Arm Linux Kernel Hacks

- 시스템 콜은 누가 언제 실행할까요?

시스템 콜은 유저 모드에서 실행 중인 어플리케이션에서 커널에게 어떤 서비스를 요청할 때 실행합니다. 유저 어플리케이션에서 파일 시스템에 접근해서 파일을 읽고 쓰거나 PID와 같은 프로세스 정보를 얻으려 할 때 주어진 규약에 맞게 커널에 서비스를 요청을 하는 것입니다. 이를 위해 시스템 콜을 발생해서 유저 공간에서 커널 공간으로 실행 흐름을 이동합니다.

이 동작은 다음 그림으로 표현할 수 있습니다.

이번에 시스템 콜 세부 동작을 왜 잘 알아야 하는지 생각해봅시다.

시스템 콜은 리눅스 시스템에서 당연히 잘 동작하는데 왜 알아야 할까요? 그 이유는 문제 해결 능력을 키우기 위해서입니다. 리눅스 시스템 저수준 함수를 써서 응용 어플리케이션 코드는 누구나 작성할 수 있습니다. 하지만 시스템 콜이 유저 공간에서 커널 공간까지 어떤 흐름으로 동작하는지 모르면 어디부터 문제 원인을 분석해야 할지 알 수 없습니다.

 시스템 콜이 어떤 흐름으로 동작하는지 잘 모르고 매뉴얼에 있는 내용만 참고해서 코드 작성하는 분보다 시스템 콜 전체 흐름을 제대로 이해한 분이 더 안정적인 코드를 작성할 가능성이 높습니다. 특정 리눅스 시스템 함수를 호출했는데 갑자기 에러 코드를 음수로 반환한다고 가정합시다. 시스템 인터페이스 구조를 알면 어느 코드부터 분석을 시작할지 판단할 수 있습니다.

리눅스에서는 실행 공간을 메모리 접근과 실행 권한에 따라 유저 공간과 커널 공간으로 분류합니다. 

먼저 커널 공간이 무엇인지 알아봅시다. 

커널 코드가 실행할 때는 모든 커널 함수 호출이 가능하며 제약 없이 메모리 공간에 접근해서 하드웨어를 제어할 수 있습니다. 이런 시스템 상태와 메모리 접근을 커널 공간이라고 부릅니다. 

다음은 유저 공간을 소개하겠습니다. 유저 어플리케이션 코드가 구동하는 동작과 상태를 유저 공간이라고 합니다. 유저 어플리케이션은 유저 공간에서 실행하며 메모리 공간 접근에 제한이 있고 하드웨어에 직접 접근할 수 없습니다. 

     

유저 어플리케이션에서 권한이 없는 메모리 공간에 접근하면 커널은 오류를 감지해서 해당 프로세스를 종료시킵니다.

다음 소절에 이어 시스템 콜 전체 흐름도와 동작에 대해서 살펴보겠습니다.

- 시스템 콜(시스템 호출)은 왜 필요할까?

시스템 콜은 유저 모드에서 커널 모드로 진입하는 동작입니다. 다른 관점으로 시스템 콜은 유저 공간과 커널 공간 사이 가상 계층이자 인터페이스라고 볼 수도 있습니다. 이 계층은 다음과 같은 특징이 있습니다.

1. 시스템 안정성과 보안을 지킬 수 있습니다. 유저모드에서 어플리케이션이 커널 공간에 아무런 제약없이 접근한다고 가정합시다. 실수로 어플리케이션이 커널 코드 영역 메모리를 오염을 시키면 시스템은 오동작할 가능성이 높습니다.

2. 유저 어플리케이션에서 추상화된 하드웨어 인터페이스를 제공합니다. 유저 모드에서 구동 중안 어플리케이션 입장에서 하나의 파일 시스템 위에서 구동 중인 것으로 착각하게 합니다.

3. 시스템 콜 구현으로 유저 어플리케이션의 호환성과 이식성을 보장할 수 있습니다. 리눅스 시스템은 시스템 콜 인터페이스는 POSIX(Portable Operating System Interface) 이란 유닉스 표준 규약에 맞게 구현되어 있기 때문입니다. 이로 유저 어플리케이션 코드를 라즈베리파이, 안드로이드 등 리눅스 계열의 시스템과 유닉스 운영체제에서도 구동할 수 있습니다.

4. 유저 공간에서 실행하는 어플리케이션에서 커널 공간으로 진입하는 인터페이스를 두고 커널과 독립적으로 구동합니다. 유저 어플리케이션 입장에서 파일 시스템과 프로세스 생성과 같은 내부 동작에 신경 쓸 필요가 없습니다.

리눅스 디바이스 드라이버와 가상 파일 시스템 함수도 시스템 콜을 통해 시스템 콜 핸들러를 통해 관련 코드를 실행합니다.  

또한 시스템 콜은 ARM 아키텍처와 연관이 깊은 동작입니다. ARM 프로세서는 시스템 콜을 익셉션의 한 종류인 소프트웨어 인터럽트로 실행하기 때문입니다. ARM 프로세스 관점으로 시스템 콜을 어떻게 처리하는지 알아볼 필요가 있습니다.

