Tìm hiểu Linux Kernel - Tùy biến cho phù hợp với hệ thống

Bài đăng này đã không được cập nhật trong 4 năm

Mở đầu

Ngày nay Linux đã không còn là khái niệm xa lạ với mọi người nữa, đặc biệt là các lập trình viên. Trên phạm vi toàn thế giới, Linux đang ngày càng được phổ biến rộng rãi. Có lẽ chỉ trừ hệ điều hành cho máy tính cá nhân lâu nay vốn là sự thống trị của Microsoft Windows ra thì mọi nơi khác đâu đâu cũng có mặt của Linux. Từ các dịch vụ công cộng như y tế, giáo dục hay các dịch vụ mạng, vận hành siêu máy tính, phần lớn thị phần hệ điều hành di động cũng là một biến thể của Linux (Android). Ngày càng có nhiều lập trình viên chuyển đến hệ sinh thái Linux, nó là miễn phí và tự do, từ việc sử dụng cơ bản đến nâng cao, thậm chí có thể sửa đổi để phù hợp với hệ thống cụ thể.

Linux - Linux kernel

Linux cơ bản không phải là hệ điều hành hoàn chỉnh, nhưng nó là một kernel (hạt nhân) hoàn chỉnh. Nó được thiết kế để hoạt động tương tự với cách mà UNIX hoạt động (cụ thể, Linux được Linus Torvalds mô phỏng theo hoạt động của MINIX - một biến thể của UNIX). Loại hệ điều hành không được đóng gói hoàn chỉnh mà sẽ bao gồm tập hợp của rất nhiều phần mềm có thể tùy biến cả về số lượng và chủng loại. Tuy nhiên tất cả đều hoạt động xoay quanh một kernel chung (ở đây là Linux kernel). Kể từ khi Linux ra đời, ngày càng có rất nhiều nhà phát triển quan tâm đến nó. Hiện nay, số lượng hệ điều hành dùng Linux kernel làm cơ sở vẫn đang không ngừng tăng lên. Giống như tính kế thừa của lập trình hướng đối tượng (OOP), các hệ điều hành đời sau dù ít hay nhiều đều học tập theo các hệ điều hành đời trước. Ngày Linux kernel mới ra mắt chỉ có 3 hệ điều hành là được biết đến rộng rãi, bao gồm Debian của Ian Murdock, RedHat của Red Hat Inc. và Slackware của Patrick Volkerding. Ngày nay, hơn 1 nửa hay có thể nói hầu hết các hệ điều hành dựa trên Linux đều bắt nguồn hoặc học hỏi từ 3 hệ điều hành này. Cùng dùng chung Linux kernel nhưng không một hệ điều hành nào là giống nhau, mỗi cái có một cách sử dụng và cấu hình riêng cho các phần mềm đi kèm (hầu hết là phần mềm từ dự án GNU/Linux và các phần mềm sử dụng giấy phép GPL). Linux kernel cũng là một phần mềm, tất nhiên. Những thứ mà có ở trên máy tính mà không phải phần cứng thì đều là phần mềm mà ^^. Tất nhiên mỗi phần mềm thì đều có một chức năng riêng. Và với Linux thì đó là nhiệm vụ điều phối hoạt động của hệ điều hành, là trung gian cho phần cứng và các phần mềm khác. Cộng đồng phát triển của "phần mềm" Linux là vô cùng lớn, với hơn 750,000 commit và rất rất rất rất rất nhiều contributors, nhiều đến mức mà GitHub phải để số lượng là ∞. Do Linux cũng là một phần mềm mã nguồn mở, nên tất nhiên là bất cứ ai cũng có thể tìm hiểu về mã nguồn của nó, chỉ có một ràng buộc duy nhất là giấy phép GPL (hiện nay là GPL version 3). Bất cứ ai có thể thay đổi mã nguồn của nó, tùy chỉnh cho phù hợp với hệ thống của mình, tuy nhiên khi muốn phân phối nó thì cần phải sử dụng chung giấy phép với nó và không được dùng mã nguồn cho mục đích thương mại.

