2025 年春季「Linux 核心設計」第 8 週測驗題

--- tags: linux2025 --- # [2025q1](https://wiki.csie.ncku.edu.tw/linux/schedule) 第 8 週測驗題 :::info 目的: 檢驗學員對 LKMPG 及 CPU 排程器的認知 ::: ==[作答表單: 測驗 `1`](https://docs.google.com/forms/d/e/1FAIpQLScs0R8eQr-YTrSjj8cV956Ese2OMA2wAZWjw4zuHEmJMq5LoA/viewform?usp=dialog)== ### 測驗 `1` [第一份作業](https://hackmd.io/@sysprog/linux2025-lab0)提及[修改過的 `tiny-web-server`](https://hackmd.io/@sysprog/linux2025-lab0/%2F%40sysprog%2Flinux2025-lab0-c)，讓學員及早理解電腦網路通訊、[客戶—伺服器通訊模型](https://en.wikipedia.org/wiki/Client%E2%80%93server_model)，還有相關的 socket 程式設計 (對照 [CS:APP 第 11 章](https://hackmd.io/@sysprog/CSAPP-ch11))。為了檢驗學員對於 [LKMPG](https://sysprog21.github.io/lkmpg/) 的認知，我們開發一套 Linux 核心模式的網頁伺服器 (in-kernel web server)，命名為 `kweb`，展示如何在 Linux 核心內部直接建立 TCP 伺服器。 `kweb` 在指定的埠號（port number，預設 `9999`）進行監聽，並在接收到連線後提供簡易的 HTTP 回應。其主要流程如下： 1. 建立與監聽 socket - 使用 `__sock_create()`（或 `sock_create_kern()`）在指定網路名稱空間（net namespace）中建立 TCP socket - 綁定（bind）到指定的 IP 和埠號，並呼叫 `kernel_listen()` 進行監聽 - 於 socket 收到新連線時，由 `sk_data_ready` 函式觸發 [work item](https://docs.kernel.org/core-api/workqueue.html)，負責呼叫 `kernel_accept()` 來接受連線 2. 接受新連線 - 藉由 `kernel_accept()` 取得新的 `client_sock`，並將其包裝在一個工作結構（`struct client_work_queue`）中 - 使用 `schedule_work()` 將實際處理客戶端的流程排入系統工作佇列，使每個連線皆可在獨立的 work context 處理 3. 回應客戶端 - 在 `client_handler()` 中，`kweb` 使用 `sock_sendmsg()` 或 `kernel_sendpage()` 傳送固定的 HTTP 回應給客戶端 - 該回應包含簡單的標頭（`HTTP/1.1 200 OK`）以及測試訊息；另外也加入了 `Content-Length` 等標頭，使其符合標準的 HTTP 格式 4. 狀態控制 (藉由 sysfs) - `kweb` 會在 `/sys/kernel/webserver/net/data/status` 建立一個屬性檔 (attribute)，並以讀寫檔案的方式來啟用或停用伺服器。 - 停用伺服器時，會先取消（cancel）與清空（flush）正在等待的接受連線工作，以避免 race condition；然後才真正釋放監聽中的 socket 5. 多網路[名稱空間](https://man7.org/linux/man-pages/man7/namespaces.7.html) (netns) 支援 - 以 `netns_subsys_ops` 配合 Linux 的 per-net 機制，在不同的網路名稱空間中維持獨立的伺服器實例 (instance) - 從使用者端看來，可以藉由 `unshare -t net` 建立新 netns，並在該空間中掛載 sysfs 後，使用同樣的啟停方式來管理伺服器。以下為使用 kweb 的範例操作方式，並以繁體中文進行說明。此範例以預設的埠號 9999 舉例，您可在載入模組時透過參數改成其他埠號。考慮以下 `Makefile` 內容: (注意 tab) ``` MODNAME := kweb obj-m += $(MODNAME).o KVER ?