Linux, Drivers et Programmation Noyau
Plan de Formation :
Objectifs de la Formation
Acquérir une compréhension approfondie de l'architecture du noyau Linux et de ses composants.
Apprendre à développer, déboguer et déployer des drivers sous Linux.
Maîtriser les concepts avancés de programmation noyau pour étendre et optimiser les fonctionnalités du système.
Développer des compétences pratiques à travers des cas pratiques et des laboratoires.
Public Cible
Développeurs systèmes et administrateurs Linux souhaitant se spécialiser dans le développement de drivers et la programmation noyau.
Ingénieurs logiciels travaillant sur des projets nécessitant une interaction directe avec le matériel.
Toute personne intéressée par la compréhension des mécanismes internes de Linux et par le développement au niveau du noyau.
Prérequis
Bonne maîtrise de l'administration Linux.
Connaissance avancée de la programmation en C.
Connaissance de base de l'architecture des systèmes d'exploitation.
Module 1 : Introduction au Noyau Linux
1.1. Architecture et Concepts du Noyau Linux
Structure du noyau Linux : Monolithique, modulaire, micro-noyaux.
Les composants du noyau : gestion des processus, gestion de la mémoire, systèmes de fichiers, gestion des périphériques.
Les espaces utilisateur et noyau : interactions et transitions.
1.2. Compilation et Personnalisation du Noyau
Téléchargement, configuration et compilation du noyau Linux.
Introduction aux options de configuration (
make menuconfig).Compilation de modules noyau séparés (
out-of-tree modules).
1.3. Outils et Environnement de Développement
Configuration de l'environnement de développement noyau (utilisation de QEMU pour les tests, GDB pour le débogage).
Introduction aux outils de débogage et de traçage (
dmesg,strace,ftrace).
Cas Pratique 1 : Compilation et Installation d'un Noyau Personnalisé
Téléchargement et configuration du code source du noyau Linux.
Compilation et installation d'un noyau personnalisé sur une machine virtuelle ou physique.
Test du noyau personnalisé et analyse des messages d'amorçage (
boot logs).
Module 2 : Programmation des Modules Noyau
2.1. Introduction aux Modules Noyau
Qu'est-ce qu'un module noyau ? (chargement dynamique, modules intégrés).
Structure d'un module noyau : initialisation, exécution, et nettoyage.
Gestion des symboles exportés et des dépendances entre modules.
2.2. Écriture de Modules Noyau Simples
Écriture d'un module "Hello World" pour le noyau Linux.
Compilation et insertion d'un module (
insmod,rmmod,modprobe).Utilisation de
dmesgpour lire les logs générés par les modules.
2.3. Interaction des Modules avec les Systèmes de Fichiers et les Périphériques
Utilisation des interfaces noyau pour l'accès aux périphériques (
/dev,ioctl).Introduction aux concepts de major et minor numbers pour les périphériques.
Gestion des appels système personnalisés dans les modules.
Lab 1 : Développement et Déploiement d'un Module Noyau Simple
Écriture, compilation et chargement d'un module noyau qui interagit avec un périphérique simple (ex. : LED, bouton).
Utilisation des interfaces noyau pour lire et écrire des données dans le module.
Module 3 : Développement de Drivers sous Linux
3.1. Concepts de Base des Drivers Linux
Qu'est-ce qu'un driver sous Linux ? Types de drivers : caractères, blocs, réseaux, USB, etc.
Gestion des interruptions, accès aux registres, et gestion des DMA.
Interaction entre les drivers et le noyau Linux.
3.2. Écriture d'un Driver de Périphérique de Caractères
Structure d'un driver de caractères sous Linux.
Utilisation des interfaces noyau pour enregistrer un driver (
register_chrdev,unregister_chrdev).Gestion des opérations de lecture et d'écriture avec les périphériques de caractères.
3.3. Gestion des Interruptions dans les Drivers
Comprendre et gérer les interruptions matérielles.
Inscription et gestion des gestionnaires d'interruptions (
request_irq,free_irq).Synchronisation dans le noyau : spinlocks, mutex, et sémaphores.