Vấn đề tùy biến Linux kernel

Các thiết bị máy tính ngày càng có số lượng, chủng loại đa dạng hơn trước. Mỗi nhà sản xuất thiết bị lại thiết kế phần cứng của mình theo các cách khác nhau. Điều này thật sự làm khó cho các nhà sản xuất hệ điều hành. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng với Microsoft Windows, đó là một dòng hệ điều hành đóng hoàn toàn, tức là khi sử dụng chúng ta không thể và không có quyền thay đổi hoạt động của kernel. Trong khi Microsoft Windows lại là hệ thống được sử dụng phổ biến nhất thế giới dành cho máy tính cá nhân, mỗi khi có một phần cứng mới ra đời, các lập trình viên của Microsoft lại phải vất vả để viết các bản cập nhật cho phần cứng đó, dù là mỗi hãng sản xuất đều sẽ cho đi kèm các bản driver tương ứng, nhưng không có nghĩa là driver này có thể tương thích hoàn toàn với hệ thống. Với một dòng khác là OSX hay macOS của hãng Apple thì tuy cũng không thay đổi được kernel nhưng bù lại phần cứng là cố định và không thay đổi. Về phần mình, Linux hoạt động theo một cách rất riêng, tất cả mọi người đều có thể thay đổi kernel để tương thích hoàn toàn với thiết bị mà họ sử dụng (nếu có thể). Điều này có một chút tương đồng với các hệ điều hành của Apple, tuy nhiên khác với Apple là chỉ bản thân hãng mới có quyền thay đổi thì với Linux bất cứ ai cũng có quyền thay đổi. Việc tùy biến kernel không phải một công việc dễ dàng, nhất là với người chỉ có nhu cầu sử dụng cơ bản. Chính vì vậy, các nhà phân phối các biến thể của hệ điều hành Linux đã cố gắng tối ưu hóa cho kernel cho hầu hết phần cứng phổ biến nhất. Bên cạnh đó, cộng đồng lập trình viên nguồn mở cũng không ngừng nghiên cứu và cho ra đời các phiên bản mới của Linux nhằm hỗ trợ các phần cứng mới tốt hơn.

Thời điểm có thể tùy biến

Trước hết cần phải xem lại quá trình khởi động của một chiếc máy tính. Đầu tiên là công đoạn khởi động nguồn, sau đó sẽ đến quá trình tìm thiết bị khởi động, và rồi kernel sẽ được load. Chính xác thì thời điểm hoàn thành load kernel cũng chính là lúc tiến trình đầu tiên trong hệ thống được thực thi (với PID = 1). Trong giai đoạn load kernel, các bộ điều khiển cũng sẽ được kích hoạt. Thường thì sẽ có 3 loại: active, module và non-active. Loại active thì sẽ luôn luôn được khởi chạy cho dù nó không được sử dụng đến trong toàn bộ quá trình vận hành của hệ thống, chẳng hạn như chuột và bàn phím. Loại module thì sẽ vẫn sẽ được load sẵn nhưng ở trạng thái chờ hoạt động, thường để phục vụ các thiết bị plug-and-play như USB, máy in... hoặc các thiết bị điều khiển kết nối như card mạng wifi, card bluetooth .... Và loại cuối cùng, loại non-active thì chỉ tồn tại trong hệ thống nhưng hoàn toàn không được load trong giai đoạn khởi động hệ thống. Với việc sử dụng Linux kernel, có hai giai đoạn người dùng có thể tùy biến. Một là trước khi kernel được biên dịch, và hai là khi người dùng muốn thay đổi các bộ điều khiển sẽ được load khi hệ thống khởi động. Quá trình thứ nhất thì tương đương với công việc bình thường của lập trình viên, viết code - sửa code - biên dịch. Còn quá trình thứ hai thì chỉ đơn giản là tùy chỉnh file cấu hình cho hệ thống kernel.

Tùy biến trước khi biên dịch

Quá trình này thật ra để hiểu rất đơn giản, chỉ là công đoạn lấy mã nguồn của Linux kernel về máy tính, sau đó chỉnh sửa mã nguồn rồi biên dịch và cài đặt. Tuy nhiên, để cho hệ thống có thể hoạt động được ổn định thì chúng ta cần mất nhiều thời gian để thử tìm hiểu kiểm nghiệm thực tế vì có thể chỉ một thay đổi nhỏ trên mã nguồn cũng có thể làm hỏng hệ thống bất cứ lúc nào. Trước khi có thể vọc vạch được kernel này, ta cần tải về bộ mã nguồn đầy đủ của nó, có hai địa chỉ tin cậy để có thể tải về mã nguồn của Linux kernel, đó là:

https://www.kernel.org (Official page)
https://github.com/torvalds/linux (Project page )

Sau khi lấy mã nguồn về, việc chúng ta cần làm là giải nén tarball của kernel. Và đây là những thứ có bên trong:

Một số file và thư mục cần lưu ý như sau:

.config: đây là file cấu hình của kernel khi biên dịch, Makefile sẽ dựa vào file này để sinh ra file cấu hình tương ứng.
Kconfig: một file cấu hình khác của kernel, dùng để xác định kiến trúc CPU sẽ dùng để biên dịch.
Makefile: file cấu hình của make, bao gồm những chỉ dẫn cụ thể dành cho trình biên dịch, giúp tạo ra các file thư viện và file chương trình của kernel
Documentation/: thư mục này chứa toàn bộ tài liệu của kernel
fs/: mã nguồn của filesystem, thường là các thư viện hỗ trợ đọc/ghi các định dạng lưu trữ của ổ cứng
net/: mã nguồn cho việc điều khiển kết nối
include/: chứa các file headers dùng cho kernel và các chương trình cần sử dụng mã nguồn của kernel
drivers/: chứa mã nguồn cho các trình điều khiển thiết bị
init/: chứa mã nguồn dùng cho việc khởi động kernel
lib/: chứa các thư viện cần thiết cần có trước khi biên dịch các phần còn lại của kernel