- 시스템 콜 전체 흐름도 소개

이전에 소개한 시스템 콜 흐름도와 시스템 콜 동작은 그리 간단하지 않습니다. 시스템 콜 세부 동작을 알려면 다음 시스템 전체 흐름도를 이해해야 합니다.

다음 그림은 이번에 다룰 전체 시스템 콜 흐름도입니다.

open(), write() 그리고 read() 함수는 파일을 열고 읽어서 쓰는 파일 입출력 동작이고, fork()와 exit() 함수는 프로세스 생성과 종료와 연관된 동작을 실행합니다. 이를 리눅스 저수준 함수라고 부릅니다. 다른 관점으로 GNU C 라이브러리로 진입하는 함수이며 이를 API(Application Programming Interface) 라고 부릅니다.

리눅스 시스템에서는 390여 개의 표준 함수들이 있는데 위 그림에서 대표적인 함수 5개를 표현한 것입니다.

라즈베리파이에서 다음 파일을 열어보면 시스템 콜 번호를 확인할 수 있습니다.

[/usr/include/arm-linux-gnueabihf/asm/unistd.h]

#define __NR_restart_syscall (__NR_SYSCALL_BASE+  0)

#define __NR_exit (__NR_SYSCALL_BASE+  1)

#define __NR_fork (__NR_SYSCALL_BASE+  2)

...

#define __NR_pkey_mprotect (__NR_SYSCALL_BASE+394)

#define __NR_pkey_alloc (__NR_SYSCALL_BASE+395)

#define __NR_pkey_free (__NR_SYSCALL_BASE+396)

시스템 콜을 제대로 이해하려면 시스템 콜을 발생하는 유저 공간부터 시스템 콜을 실행하는 커널 공간 계층까지 전체 흐름도를 살펴볼 필요가 있습니다.

시스템 콜 실행 흐름은 4단계로 나눌 수 있습니다.

1 단계: 리눅스 저수준 표준 함수 호출

유저 어플리케이션에서 파일시스템에 접근해서 파일을 열고 읽고 쓰려고 할 때 open(), write(), read() 함수를 호출해야 합니다. 혹은 프로세스를 생성하거나 종료할 때 fork() 나 exit() 함수를 호출합니다. 이 함수들은 API(Application Programming Interface)라고 말합니다. 유저 어플리케이션에서 리눅스 커널에서 제공하는 기능을 쓰기 위해 만든 인터페이스를 의미합니다. 이 인터페이스는 모두 리눅스 시스템에서 제공하는 GNU C 라이브러리 내부에 구현돼 있습니다.

2 단계: 유저 공간에서 시스템 콜 실행

리눅스 시스템 저수준 함수를 호출하면 리눅스 시스템에서 제공하는 GNU C 라이브러리 내 코드가 실행합니다. 라이브러리 내부 ARM 어셈블리 코드 실행으로 시스템 콜을 발생합니다. 이 과정을 제대로 이해하려면 ARM에서 시스템 콜을 어떻게 처리하는지 살펴볼 필요가 있습니다.

3 단계: 커널 공간에서 시스템 콜 실행

시스템 콜이 실행하면 커널 공간으로 이동해서 시스템 테이블에 접근한 후 각 리눅스 저수준 함수(API) 종류별로 대응하는 시스템 콜 핸들러 함수로 분기합니다. sys_open(), sys_write() 그리고 sys_read() 함수들은 가상 파일 시스템을 통해 파일 시스템에 접근합니다. sys_clone() 그리고 sys_exit() 함수들은 프로세스 생성과 종료와 연관된 커널 드라이버에 있는 계층에 접근합니다.

시스템 콜 핸들러 함수는 리눅스 저수준 함수 앞에 sys_ 접두사가 붙는 경우가 대부분입니다. write() 함수는 sys_write() 함수, read() 함수는 sys_read() 함수에 대응합니다. 하지만 모든 시스템 콜 핸들러 함수가 이 규칙을 따르지는 않습니다. 리눅스 저수준 함수 fork()는 sys_clone() 시스템 콜 핸들러가 실행합니다.

4단계: 커널 공간에서 시스템 콜 핸들러 실행

시스템 콜 핸들러에서는 유저 공간에서 전달한 매개 인자에 오류를 점검 후 시스템 콜 종류에 따라 가상 파일 시스템 계층이나 프로세스 관리 함수에 접근합니다.

시스템 콜 핸들러에서는 유저 공간에서 전달한 매개 인자에 오류를 점검 후 시스템 콜 종류에 따라 가상 파일 시스템 계층이나 프로세스 관리 함수에 접근합니다.

여기까지 유저 공간에서 커널 공간까지 시스템 콜 처리 과정입니다.

시스템 콜 인터페이스 동작을 더 정확하게 이해하려면 ARM 프로세스에서 시스템 콜을 어떻게 처리하는지 알아야 합니다. 이 내용은 다음에 다룹니다.