Linuxstudy

comwork

Linux system programming and kernel interface learning workspace.

이 저장소는 Ubuntu/Linux 환경에서 리눅스 시스템 프로그래밍, 커널 모듈, 문자 디바이스 드라이버, ioctl, IPC, systemd daemon, Buildroot/QEMU 실행환경을 단계적으로 학습한 내용을 정리한 작업 디렉토리입니다.

단순한 C 예제만 모아둔 구조가 아니라, 사용자 공간 프로그램에서 커널 인터페이스를 호출하고, daemon과 Unix domain socket, shared library를 거쳐 커널 드라이버와 연동되는 흐름까지 실습한 내용을 포함합니다.

전체 구조

comwork/
├── add_syscall/          # 사용자 정의 시스템콜 추가 실습
├── driver/               # 커널 문자 디바이스 드라이버 및 ioctl 실습
├── gdb/                  # gdb 디버깅 기초 실습
├── ioctl/                # 사용자 공간 ioctl 호출 실습
├── ipc_daemon/           # IPC, systemd, 최종 daemon 프로젝트
├── makeKmodule/          # 커널 모듈/Kbuild 기초 실습
├── makefile/             # Makefile, Buildroot, Kernel config 실습
├── run.sh                # QEMU aarch64 실행 스크립트
└── shscript/             # shell script 실습

학습 흐름

1. 기본 개발 도구 및 빌드 환경
   - Makefile
   - Shell script
   - GDB

2. 커널 빌드 및 커널 모듈 기초
   - Kbuild
   - Kconfig
   - module_init / module_exit
   - .ko 모듈 생성

3. 사용자 공간과 커널 공간의 경계 학습
   - 사용자 정의 system call
   - 문자 디바이스 드라이버
   - ioctl 인터페이스

4. 사용자 공간 IPC와 서비스 구조 학습
   - fork
   - mmap
   - pipe
   - semaphore
   - signal
   - socket
   - systemd socket/service

5. 최종 통합 과제
   - sample application
   - shared library
   - Unix domain socket
   - systemd daemon
   - kernel driver ioctl 연동

디렉토리별 설명

1. add_syscall

사용자 정의 시스템콜을 커널에 추가하고, 사용자 공간 프로그램에서 syscall()을 통해 직접 호출하는 실습입니다.

add_syscall/
├── hello/
│   ├── hello.c
│   ├── new_syscall.c
│   ├── hello
│   └── new_syscall.o
└── stack_syscall/
    ├── stack_syscall.c
    ├── user_program.c
    ├── stack
    └── stack_syscall.o

hello

new_syscall.c는 SYSCALL_DEFINE1(new_syscall, int, code) 형태로 커널 시스템콜을 정의합니다. 내부에서 printk()를 사용해 커널 로그를 출력하고, 전달받은 값에 1을 더해 반환합니다.

hello.c는 사용자 공간 프로그램입니다. 시스템콜 번호를 직접 정의한 뒤 syscall()을 호출하여 커널에 추가한 시스템콜을 테스트합니다.

stack_syscall

stack_syscall.c는 커널 내부에 static stack을 두고, push/pop 동작을 시스템콜로 제공하는 예제입니다.

• push_data(long data)
• pop_data()

user_program.c는 명령행 인자를 받아 push [data] 또는 pop 명령으로 커널 내부 stack을 제어합니다.

학습 포인트

• SYSCALL_DEFINE0, SYSCALL_DEFINE1
• 사용자 정의 시스템콜 추가 흐름
• 사용자 공간의 syscall() 호출
• 커널 내부 static 데이터 구조
• 사용자 공간과 커널 공간의 경계

2. makeKmodule

가장 기본적인 리눅스 커널 모듈과 Kbuild 구조를 학습한 디렉토리입니다.

makeKmodule/
└── comento/
    ├── main.c
    ├── Kconfig
    ├── Makefile
    ├── comento.mod.c
    ├── comento.mod
    ├── modules.order
    ├── comento.ko
    ├── built-in.a
    ├── comento.o
    ├── comento.mod.o
    └── main.o

main.c는 module_init()과 module_exit()을 사용하는 최소 커널 모듈 예제입니다. 모듈 로드 시 init 함수가 실행되고, 언로드 시 exit 함수가 실행됩니다.

