备选项用作宏界说,以确认是否在编译后的内核中包括这样条件的代码块,能够是句子粒度或者函数粒度。Makefile用于确认是否在编译后的内核中包括某些方针文件,例如,CONFIG_CACHEFILES就是Makefile中的装备选项。
句子级装备选项不能经过现有内核裁剪东西所运用的函数级盯梢来辨认。事实上,Linux4.14中30%左右的C预处理器是句子级选项。
跟着内核代码和功用特性的快速添加,内核中的装备选项数量也在敏捷添加,以Linux内核3.0以上版别都有1万多个装备选项。
3.2.装备语言
Linux内核运用KConfig装备语言来指示编译器在编译后的内核中包括哪些代码,允许界说装备选项以及它们之间的依靠联系。
KConfig中装备选项的值或许是bool、tristate或constant。bool意味着代码要么被静态编译成内核二进制文件,要么被排除在外,而tristate允许代码被编译成一个可载入中心模组,即一个能够在运转时加载的独立方针。constant能够为内核代码变量供给字符串或数值。一个选项能够依靠于另一个选项,KConfig运用了一个递归进程,经过递归挑选和撤销依靠项。终究的内核装备具有有用的依靠联系,但或许与用户输入不同。
3.3.装备模板
Linux内核附带了许多手艺制作的装备模板。可是,由于装备模板的硬编码特性并且需求人工干预,它们不能适应不同的硬件渠道,也不了解运用程序的需求。例如,由tinyconfig构建的内核不能在规范硬件上发动,更不用说支撑其他运用了。有些东西将localmodconfig视为最小化的装备,可是,localmodconfig与静态装备模板具有相同的约束性,它不会发动操控句子级或函数级C预处理器的装备选项,也不会处理可加载的内核模块。
kvmconfig和xenconfig模板是为在KVM和Xen上运转的内核而定制的。它们供给例如底层虚拟化和硬件环境的范畴常识。
3.4.云中的Linux内核装备
Linux是云服务中占主导地位的操作体系内核,云供货商都在必定程度上放弃了一般的Linux内核。云厂商的定制一般是经过直接删去可加载的内核模块来完结的,手艺修剪内核模块二进制文件的问题是或许会违反依靠联系。重要的是,依据运用程序需求能够进一步裁剪内核。例如,AmazonFireCracker内核是一个专门用于函数即服务的微型虚拟机,运用HTTPD作为方针运用程序,在保证功用和功用提高的一起,使内核裁剪完结了更大程度的最小化。
4.内核裁剪的思考
针对约束一,是否能够运用来自QEMU的指令级盯梢来完结引导阶段的可见性呢?这样,就能够盯梢内核代码并将其映射到内核装备选项。已然引导阶段关于生成可引导内核至关重要,运用hypervisor供给的盯梢特性来取得端到端的可观察性并生成稳定的内核。
针对约束二,依据在NLP深度学习中的经验,能够运用离线和在线结合的办法,给定一组方针运用程序,能够直接离线生成的App装备,再和基线装备组合成完好的内核装备,然后生成一个裁剪后的内核。这种可组合功用够经过重用运用装备和曾经构建的文件(例如内核模块)来增量地构建新内核。假如方针运用程序的装备已知,就能够在几十秒内完结内核裁剪。
针对约束三,运用指令级盯梢能够解决操控函数内部功用特性的内核装备选项,指令级盯梢的开销关于运转测验套件和功用基准来说是能够承受的。
针对约束四,运用依据动态盯梢的一个根本约束是测验套件和基准的不完善,许多开源运用程序测验套件的代码掩盖率较低。组合不同的作业负载来驱动运用程序能够在必定程度上减轻这种约束。
针对约束五,经过删去在基线内核中履行但在实际布置运转时不需求的内核模块,能够运用特定于范畴的信息进一步加载内核。以Xen和KVM为例,能够依据xenconfig和kvmconfig装备模板进一步削减内核巨细。面向运用程序的内核裁剪能够进一步削减内核巨细乃至广泛地定制的内核代码。
5内核裁剪结构初探
内核裁剪结构的原理没有变,依然是盯梢方针运用作业负载的内核占用状况,以确认所需的内核选项。
5.1内核裁剪结构的中心特性
内核裁剪结构大约能够具有以下特性:
端到端的可见性。利用虚拟机监控程序的可见性来完结端到端的观察,能够盯梢内核引导阶段和运用程序作业负载,能够测验在QEMU的基础上建造Linux内核的裁剪结构。
