Introduktion

Att bygga din egen Linuxkärna är en avancerad och utbildande process som ger insikt i systemets innersta funktioner. Den här artikeln går igenom stegen för att bygga en anpassad kärna på Ubuntu, från förberedelser till installation och efterföljande steg.

Förberedelser

Uppdatera och Uppgradera Systemet

Först och främst, se till att ditt Ubuntu-system är uppdaterat för att undvika kompatibilitetsproblem:

sudo apt update
sudo apt upgrade

Installera Nödvändiga Paket

För att bygga kärnan behöver du vissa verktyg och bibliotek:

sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev

Ladda Ner och Förbered källkoden till linux kärnan.

Hämta källkoden till kärnan.

Ladda ner källoden till linux kärnan från kernel.org eller använd git för att klona kärnans git-repositorium:

git clone https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git

Konfigurera Kärnan

Använd make menuconfig

Kör make menuconfig för en interaktiv konfigurationsgränssnitt:

make menuconfig

Här kan du anpassa kärnans konfiguration efter dina behov. När du är klar, spara och avsluta.

Konfigurering av Linuxkärnan med make menuconfig: En Översikt

När det gäller att anpassa och bygga en Linuxkärna är make menuconfig ett kraftfullt och populärt verktyg. Denna textbaserade konfigurationsgränssnitt låter användare detaljerat anpassa sin kärna för att möta specifika krav och hårdvarupreferenser. Här är en djupgående titt på de olika alternativen och kategorierna som dyker upp i make menuconfig.

1. Processor Type and Features

Detta är avgörande för att optimera kärnans prestanda för specifik hårdvara.
När det gäller kompilering av Linux-kärnan är ”Processor Type and Features” en kritisk del av konfigurationsprocessen. Denna del innefattar inställningar och val som direkt påverkar hur kärnan kommer att interagera med och utnyttja den specifika processorn i systemet. Här är några nyckelpunkter:

1. Val av Processorarkitektur:
   Detta är en av de första och mest grundläggande stegen. Du måste ange vilken processorarkitektur kärnan ska kompileras för, till exempel x86, x86_64, ARM, etc. Detta påverkar vilken uppsättning av instruktioner och funktionalitet som kommer att inkluderas i den kompilerade kärnan.
2. Processorfamilj och Specifika Funktioner:
   Inom en given arkitektur kan du behöva specificera en mer specifik processorfamilj (till exempel Intel Core i7, AMD Ryzen, etc.). Detta optimerar kärnan för de specifika funktionerna och förmågorna hos den valda processorfamiljen.
3. Optimeringsnivåer:
   Kompilatorer som GCC tillåter olika optimeringsnivåer, som kan justeras beroende på processor. Vissa optimeringar kan förbättra prestandan för specifika processorfunktioner, som cacheminne och parallellbearbetning.
4. Instruktionsuppsättningar:
   Modernt processorer stöder olika utökade instruktionsuppsättningar som SSE, AVX (på x86/x86_64) eller NEON (på ARM). Aktivera stöd för dessa i kärnkonfigurationen kan förbättra prestanda för vissa operationer.
5. Multitrådning och Kärnor:
   Om din processor har flera kärnor eller stöd för multitrådning (som Hyper-Threading på Intel-processorer), kan det vara viktigt att konfigurera kärnan för att dra full nytta av dessa funktioner.
6. Advanced Power Management Features:
   Detta innefattar konfigurationer för energihantering och effektivitetsfunktioner som C-states och P-states, vilket är särskilt viktigt för bärbara datorer och energieffektiva system.
7. Virtualiseringsteknik:
   Om din processor har stöd för virtualiseringstekniker som Intel VT eller AMD-V, kan dessa alternativ aktiveras i kärnkonfigurationen för bättre prestanda och säkerhet i virtualiserade miljöer.
8. Kernel Security Features:
   Beroende på processorns förmågor kan vissa säkerhetsfunktioner som SMEP (Supervisor Mode Execution Protection) eller SMAP (Supervisor Mode Access Prevention) konfigureras för att förbättra systemets säkerhet.

Att noggrant välja dessa inställningar när du kompilerar Linux-kärnan kan göra en betydande skillnad i systemets prestanda, energieffektivitet och stabilitet.

2. Power Management Options

Här konfigureras inställningar för strömhantering och energisparlägen. Användare kan anpassa funktioner som ACPI och olika CPU-idle-inställningar, vilket är viktigt för energieffektivitet.