Kconfig와 Makefile은 커널 빌드 시스템에 모듈을 연결하기 위한 설정 파일입니다.

학습 포인트

• 커널 모듈 기본 구조
• module_init() / module_exit()
• __init / __exit
• MODULE_AUTHOR, MODULE_DESCRIPTION, MODULE_LICENSE
• Kconfig
• Kbuild Makefile
• .ko, .mod.c, .mod.o, modules.order 등 빌드 산출물 구조

3. driver

커널 문자 디바이스 드라이버를 작성하고, 사용자 공간에서 ioctl로 제어하는 실습입니다.

driver/
├── comento/
│   ├── main.c
│   ├── Kconfig
│   ├── Makefile
│   ├── comento.mod.c
│   ├── comento.mod
│   ├── modules.order
│   ├── comento.ko
│   ├── built-in.a
│   ├── comento.o
│   ├── comento.mod.o
│   └── main.o
├── user_program.c
└── comento_ioctl

driver/comento/main.c는 문자 디바이스 드라이버 구현 파일입니다. 디바이스 파일을 통해 사용자 공간과 커널 공간이 통신할 수 있도록 구성되어 있습니다.

driver/user_program.c는 사용자 공간에서 디바이스 파일을 열고 ioctl 명령을 보내는 테스트 프로그램입니다.

학습 포인트

• 리눅스 문자 디바이스 드라이버 구조
• 디바이스 파일 기반 사용자-커널 통신
• ioctl 명령 정의 및 처리
• 사용자 공간 테스트 프로그램 작성
• 커널 모듈 빌드 결과 확인

4. ioctl

사용자 공간에서 /dev/comento-device를 열고 ioctl 명령을 보내는 기본 예제입니다.

ioctl/
├── ioctl.c
└── ioctl

ioctl.c는 _IO() 매크로를 사용해 ioctl 명령을 정의하고, open(), ioctl(), close() 흐름으로 디바이스에 명령을 전달합니다.

학습 포인트

• open()
• ioctl()
• close()
• _IO 매크로
• magic number 기반 ioctl command 정의
• 사용자 공간에서 커널 디바이스 제어

5. makefile

일반 C 프로그램 빌드, Makefile 작성, Buildroot 설정, Kernel config, QEMU 실행환경 구성을 학습한 디렉토리입니다.

makefile/
├── Makefile
├── buildroot_config
├── kernel_config
└── basics/
    ├── main.c
    ├── distance.c
    ├── distance.h
    ├── executable
    ├── main.o
    └── distance.o

basics/distance.c는 두 점 사이의 유클리드 거리를 계산하는 get_distance() 함수를 구현합니다.

basics/distance.h는 함수 원형을 선언하고, basics/main.c는 해당 함수를 호출하는 예제입니다.

상위 Makefile은 Buildroot 다운로드/설정/빌드, Linux kernel 다운로드/설정/빌드, toolchain 다운로드 등의 흐름을 포함합니다.

학습 포인트

• C 파일 분리 컴파일
• header/source 구조
• Makefile 작성
• Buildroot 설정
• Kernel config 적용
• QEMU 기반 실행환경 준비

6. shscript

shell script 기본 구조와 find 명령을 이용한 자동화 실습입니다.

shscript/
├── shell_script_studied.sh
└── one/
    ├── one
    ├── two
    └── thr

shell_script_studied.sh는 인자로 받은 디렉토리 아래에서 빈 디렉토리를 찾아 .gitkeep 파일을 생성하는 스크립트입니다.

학습 포인트

• #!/bin/sh
• positional parameter $0, $1, $#
• shell 조건문
• find
• -empty
• -type d
• -exec
• .gitkeep을 이용한 빈 디렉토리 Git 추적

7. gdb

간단한 C 프로그램을 대상으로 gdb 디버깅을 학습한 디렉토리입니다.

gdb/
├── factorial.c
└── factorial

factorial.c는 재귀 방식의 factorial 함수를 구현하고, 명령행 인자를 받아 결과를 출력합니다.