可组合性。一个中心思想是经过将内核装备划分为若干拼装备集,使内核装备能够组合,用于在给定的布置环境上引导内核,也能够用于方针运用程序所需的装备选项。装备集分为两种:基线装备和运用装备。基线装备不必定是在特定硬件上引导所需的最小装备集,而是在引导阶段盯梢的一拼装备选项。基线装备能够与一个或多个运用装备组合在一起,以生成终究的内核装备。
可重用性。基线装备和运用装备都能够存储在数据库中,并且只需布置环境和运用程序的二进制文件不变就能够重用。这种可重用性避免了重复盯梢作业负载的运转,使得装备集的创立成为一次性的作业。
支撑快速运用布置。给定一个布置环境和方针运用程序,内核裁剪结构能够有用地检索基线装备和运用装备,并将它们组合成所需的内核装备,然后运用生成的装备构建废弃的内核。
细粒度装备盯梢,依据程序计数器的盯梢来辨认依据初级代码形式的装备选项。
5.2内核裁剪结构的体系结构
内核裁剪结构应该一起具有离/在线体系,体系结构如下图所示:
经过离线体系,装备盯梢器用于盯梢布置环境和运用程序所需的装备选项,并记录下来。装备生成器将这些选项处理成基线装备和运用装备选项,并将它们存储在装备数据库中。
经过在线体系,装备组合器运用基线装备和运用装备来生成方针内核装备,然后,内核构建器生成裁剪后的Linux内核.
5.3内核裁剪结构的完结可行性
装备盯梢
内核裁剪结构的装备盯梢器在方针运用程序驱动的内核履行期间盯梢装备选项,运用PC寄存器捕获正在履行的指令的地址。为了保证被盯梢的PC属于方针运用程序,而不是其他进程(例如,后台服务),能够运用了一个定制的init脚本,该脚本不发动任何其他运用程序,只挂载文件体系/tmp、/proc和/sys,启用网络接口(lo和eth0),最终在内核引导后直接发动运用程序。
一起,或许需求禁用内核位址空间装备随机载入,以便能够正确地将地址映射到源代码,但在裁剪后的内核中依然能够运用。然后,将PC映射到源代码句子。可加载的内核模块需求额外的处理,能够运用/proc/module获取每个加载的内核模块的起始地址,将这些PC映射到内核模块二进制中的句子。另一种办法是利用localmodconfig,可是,localmodconfig只供给模块粒度级别的信息。
最终,将句子归属于装备。关于依据C预处理器的形式,剖析C源文件以提取预处理器指令,然后检查这些指令中的句子是否被履行。关于依据Makefile的形式,确认是否应该在方针文件的粒度上挑选装备选项。例如,假如运用了任何相应的文件(bind.o、achefiles.o或daemon.o),则需求挑选CONFIG_CACHEFILES。
装备生成
基线装备和运用装备是在离线体系中生成的。如何判断发动阶段结束呢?能够运用mmap将一个空的存根函数映射到一个预界说地址段,上述的初始化脚本在运转方针运用程序之前调用调用存根函数,因而,或许依据PC盯梢中的预界说地址来辨认引导阶段的结束。
内核裁剪结构从运用程序中获取装备选项,并过滤掉在引导阶段观察到的与硬件相关的选项。这些硬件特性是依据它们在内核源代码中的位置界说的。不排除这样的或许性,即与硬件相关的选项只能在运用程序履行期间观察到,例如,它依据需求加载新的设备驱动程序。
装备拼装
将基线装备与一个或多个运用装备组合在一起,能够以生成用于构建内核的终究装备。首先,将一切装备选项并入一个初始装备,然后运用SAT求解器解决它们之间的依靠联系。测验将装备依靠性建模为一个布尔可满意性问题,有用装备是指满意装备选项之间一切指定依靠性的装备。由于KConfig并不保证包括一切选定的选项,而是撤销挑选未满意的依靠项,所以才要依据SAT求解器对内核装备进行建模。
内核构建
运用于Linux的KBuild依据拼装后的装备选项构建裁剪内核,利用现代make的增量构建能够优化构建时刻,也能够缓存曾经的构建结果(例如,方针文件和内核模块),以避免冗余的编译和链接。当产生装备更改时,只有对装备选项进行更改的模块从头构建,而其他文件能够重用。
6.小结
由于操作体系内核的不稳定性、时效性较差、完好性问题以及需求人工干预等原因,Linux内核裁剪技能没有得到广泛的运用。了解了现有技能的约束性,测验提出一个Linux内核裁剪结构,或许能够解决这些问题。

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