= $(shell uname -r) KSRC ?= /lib/modules/$(KVER)/build all: make -C $(KSRC) M=$(PWD) modules clean: make -C $(KSRC) M=$(PWD) clean ``` 編譯核心模組: `make`，完成後會產生一個名為 `kweb.ko` 的可載入模組檔 (LKM)。隨後使用以下命令將 `kweb` 模組載入核心： ```shell $ sudo insmod kweb.ko [host=0.0.0.0] [port=9999] ``` - `host`：要綁定的 IP 位址（若不指定，預設為 `0.0.0.0`，表示在所有網卡監聽） - `port`：要監聽的 TCP 埠號（若不指定，預設為 9999）載入後，`kweb` 會在 `/sys/kernel/webserver/net/data` 中建立名為 `status` 的屬性檔案，用來控制伺服器的啟用與停用。 * 啟用伺服器: `echo 1 | sudo tee /sys/kernel/webserver/net/data/status` 一旦啟用，kweb 會在指定（或預設）的 IP：9999 上開始監聽。 * 測試連線: 可用 `nc`（netcat）或 `curl` 進行測試。例如 `nc 127.0.0.1 9999`。若成功連線，應可看到包含 `HTTP/1.1 200 OK` 與訊息內容的回應 * 停用伺服器: `echo 0 | sudo tee /sys/kernel/webserver/net/data/status` Namespace 使用方式: 1. 建立與進入新網路名稱空間。利用以下命令產生並進入一個新的 netns（只影響該 shell）： ``` $ sudo unshare -t net sh ``` 進入後，可以執行 `ip a` 查看新 netns 裡可用的網路介面。如果還沒啟用 lo（127.0.0.1），可以： ``` $ ip addr add 127.0.0.1/8 dev lo $ ip link set lo up ``` 2. 在新 netns 中掛載 sysfs。為了操作 kweb 的 sysfs 介面，需要在新 netns 中掛載 sysfs： ``` mkdir /mnt/sysfs mount -t sysfs sysfs /mnt/sysfs ``` 之後即可在 `/mnt/sysfs/kernel/webserver/net/data/status` 找到相同的 `status` 屬性檔。 3. 啟用伺服器（新 netns 與前述方式相同： ``` echo 1 | sudo tee /mnt/sysfs/kernel/webserver/net/data/status ``` 此時只會在新 netns 中開啟一個獨立的伺服器埠（同一個 IP:Port），與原本的 netns 互不影響。 4. 回到舊 netns - 離開該 shell 即可回到原先 netns（或在另一個終端視窗操作原本的 netns） - 新 netns 內啟用的伺服器依然存在，直到您將模組移除或在該 netns 中將其停用當您不再需要此網頁伺服器時，可用以下命令將模組從核心卸載，並同時停止所有網路名稱空間中的 `kweb` 伺服器： ```shell $ sudo rmmod kweb ``` 此動作也會移除 `/sys/kernel/webserver` 相關路徑。 `kweb.c` 的主要程式碼可見 [kweb.c](https://gist.github.com/jserv/8f6b00ef84b72a6f17a8bbf0827e24c9)。作答規範: * `AAAA`, `BBBB`, `CCCC`, `DDDD` 皆為有效的 C 語言表示式，且該依循一致的程式碼風格 (注意空白字元！) * `AAAA` (第 158 行) 和 `DDDD` (第 208 行) 包含 `container_of` 巨集 * `BBBB` 和 `CCCC` 該使用 Linux [workqueue](https://docs.kernel.org/core-api/workqueue.html) 提供的函式呼叫 * 均不包含分號 (即 `;`) 並以最精簡的形式書寫 :::success 延伸問題: 1. 解釋上述程式碼運作原理 2. 以上述 kweb 為基礎，借助[第 6 份作業](https://hackmd.io/@sysprog/linux2025-ktcp)的基礎，改善程式碼的效能和並行能力 :::