Giờ thì chúng ta có khá nhiều lựa chọn để làm việc với mã nguồn kernel. Chúng ta có thể thay đổi mã nguồn theo ý thích, cấu hình lại, tạo pull gửi lên GitHub hoặc phân phối lại kernel nếu muốn. Tất nhiên, mình có lời khuyên là cho dù bạn làm bất cứ điều gì với kernel thì trước khi cài đặt cũng nên sao lưu lại hệ thống để đề phòng. Để có thể khiến cho kernel sau khi chỉnh sửa có thể hoạt động thì chúng ta cần một vốn kiến thức nhất định về hệ thống, cũng như các thiết bị, phần cứng. Còn nếu không, ta có thể cấu hình đơn giản và biên dịch cũng đủ để sử dụng rồi.

Bắt đầu cấu hình để biên dịch

Cách đơn giản nhất để cấu hình cho kernel trước khi biên dịch là chạy câu lệnh make menuconfig trong Terminal, và chúng ta cần di chuyển vào thư mục chứa mã nguồn của kernel để chạy. Kết quả sẽ như sau:

Ở trên giao diện này, các tùy chọn sẽ hiển thị dưới dạng một menu phân cấp, các dòng có ký hiện ---> tức là có thể mở rộng. Để di chuyển thì ta sử dụng các phím mũi tên. Thay đổi tùy chọn thì bằng phím Spacebar và confirm thay đổi thì dùng phím Enter. Bên dưới có 5 tùy chọn bao gồm:

Select: dùng để lựa chọn
Exit: dùng để thoát khỏi chương trình config hoặc trở về menu trước.
Help: dùng để xem trợ giúp cho dòng hiện tại
Save: dùng để lưu lại cấu hình vào file .config
Load: dùng để load lại file cấu hình .config

Với mỗi cấu hình sẽ có tối đa 3 lựa chọn, bạn có thể thay đổi giữa các tùy chọn bằng cách ấn phím Spacebar hoặc dùng một trong 3 phím Y để thêm vào, M để thêm dưới dạng module và N để loại bỏ không sử dụng.

Sau khi cấu hình xong. Bạn có thể Save lại thay đổi vào file .config và chạy câu lệnh make để tiến hành biên dịch kernel hoặc chạy make help để xem thêm các tùy chọn khác. Cuối cùng là chờ đợi để thấy thành quả (sẽ hơi lâu một chút).

Cấu hình sau khi biên dịch

Thật ra thì ở đây cũng không có quá nhiều tùy biến, vì các lựa chọn sẽ chỉ bao gồm trong những thư viện và chương trình đã được biên dịch trước đó. Nếu phần cứng thiết bị của bạn nằm trong số không được phiên bản kernel hiện tại hỗ trợ thì thiết bị đó cũng không thể sử dụng được. Bạn có thể cần cập nhật lên phiên bản kernel mới hơn hoặc chờ đợi cộng đồng viết các module hỗ trợ phần cứng đó. Hoặc nếu bạn đủ trình độ đến một mức nào đó thì có thể tự viết driver cho phần cứng ^^.

Bạn có thể sử dụng command modprobe để thay đổi việc load một module nào đó của kernel.

modprobe -h: lệnh này dùng để xem hướng dẫn các tùy chọn khi chạy lệnh
modprobe -c: in ra tất cả cấu hình của kernel
modprobe module_name: dùng để thêm 1 cấu hình module có tên module_name cho kernel.
modprobe -r module_name: tương tự lệnh trên nhưng sẽ loại bỏ 1 module thay vì thêm vào.

VD với module aes_x86_64 (dùng để mã hóa AES):

Một cách cấu hình khác là blacklist, cách này thì thường dùng để loại bỏ một hoặc vài module của kernel từ khi khởi động hệ thống. Cách làm thì rất đơn giản, chỉ cần tạo 1 file tùy ý với đuôi .conf trong thư mục /etc/modprobe.d/ rồi thêm vào đó các dòng blacklist module_name. Khi hệ thống khởi động, các module này sẽ được bỏ qua.

Kết luận

Trên đây chỉ là những phần cơ bản để chúng ta có thể bắt đầu tìm hiểu và cấu hình các module của Linux kernel. Mặc dù công việc này có thể không đơn giản và nhàm chán, tuy nhiên thành quả của nó rất đáng để chúng ta thử nghiệm. Có thể nhìn rất rõ vào 2 hệ dòng hệ điều hành của Microsoft Inc. và Apple Inc.. Một bên là Microsoft Windows rất nặng nề khi dung nạp hầu hết các trình điều khiển (driver) cho rất nhiều thiết bị, và phía còn lại là macOS thì chỉ chứa những trình điều khiển của một số thiết bị cố định và cụ thể. Quá trình tùy biến cấu hình kernel này phần nào có thể nâng cao hiệu năng cho hệ thống Linux của bạn. Cảm ơn mọi người đã đọc bài viết, mọi góp ý có thể comment bên dưới ạ (bow).