情報システム実験：カーネルハック

担当教員

新城 靖 <yas@cs.tsukuba.ac.jp>

実施学期

春ABC

実験の概要

オペレーティング・システムのカーネル内で動作するプログラムの作成する。 新しいシステム・コールやデバイス・ドライバを追加する。VMware 等の仮想計 算機を用いる。

■連絡事項

2025/04/01

電子メールで連絡します。 @coins.tsukuba.ac.jp の電子メールを読んで下さい。 コンピューティング環境/mail環境 参照。 https://www.coins.tsukuba.ac.jp/webmail/ も使えます。

2025/04/01

この実験では、Manaba のコース 「 情報システム実験A K-12 カーネルハック 」 を使います。 レポート提出に使います。 このテーマを選択した人を、新城が登録します。

2025/04/22

2025 年度は、4月23日水曜日 13:45 から説明会を行います。 3C206実習室 の azalea24 の近くに集まりなさい。 12:15から13:45 も、実験を進めなさい。 TA から説明を聞き、 以下の Wiki も含めて、Linux カーネルのコンパイル、 および、仮想計算機モニタの使い方に関する様々な資料を収集しなさい。

2025/04/23

Wiki を作成しました。

2025/04/23

レポートを2通、Manaba から提出しなさい。

• 中間レポート: 課題1から課題3まで。締切6月6日 17:00。
• 最終レポート: 課題4以降。締切8月6日 17:00。

■出席(K-12)

いずれも、coins のユーザ名とパスワードが必要です。ユーザ名とパスワード を打つ時には、SSL が有効になっていることを確認してください。また、URL が https://idp.coins.tsukuba.ac.jp/で始まっ ていることを目で確認して下さい。

■実験課題

課題1-4を必須とする。課題5以降から3つ以上選択して回答しなさい。

◆課題1 カーネルのコンパイルとパラメタの設定

レポートには、同じことを再び行う場合に必要な情報を含めなさい。

◆課題2 カーネルのリモート・デバッグ

• ブレークポイントの設定と実行継続
• ソースコードの表示
• バックトレース
• スタックフレームの選択
• ステップ実行
• 変数の表示

レポートには、その選択したシステム・コールをステップ実行した結果を含め なさい。また、ステップ実行の結果、そのシステム・コールの動作を理解しな さい。そして、そのシステム・コールの動作の簡単な説明をレポートに含めな さい。

◆課題3 システムコールの追加

• ユーザ空間から引数を2つ以上とる。
• 引数のうち1つは、必ずの番地を指定する。番地の先には、可変長のデー タがあるものとする。可変長のデータの置き方は、open() システム・コールや read() システム・コール等、既存のシステム・コールと類似の方法を用いるこ と。
• 結果を返す。結果は、レジスタか、または、与えられた番地に返す。

• 無効な引数とアクセス権に関してエラー処理を含む。 不正な番地が与えられた場合、エラー(EFAULTなど)を返す。 不正な整数が与えられた場合、エラー(EINVALなど)を返す。
• メモリ・リークがない。kmalloc() 等で確保したメモリは、利用されな くなった時に必ず開放すること。 カーネル内で確保するメモリの上限を設定し、 ユーザ空間からなされる、大きなメモリを確保させるような攻撃に耐える。
• スタック上に大きなデータを置かない。
• デバッグ目的を除き、printk() 等による表示をしない。 デバッグ終了後は、表示を削除すること。

1. システム・コールの番号を割り当てる。
2. 他のシステム・コールにならい、エントリ関数を定義し、登録する。 最初は、何もしない関数、または、コンソールにメッセージを表示する を登録する。最初は、引数がなくてもよい。
3. ユーザ・プログラムからシステム・コールを発行するプログラムを 作成する。
4. 4. を実行し、デバッガ等で動作を確認する。
5. システム・コールの簡単なロジックを、ユーザ・レベルのプログラムで 記述し、動作を確認する。この時、カーネル内のＡＰＩを利用する場合は、 ダミーの関数を定義する。
6. ユーザ空間から引数を取り込む部分を記述する。
7. 6. のロジックをカーネルに移動させる。
8. 結果をユーザ空間に返す部分を記述する。

◆課題4 デバイス・ドライバの作成

• open() により、なんなかの初期化を行う。
• write() によりデータをユーザ空間からコピーする。
• read() によりデータをユーザ空間にコピーする。
• read() と write() に大きなバッファを与えて1度に読み書きした時と、 小さなバッファを与えて繰り返し呼び出した時と、同じ内容が読み書きできる こと。
• ioctl() として３つ以上のサブコマンドを持つ。そのうち１つは、内部 の状態を設定するもの、そのうち１つは、内部の状態を取得するものであること。
• これらのシステム・コールは、一般ユーザの権限でも実行できるようにす ること。