”Power Management Options” under kompilering av Linux-kärnan avser ett set av konfigurationsinställningar som hanterar hur operativsystemet ska interagera med och styra hårdvarans energiförbrukning. Dessa inställningar är avgörande för att optimera batteritid och energieffektivitet i bärbara datorer och andra energikänsliga enheter. Här är några nyckelaspekter av dessa alternativ:

1. CPU Frequency Scaling:
   Detta gör det möjligt för kärnan att dynamiskt justera processorns klockfrekvens beroende på systemets belastning. En lägre frekvens används under perioder med låg belastning för att spara energi, medan högre frekvenser används under tung belastning för bättre prestanda.
2. Idle Power Management:
   Detta omfattar tekniker som CPU Idle, som låter processorn gå in i olika vilolägen (såsom C-states) när den inte är aktiv. Djupare vilolägen sparar mer energi men kan ta längre tid att vakna upp från.
3. Power Management for Peripheral Devices:
   Inkluderar stöd för att hantera strömförbrukningen av periferienheter som hårddiskar och nätverkskort, till exempel genom att låta dem gå in i lågenergilägen när de inte används.
4. ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) Support:
   ACPI är en standard för hårdvarugränssnitt som gör det möjligt för operativsystemet att kontrollera mängden ström som levereras till olika komponenter, vilket är centralt för avancerad energihantering.
5. Thermal Management:
   Detta inkluderar inställningar för att hantera systemets värmeutveckling, till exempel genom att justera fläkthastigheter eller minska processorns prestanda för att hålla temperaturen under kontroll.
6. Battery Management:
   För bärbara datorer, inkluderar detta funktioner för att övervaka och hantera batteristatus, som att ge information om batteriets hälsa och resterande batteritid.
7. Suspend and Hibernate:
   Stöd för energisparlägen som suspendering (där systemet står i ett lågströmläge men behåller data i RAM) och viloläge (där systemets tillstånd sparas till disk och strömmen stängs helt av).

Att noggrant konfigurera dessa alternativ under kärnans kompilering kan leda till betydande energibesparingar, särskilt i mobila eller batteridrivna enheter. Det kan dock kräva balansering mot prestandakrav, eftersom vissa energibesparande åtgärder kan minska systemets responsivitet eller prestanda.

3. Bus Options

När vi talar om ”Bus Options” på en teknisk nivå inom Linux, refererar vi till konfigurationsalternativ relaterade till olika bussar och gränssnitt som datorns hårdvarukomponenter använder för kommunikation. Dessa bussar kan inkludera PCI (Peripheral Component Interconnect), USB (Universal Serial Bus), I2C, och andra. Att förstå och korrekt konfigurera dessa bussoptioner är avgörande för optimal systemprestanda och hårdvarukompatibilitet.

Viktiga Aspekter av Bus Options i Linux

1. PCI/PCIe Konfiguration:

• PCI/PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) Bus:
  Denna buss används av många hårdvarukomponenter som grafikkort, nätverkskort och lagringsenheter.
• Linux PCI-subsystem:
  Linux-kärnan innehåller ett robust PCI-subsystem som hanterar upptäckt och konfiguration av PCI-enheter. Detta inkluderar att tilldela resurser som I/O-områden, minnesområden och IRQs (Interrupt Requests).

2. USB Systemkonfiguration:

• USB-hantering:
  För att hantera USB-enheter, behöver Linux-kärnan stöd för USB-protokollet, vilket inkluderar att identifiera och hantera anslutna enheter.
• Modulärt Stöd:
  Linux-kärnan tillhandahåller modulärt stöd för olika USB-versioner (som USB 2.0, USB 3.0) och klasser (som lagringsenheter, human interface devices).

3. I2C och SPI Busar:

• I2C (Inter-Integrated Circuit) och SPI (Serial Peripheral Interface): Dessa är seriella bussar ofta använda för att ansluta låghastighetsperiferienheter till moderkort, sensorer, och små inbyggda system.
• Linux-stöd:
  Linux innehåller drivrutiner för att hantera kommunikation över dessa bussar, vilket är särskilt viktigt i inbyggda system och för IoT-enheter.

4. Konfiguration via Device Tree eller ACPI:

• Device Tree (för ARM-baserade system): En datastruktur som används för att beskriva hårdvarukomponenter och deras konfiguration i system utan ett BIOS/UEFI, såsom många ARM-baserade system.
• ACPI (för x86-baserade system): Används för att upptäcka och konfigurera hårdvaruenheter och hantera energiförbrukning.