학습 포인트

• 재귀 함수
• argc / argv
• atoi()
• gdb 디버깅 대상 프로그램 구성
• breakpoint, step, print 등을 이용한 실행 흐름 확인

8. ipc_daemon/ipc

사용자 공간 IPC 기초를 실습한 디렉토리입니다.

ipc_daemon/ipc/
├── fork.c
├── mmap.c
├── pipe.c
├── pipe2.c
├── semaphore.c
├── signal.c
├── socket-client.c
├── socket-server.c
├── fork
├── mmap
├── pipe
├── pipe2
├── semaphore
└── signal

파일명 기준으로 다음 IPC 요소를 학습한 묶음입니다.

• process 생성: fork
• memory mapping: mmap
• pipe 기반 통신: pipe, pipe2
• semaphore 동기화
• signal 처리
• socket client/server 통신

현재 이 디렉토리의 각 소스 파일은 파일명 기준으로 학습 항목을 정리했습니다.

9. ipc_daemon/systemd

systemd socket/service 기초 구조를 학습한 디렉토리입니다.

ipc_daemon/systemd/
├── comento-client.c
├── comento-daemon.c
├── comento.service
├── comento.socket
├── comento-client
└── comento-daemon

systemd socket unit과 service unit을 이용해 client/daemon 구조를 실습한 묶음입니다.

현재 이 디렉토리의 각 소스 파일은 파일명 기준으로 학습 항목을 정리했습니다.

10. ipc_daemon/project

최종 통합 과제물 성격의 프로젝트입니다.

앞에서 학습한 커널 드라이버, ioctl, IPC, socket, systemd, shared library 개념을 하나의 흐름으로 연결한 구조입니다.

ipc_daemon/project/
├── include/
│   └── comento.h
├── src/
│   ├── library.c
│   ├── sample.c
│   └── service.c
├── systemd/
│   ├── comento.service
│   └── comento.socket
├── lib/
│   └── libcomento.so
├── comento-daemon
└── sample

전체 동작 흐름

sample application
    ↓
libcomento.so
    ↓
/run/comento.sock
    ↓
comento-daemon
    ↓
/dev/keyringctl ioctl
    ↓
kernel driver

또는 암복호화 요청의 경우 다음 흐름으로 동작합니다.

sample application
    ↓
libcomento.so
    ↓
Unix domain socket
    ↓
comento-daemon
    ↓
openssl enc -aes-256-cbc -kfile /dev/keyring<uid>
    ↓
result response

include/comento.h

사용자 프로그램에서 사용할 API를 선언한 헤더입니다.

int encrypt(uid_t uid, const char *in, size_t in_len, char *out, size_t *out_len);
int decrypt(uid_t uid, const char *in, size_t in_len, char *out, size_t *out_len);
int create_keyring(uid_t uid);
int destroy_keyring(uid_t uid);

src/library.c

libcomento.so의 구현 파일입니다.

사용자 프로그램이 직접 socket이나 ioctl을 다루지 않도록, 내부 request() 함수에서 Unix domain socket /run/comento.sock에 접속해 daemon에게 요청을 전달합니다.

제공 API는 다음과 같습니다.

• encrypt()
• decrypt()
• create_keyring()
• destroy_keyring()

src/service.c

comento-daemon의 소스 파일입니다.

systemd가 넘겨준 listen fd를 sd_listen_fds(0)로 받고, accept()를 통해 클라이언트 요청을 처리합니다.

요청 타입은 다음과 같습니다.

#define MSG_TYPE_ENCRYPT 0
#define MSG_TYPE_DECRYPT 1
#define MSG_TYPE_CREATE 2
#define MSG_TYPE_DESTROY 3

CREATE와 DESTROY 요청은 /dev/keyringctl에 ioctl을 보내 keyring을 생성하거나 삭제합니다.