◆課題5 /proc ファイル・システムの作成

read() と write() に大きなバッファを与えて1度に読み書きした時と、小さ なバッファを与えて繰り返し呼び出した時と、同じ内容が読み書きできること。

lseek() システム・コールに対応すること。

ファイルの読み書きは、一般ユーザの権限でも実行できるようにすること。

◆課題6 定期的な仕事

• カーネル・スレッドを用いる方法。
• Linux struct timer_list, Linux struct hrtime, BSD struct callout_handle 等を用いる方法。

◆課題7 ファイルシステムの追加

◆課題8 ユーザレベルでのファイルシステムの追加

◆課題9 トレース機能の利用

• eBPF, perf, ftrace
• DTrace
• SystemTap
• Kprobes
• その他類似の機能

◆課題10 その他

◆課題11 別のオペレーティングシステムでの実験

■ヒント

• 既存のファイルに自分のコードを追加すると、Makefile 等の修正は不用 になる。
• コンパイルする時、ヘッダファイルは、ホストの /usr/include の下に あるものではなく、開発中のカーネルのものを利用する。それには、gcc の -I オプションを使うとよい。
• ユーザ空間から渡されたポインタ（メモリの番地）を信用してはならない。 ポインタを利用する前に検査する必要がある。一般的には、ユーザ空間とカー ネル空間は別のプログラムなので同じ番地でも別の内容を含むことがある。た だし、x86 アーキテクチャでは、ユーザとカーネルでアドレス空間が同じにし ている OS が多い。 ポインタの利用には、strlen() などの関数によるアクセスも含む。
• ユーザ空間からポインタで渡されたデータは、カーネル空間にコピーして から利用する。ポインタが不正な場合等に、コピーに失敗することがある。コ ピーに成功したか失敗したかを必ずチェックする。

■レポート作成の注意

◆文書整形システム

• レポートは、ワードプロセッサ、または、LaTeX 等文書整形システムを 用いて作成すること。
• ワードプロセッサを用いる時には、 コンピュータリテラシの資料 を参考にして、必ずスタイルを使うこと。図はページの端に寄せること。レポー トにプログラムを含める時には、そのためのスタイルを定義し、「文字数と行 数」で、「標準の文字数を使う」を調整し、1ページに60行程の行間で含める こと。
• レポートには必ず図を含めること。図にはキャプションをつけ、本文中 から図番号で参照すること。Markdown を使うものは、図の扱いが弱いので、 レポート作成には適していない。
• 　作成したプログラムを記載すること．シンタックス・ハイライトを無効 にすること．プログラムの表示で色を使うのは、レポートで強調したい所だけ にすること.
• 各課題でアルゴリズム，方式，内部動作の説明 プログラム中で使用しているアルゴリズムや方式の採用理由とその内容を分かりやすく説明すること．
• 最終的に A4 用紙 (PDF) を作成して提出する。

◆プログラムの仕様

• 各課題で、man ページと同程度の詳しさで仕様を記述しなさい。
• 引数の範囲、返り値、エラーの説明を含めなさい。

◆実行結果

• 実行環境（仮想計算機モニタ、ホストOS等），および，実行結果を記載すること．
• 各課題で実行結果として、まず正しいパラメタが指定され、期待通りに正しく 動く例を示しなさい。プログラムがきちんと動作していることを示すために必 要かつ十分なものになるようにすること。
• 各課題で、実行結果として、不正なパラメタが指定されも、きちんとエラーが 返される例を、4例以上示しなさい。特に、ポインタとして不正なものが指定さ れた時や、不正な長さが指定された時を含めなさい。(各課題で、4例以上。全 体で4例以上ではない。)
• 実行結果の入力部と出力部がはっきりとわかるように工夫すること．
• 実行例を考える際には，どういう例を付せば，実現すべき機能が動作していることを示せるかをよく考えること．

• 実行結果が付されていない機能に関しては，実現されなかったものとみなす．

◆開発環境

• プログラム開発に使用したプログラミング言語，言語処理系，オペレーティングシステム，計算機機種，ライブラリ等を記載すること．

◆参考文献，感想

• プログラミングおよびレポート作成の際に参考にした参考文献を記載すること．
• プログラムの作成に要した時間，および，本レポートの作成に要した時間を記載すること．プログラムモジュールごとの開発時間を記載してもよい． プログラミングおよびレポート作成の際の感想を記載すること．

■関連ページ

• 去年(2024年)の「オペレーティングシステムII」ページ
• 去年(2024年)のページ
• 情報システム実験
• 情報システム実験/K3 システムプログラム(2025年)
• システムプログラム(2025年)
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