5. Direkt Minnestillgång (DMA):

• DMA-konfigurationer:
  DMA tillåter hårdvaruenheter att direkt läsa från och skriva till huvudminnet, vilket ökar dataöverföringshastigheten och minskar CPU-belastningen.
• Linux DMA API:
  Linux-kärnan tillhandahåller API:er för att hantera DMA-överföringar, vilket är avgörande för högpresterande system.

6. Anpassning och Optimering:

• Kärnalternativ:
  Erfarna användare och systemadministratörer kan anpassa Linux-kärnans konfiguration för att aktivera eller inaktivera stöd för specifika bussar och gränssnitt, baserat på specifika systembehov och hårdvarukonfigurationer.

Sammanfattning

”Bus Options” i Linux innebär en djupgående konfiguration och förvaltning av olika bussgränssnitt och kommunikationsprotokoll mellan systemets komponenter. Korrekt konfiguration av dessa alternativ är avgörande för systemets stabilitet och prestanda, och det spelar en ännu större roll i specialiserade tillämpningar som inbyggda system och högpresterande beräkningsmiljöer. Genom att finjustera dessa inställningar kan man optimera kommunikation och dataöverföringar mellan olika enheter i ett Linux-system.

Denna kategori inkluderar konfigurationer för olika bussystem, såsom PCI, USB och I2C. Det är viktigt för att säkerställa korrekt kommunikation och funktionalitet för ansluten hårdvara.

4. Executable File Formats / Emulations

Stöd för olika exekverbara filformat och emuleringar hanteras här, vilket är viktigt för systemets kompatibilitet med olika program och tjänster.

5. Device Drivers

En omfattande kategori som täcker drivrutiner för allt från grafik och ljud till nätverk och lagringsenheter. Detta är kritiskt för att säkerställa att all hårdvara fungerar korrekt med kärnan.

6. File Systems

Inställningar för olika filsystem, både interna och nätverksbaserade, hanteras här. Detta inkluderar populära filsystem som ext4 och Btrfs, samt nätverksfiler som NFS och CIFS.

7. Kernel Features

Grundläggande kärninställningar, som schemaläggning och minneshantering, finns här. Dessa inställningar är avgörande för systemets övergripande stabilitet och prestanda.

1. Stöd för specifik hårdvara:
   Du kan välja att inkludera eller utesluta stöd för viss hårdvara beroende på systemets behov. Till exempel kan du aktivera drivrutiner för specifika nätverkskort, grafikkort, eller andra enheter.
2. Filsystem:
   Du kan välja vilka filsystem som ska stödjas av kärnan. Detta kan inkludera vanliga filsystem som ext4, NTFS, eller Btrfs.
3. Säkerhetsfunktioner:
   Linux-kärnan innehåller olika säkerhetsfunktioner som SELinux, AppArmor, och andra säkerhetsmoduler som kan konfigureras.
4. Prestandainställningar:
   Du kan aktivera eller inaktivera olika prestandaförbättringar som CPU- och minnesoptimeringar.
5. Nätverksfunktioner: Detta kan inkludera inställningar för TCP/IP-stacken, nätverkssäkerhet, och andra relaterade funktioner.
6. Modulstöd:
   Du kan välja om vissa funktioner ska byggas direkt in i kärnan eller om de ska vara laddningsbara moduler.
7. Avancerade funktioner:
   Sådana som virtualisering, krypteringsstöd, och filsystemssnapshots.

Varje funktion eller egenskap som du väljer att inkludera eller utesluta kommer att påverka kärnans storlek, prestanda och funktionalitet. Konfigurationen görs vanligtvis före kompileringen genom verktyg som make menuconfig, make xconfig, eller make oldconfig, vilka erbjuder en användargränssnitt för att göra dessa val.

8. Networking Support

Detta område täcker nätverksrelaterade funktioner, inklusive olika protokoll, trådlöst stöd och brandväggsfunktioner, vilket är avgörande för systemets anslutningsmöjligheter.

Nätverksmöjligheterna som kan inkluderas eller påverkas vid kompilering av Linux-kärnan är många och varierar beroende på specifika användningsfall och konfigurationsbehov. Här är några av de viktigaste aspekterna:

1. Nätverksdrivrutiner: Möjligheten att inkludera eller utesluta specifika nätverksdrivrutiner beroende på hårdvaran som används. Detta kan vara drivrutiner för Ethernet-kort, trådlösa adaptrar, Bluetooth-moduler med mera.
2. Protokollstöd: Linux-kärnan stöder en mängd nätverksprotokoll, som TCP/IP, UDP, ICMP, och många andra. Användaren kan välja vilka protokoll som ska inkluderas i kärnan.
3. Säkerhetsfunktioner: Konfigurationen av nätverkssäkerhetsfunktioner som SELinux, AppArmor, och nätverksbrandväggar som iptables/netfilter.
4. Virtualisering och container-teknologier: Stöd för virtualiseringslösningar som KVM (Kernel-based Virtual Machine) och container-teknologier som Docker kan konfigureras.
5. Prestandaoptimeringar: Möjlighet att optimera nätverksprestandan genom att aktivera eller inaktivera specifika kärnfunktioner som TCP stack tuning, packet filtering, och network scheduling.
6. Nätverksfiler och filsystem: Stöd för nätverksfiler och filsystem, såsom NFS (Network File System) eller SMB (Server Message Block).
7. Trådlösa inställningar: För trådlösa nätverk kan olika moduler och drivrutiner väljas eller konfigureras för att förbättra anslutningen eller säkerheten.
8. Advanced Networking Features: Stöd för avancerade nätverksfunktioner som QoS (Quality of Service), bonding (kombinering av flera nätverksanslutningar för ökad genomströmning eller redundans), och VLAN (Virtual Local Area Network).

Det är viktigt att notera att val av nätverksfunktioner och -inställningar bör matcha användarens behov och den hårdvara som används. En felaktig konfiguration kan leda till problem med nätverksanslutning eller systemstabilitet.

9. Security Options

Säkerhetsfunktioner såsom SELinux, AppArmor och andra säkerhetsmekanismer hanteras här, vilket är avgörande för att skydda systemet mot externa hot.

Säkerhetsalternativ i Kompilering av Linuxkärnan

När det kommer till att bygga en säker och robust Linuxkärna, är valet av säkerhetsinställningar avgörande. Under kompileringsprocessen med make menuconfig eller liknande konfigurationsverktyg, erbjuds användare en rad säkerhetsrelaterade alternativ för att förbättra systemets skydd mot olika hot och angrepp. Här är en översikt över de viktigaste säkerhetsalternativen som finns tillgängliga i Linuxkärnan.

1. SELinux (Security-Enhanced Linux)

SELinux är ett kraftfullt säkerhetssystem som tillhandahåller mekanismer för att stödja åtkomstkontrollens säkerhetspolicy. Det är en uppsättning kärnpatchar och verktyg som ger en robust mekanism för åtkomstkontroll.

2. AppArmor

Liknande SELinux, är AppArmor en säkerhetsmodul som använder ett profilbaserat system för att begränsa programbehörigheter och aktiviteter, vilket bidrar till att minska riskerna för säkerhetsöverträdelser.

3. Smack (Simplified Mandatory Access Control Kernel)

Smack är ett lättviktigt MAC-system som är designat för enklare administration. Det erbjuder grundläggande men effektiva åtkomstkontrollfunktioner för att förbättra systemets säkerhet.

4. TOMOYO Linux

Detta är en säkerhetsmodul som fokuserar på att övervaka och begränsa systemets beteende. Det hjälper till att hålla koll på och kontrollera programaktiviteter.

5. Yama

Yama är en säkerhetsmodul som tillhandahåller ytterligare säkerhetsfunktioner, som till exempel begränsningar för ptrace-systemanropet, vilket är viktigt för att skydda systemet mot vissa typer av attacker.

6. Auditing

Ett system för att logga olika systemaktiviteter, vilket är viktigt för att spåra och identifiera potentiella säkerhetsproblem och intrångsförsök.

7. Kernel Hardening Options

Dessa inställningar är avsedda att stärka kärnans motståndskraft mot olika typer av attacker, inklusive skydd mot buffer overflow och andra vanliga säkerhetsbrister.

8. Stack Protector

Denna funktion syftar till att förhindra stack overflow-attacker genom att använda metoder som canaries för att upptäcka och förhindra stack corruption.

9. Restricting Access to Kernel Logs

Genom att begränsa åtkomsten till kärnloggar kan man förhindra att känslig information läcker ut eller utnyttjas av obehöriga.

10. Executable and File Protections

Inställningar för att förhindra exekvering av oönskad eller skadlig kod och för att skydda filsystemet från obehöriga förändringar.

11. Control Groups (cgroups)

Även om de främst används för resurshantering, kan cgroups också användas för att begränsa och isolera systemresurser för olika processer eller användare, vilket kan ha säkerhetsfördelar.

Dessa säkerhetsalternativ i Linuxkärnan är avgörande för att bygga ett robust och säkert system. Valet och konfigurationen av dessa alternativ kräver dock en god förståelse av deras funktioner och potentiella påverkan på systemets beteende och prestanda. Att konfigurera dessa alternativ korrekt kan betydligt förbättra systemets säkerhet och motståndskraft mot olika typer av hot och angrepp.