ENCRYPT와 DECRYPT 요청은 /usr/bin/openssl을 fork() 후 execve()로 실행하여 암복호화를 처리합니다.

src/sample.c

libcomento.so와 comento.h를 사용하는 테스트 프로그램입니다.

지원 명령은 다음과 같습니다.

sample create <id>
sample destroy <id>
sample test <id>

test 명령은 문자열을 암호화한 뒤 다시 복호화하여 결과를 출력합니다.

systemd/comento.socket

Unix domain socket /run/comento.sock을 열기 위한 systemd socket unit입니다.

systemd/comento.service

/usr/bin/comento-daemon을 실행하기 위한 systemd service unit입니다.

학습 포인트

• systemd socket activation
• daemon process
• Unix domain socket server/client
• shared library API 설계
• 사용자 공간 daemon과 커널 드라이버 ioctl 연동
• 외부 프로그램 실행을 위한 fork() / execve()
• /dev/keyringctl, /dev/keyring<uid> 기반 흐름
• sample application → library → daemon → kernel driver 구조

11. run.sh

QEMU aarch64 가상 머신 실행 스크립트입니다.

run.sh

실행 흐름은 다음과 같습니다.

qemu-system-aarch64
  -kernel linux/arch/arm64/boot/Image
  -drive format=raw,file=buildroot/output/images/rootfs.ext4,if=virtio
  -append "root=/dev/vda console=ttyAMA0 nokaslr"
  -nographic
  -M virt
  -cpu cortex-a72
  -m 2G
  -smp 2

학습 포인트

• QEMU aarch64 실행
• 직접 빌드한 Linux kernel Image 사용
• Buildroot rootfs.ext4 사용
• virtio block device 연결
• console 기반 부팅

빌드 산출물 구분

이 저장소에는 학습 과정에서 생성된 실행파일, 오브젝트 파일, 커널 모듈, 공유 라이브러리 산출물이 함께 포함되어 있습니다.

예시는 다음과 같습니다.

*.o
*.ko
*.a
실행파일
*.so

이 파일들은 소스 분석 대상이라기보다 빌드 결과물입니다. Git에 올릴 때는 학습 기록 보존 목적이라면 포함할 수 있지만, 일반적인 소스 저장소 기준으로는 .gitignore 처리하는 것이 더 적절할 수 있습니다.

주요 학습 내용 요약

이 작업 디렉토리를 통해 다음 내용을 실습했습니다.

• Linux user space program 작성
• Makefile 기반 C 빌드
• Buildroot 기반 root filesystem 구성
• Linux kernel config 적용
• QEMU aarch64 실행환경 구성
• Kernel module 작성
• Kbuild/Kconfig 구조 이해
• 사용자 정의 system call 추가
• Character device driver 작성
• ioctl 기반 사용자-커널 통신
• shell script 자동화
• gdb 디버깅
• IPC 기초: fork, pipe, mmap, semaphore, signal, socket
• systemd socket/service 구성
• daemon process 작성
• Unix domain socket 기반 IPC
• shared library API 작성
• sample application, library, daemon, kernel driver 연동 구조 구현

최종 과제 구조 요약

최종적으로 ipc_daemon/project/에서는 다음과 같은 구조를 구현했습니다.

사용자 애플리케이션
    ↓
공유 라이브러리
    ↓
Unix domain socket
    ↓
systemd daemon
    ↓
ioctl 또는 openssl 처리
    ↓
커널 문자 디바이스 / keyring device

이 구조를 통해 사용자 애플리케이션이 커널 드라이버를 직접 제어하지 않고, 라이브러리와 daemon을 거쳐 필요한 기능을 요청하는 흐름을 실습했습니다.

주의사항

• 일부 디렉토리에는 빌드 산출물이 포함되어 있습니다.
• ipc_daemon/ipc/와 ipc_daemon/systemd/의 일부 파일은 파일명 기준으로 학습 항목을 정리했습니다.
• 실제 실행을 위해서는 커널 이미지, Buildroot rootfs, 관련 커널 모듈, systemd unit 배치, 디바이스 파일 구성이 필요합니다.
• 이 저장소는 학습 목적의 코드와 산출물을 포함합니다.