Lab 2 : Développement d'un Driver de Périphérique de Caractères
Écriture d'un driver simple pour un périphérique de caractères (ex. : générateur de nombres aléatoires).
Gestion des interruptions et traitement des données dans le driver.
Module 4 : Drivers Avancés : Blocs, USB et Réseaux
4.1. Développement de Drivers de Blocs
Concepts des systèmes de fichiers et des périphériques de blocs.
Gestion des opérations de lecture/écriture pour les périphériques de blocs.
Introduction aux buffers et à la gestion de cache pour les périphériques de blocs.
4.2. Développement de Drivers USB
Architecture du sous-système USB dans le noyau Linux.
Écriture de drivers USB simples : détection, configuration et transfert de données.
Gestion des classes USB et communication avec les périphériques.
4.3. Développement de Drivers Réseaux
Introduction au sous-système réseau du noyau Linux.
Écriture d'un driver pour une interface réseau virtuelle.
Gestion des paquets réseau, des protocoles et de la pile TCP/IP dans le noyau.
Lab 3 : Développement d'un Driver de Périphérique de Blocs ou USB
Écriture d'un driver pour un périphérique de stockage USB ou un périphérique de blocs virtuel.
Gestion des opérations d'I/O et traitement des requêtes de lecture/écriture.
Module 5 : Programmation Avancée du Noyau
5.1. Appels Système et Modifications du Noyau
Comprendre et implémenter de nouveaux appels système dans le noyau.
Interception et redirection des appels système existants (hooking).
Gestion des permissions et sécurité dans les appels système.
5.2. Communication Inter-Processus dans le Noyau
Introduction aux mécanismes de communication inter-processus (IPC) dans le noyau.
Utilisation des files d'attente, des sémaphores et des signaux dans les modules noyau.
Gestion des sockets noyau pour la communication réseau.
5.3. Débogage et Analyse du Noyau
Utilisation de GDB pour le débogage des modules noyau.
Analyse des panics noyau et des crash dumps avec
kexecetkdump.Introduction aux outils de profilage pour le noyau (
perf,ftrace).
Lab 4 : Implémentation d'un Appel Système Personnalisé
Développement d'un nouvel appel système pour le noyau Linux.
Test de l'appel système via un programme utilisateur et analyse des résultats.
Module 6 : Sécurité et Protection dans le Noyau Linux
6.1. Introduction à la Sécurité dans le Noyau
Principes de sécurité dans le noyau Linux.
Introduction à SELinux, AppArmor, et aux modules de sécurité du noyau.
6.2. Écriture de Modules de Sécurité
Développement de modules LSM (Linux Security Modules) pour renforcer la sécurité.
Gestion des hooks de sécurité et des politiques personnalisées.
6.3. Protection des Drivers et du Noyau
Techniques de protection contre les attaques sur les drivers (buffer overflow, rootkits).
Utilisation des outils de durcissement du noyau : Grsecurity, PaX.
Lab 5 : Développement d'un Module de Sécurité Basique
Écriture d'un module LSM simple pour surveiller et restreindre certaines actions système.
Déploiement et test du module sur un système Linux sécurisé.
Module 7 : Cas Pratiques et Projets de Fin de Formation
7.1. Études de Cas et Problèmes Réels
Analyse de cas réels de développement de drivers et de programmation noyau.
Discussion et résolution des défis techniques rencontrés.
7.2. Simulation de Scénarios Complexes
Développement et débogage d'un module noyau complexe intégrant plusieurs sous-systèmes (I/O, réseau, mémoire).
Optimisation du code noyau pour des performances et une sécurité accrues.
7.3. Projet Final : Développement d'un Driver ou d'une Extension Noyau
Choix d'un projet personnalisé (développement d'un driver, implémentation d'une fonctionnalité noyau spécifique).
Présentation du projet, explication des choix de conception et démonstration du fonctionnement.
Conclusion et Certification
Résumé des compétences acquises pendant la formation.
Discussion sur les tendances futures de la programmation noyau et des drivers sous Linux.
Évaluation finale et remise de la certification pour les participants ayant complété le cours avec succès.
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