10. Cryptographic API

Här konfigureras kryptografiska algoritmer och verktyg, vilket är viktigt för säker dataöverföring och lagring.

Cryptographic API i Linux-kärnan är ett ramverk som tillhandahåller kryptografiska funktioner till olika delar av kärnsystemet samt till moduler och drivrutiner som körs i kärnutrymmet. Den är utformad för att vara flexibel och stödja en mängd olika kryptografiska algoritmer och lägen. Här är några nyckelaspekter:

1. Algoritmer och Funktioner: API:et stöder en mängd olika kryptografiska algoritmer, inklusive symmetrisk kryptering (som AES och DES), hash-funktioner (som SHA-1 och SHA-256), och asymmetriska krypteringsalgoritmer (som RSA). Det inkluderar också stöd för kryptografiska primitiver som digitala signaturer och nyckelutbyte.
2. Modulär Design: API:et är utformat för att vara modulärt, vilket gör det möjligt för utvecklare att lägga till stöd för nya algoritmer eller ersätta befintliga implementationer med specialiserade, kanske mer effektiva, versioner. Detta är särskilt användbart för hårdvaruaccelererade kryptografiska operationer.
3. Användning inom Kärnan: API:et används av kärnan för olika säkerhetsfunktioner, som kryptering av filsystem (till exempel i eCryptfs och fscrypt), säker kommunikation (till exempel via IPsec och TLS i kärnutrymmet), och för att säkerställa integriteten hos kärnmoduler.
4. Kryptoakceleration: API:et kan dra nytta av hårdvarubaserad kryptoakceleration när sådan hårdvara finns tillgänglig. Detta innebär att vissa kryptografiska operationer kan utföras mycket snabbare än om de utfördes i ren programvara.
5. Användargränssnitt: Förutom att användas internt i kärnan, exponerar API:et också funktioner till användarläge via olika gränssnitt, såsom /dev/crypto, vilket gör det möjligt för användarprogram att dra nytta av kärnans kryptografiska kapaciteter.
6. Säkerhet och Underhåll: Eftersom kryptografi är central för många säkerhetsaspekter, genomgår API:et och dess implementationer rigorösa säkerhetsgranskningar och regelbundet underhåll för att säkerställa att de är fria från sårbarheter och prestandaproblem.

Cryptographic API i Linux-kärnan är alltså en kritisk komponent för att upprätthålla säkerheten och integriteten i Linux-system, och den fortsätter att utvecklas och förbättras med tiden för att möta nya säkerhetsutmaningar och tekniska framsteg.

11. Library Routines

Standardbibliotek och rutiner som används av kärnan konfigureras här, vilket är viktigt för grundläggande systemfunktioner.

Varje kategori i make menuconfig innehåller en mängd underkategorier och specifika alternativ. Användare kan navigera genom dessa alternativ, och välja eller avvälja dem baserat på sina behov. Det är viktigt att notera att vissa alternativ kan ha beroenden, vilket innebär att aktivering eller inaktivering av ett alternativ kan påverka tillgängligheten av andra. Slutresultatet av denna konfigurationsprocess är en skräddarsydd kärna, optimerad för användarens specifika system och behov.

Byggprocessen

Kompilera Kärnan

Kompilera din anpassade kärna:

make -j $(nproc)

Användningen av -j $(nproc) optimerar kompileringsprocessen genom att använda alla tillgängliga processorkärnor.

Installera Moduler och Kärnan

Efter kompilering, installera modulerna:

sudo make modules_install

Följt av installation av själva kärnan:

sudo make install

Uppdatera Bootloader och Starta Om

Uppdatera GRUB

För att inkludera den nya kärnan i startmenyn, uppdatera GRUB:

sudo update-grub

Starta Om Datorn

Starta om datorn och välj den nya kärnan från GRUB-menyn under uppstart.

Efter Installation

Testa din nya kärna genom att köra uname -r. Det är viktigt att vara medveten om att en anpassad kärna kanske inte får samma nivå av support och säkerhetsuppdateringar som standardkärnor.

Sammanfattning

Att bygga din egen kärna på Ubuntu ger dig möjlighet att skräddarsy ditt system för specifika användningsfall. Denna process är inte bara utbildande utan också givande för dem som vill fördjupa sin förståelse för Linux-system. Dock bör den närmas med försiktighet, särskilt om du planerar att använda kärnan i en produktionsmiljö.