Linux系統(tǒng)編程實踐 教學大綱

第頁Linux系統(tǒng)編程實踐一、課程說明課程編號：090268Z11課程名稱：Linux系統(tǒng)編程實踐/PracticeofLinuxSystemProgramming課程類別：專業(yè)教育課程（集中實踐環(huán)節(jié)）學時/學分：32/1.5先修課程：操作系統(tǒng)原理（或操作系統(tǒng)及安全）、計算機程序設計基礎（C語言）適用專業(yè)：信息安全、計算機科學與技術、物聯(lián)網(wǎng)工程教材、教學參考書：1.DanielP.Bovet.深入理解LINUX內(nèi)核(UnderstandingtheLinuxKernel).北京:中國電力出版社,2008年2.ScottMaxwell.Linux內(nèi)核源代碼分析.北京:機械工業(yè)出版社,2000年二、課程設置的目的意義Linux作為一個開源計算機操作系統(tǒng)，廣泛應用于服務器、桌面及嵌入式應用領域。本課程主要培養(yǎng)學生在Linux操作系統(tǒng)下的內(nèi)核級、系統(tǒng)級編程能力，是一門理論與實驗的大型綜合實踐課程。主要包括在Linux操作系統(tǒng)下高級程序設計以及Linux內(nèi)核程序設計。三、課程的基本要求知識：學習x86體系結構及系統(tǒng)初始化過程，將操作系統(tǒng)基本原理與Linux系統(tǒng)內(nèi)核的進程管理、存儲器管理、設備管理及文件系統(tǒng)的具體實現(xiàn)相結合；了解Linux高級程序設計方法、設計流程、開發(fā)環(huán)境等；了解Linux字符設備和塊設備驅(qū)動程序設計方法；了解Linux高級程序設計尤其與系統(tǒng)安全相關API，學習Linux安全相關特性。能力：通過對Linux內(nèi)核的深入剖析，加深對操作系統(tǒng)原理的理解，并培養(yǎng)對Linux操作系統(tǒng)的系統(tǒng)級分析能力；初步掌握Linux內(nèi)核模塊編程、Linux簡單字符設備和塊設備編程能力；培養(yǎng)Linux系統(tǒng)安全相關系統(tǒng)設計及程序開發(fā)能力；培養(yǎng)能夠進行Linux系統(tǒng)級大型應用設計開發(fā)能力。素質(zhì)：通過對Linux操作系統(tǒng)具體實現(xiàn)方法的整體分析，建立系統(tǒng)級應用開發(fā)概念，體會系統(tǒng)級程序設計及系統(tǒng)安全相關設計的復雜性、關聯(lián)性、整體性；提高基本理論與具體實現(xiàn)相結合的綜合素質(zhì)。四、教學內(nèi)容、重點難點及教學設計章節(jié)教學內(nèi)容總學時學時分配教學重點教學難點教學方案設計（含教學方法、教學手段）講課(含研討)實踐1Linux啟動初始化過程220CPU、內(nèi)存等體系結構相關知識、硬件設置體系結構如：PCI、Cache等配制教學思路：對x86體系、ppc體系、ARM體系進行對比分析，描述各種體系下Linux初始化過程。教學模式：現(xiàn)場試驗。2Linux內(nèi)核結構220內(nèi)核模塊教學思路：大內(nèi)核與微內(nèi)核特點。3Linux內(nèi)核機制220內(nèi)核任務、Bottomhalf隊列內(nèi)核任務的理解教學思路：結合操作系統(tǒng)原理，講解Linux內(nèi)核各組件的具體實現(xiàn)。教學模式：通過投影Linux操作系統(tǒng)源代碼，對關鍵源代碼進行逐句分析。4LinuxAPI220IPC教學思路：結合相關應用實例，講解Linux與內(nèi)核相關高級程序設計，加深對內(nèi)核的理解。教學模式：對關鍵代碼逐句分析。5實踐課題編程設計16016注：實踐包括實驗、上機等，授課8課時，實踐教學選作24課時。實踐內(nèi)容見第五節(jié)。實踐教學內(nèi)容和基本要求5.1基本要求在理論部分講授完成后，進入實踐環(huán)節(jié)，實踐環(huán)節(jié)的題目根據(jù)學生基礎、興趣進行選擇。實踐采用1-2人一個開發(fā)題目的方式進行，但要求滿足實踐學時24學時的要求。事先由指導老師分配開發(fā)任務。實踐結束后，每個同學應遞交符合格式要求的報告一份。5.2可選實踐內(nèi)容序號題目實驗內(nèi)容課時基本要求1內(nèi)核模塊設計理解Linux內(nèi)核模塊，熟悉Linux內(nèi)核模塊編程環(huán)境、編譯環(huán)境、內(nèi)核模塊加載過程，掌握Linux內(nèi)核模塊調(diào)試過程與調(diào)試方法。12（1）編寫一個簡單的內(nèi)核模塊程序；（2）編譯內(nèi)核模塊；（3）加載并調(diào)試內(nèi)核模塊。2Linux字符設備驅(qū)動程序設計理解Linux字符設備驅(qū)動程序模塊，熟悉Linux驅(qū)動編程環(huán)境、編譯環(huán)境、內(nèi)核模塊加載過程，掌握Linux驅(qū)動程序調(diào)試過程與調(diào)試方法。16（1）編寫一個簡單字符設備驅(qū)動程序，理解Linux字符設備驅(qū)動程序注冊及工作過程；（2）理解內(nèi)核空間與用戶空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程及方法；（3）編寫該驅(qū)動程序的測試應用程序，通過該測試程序測試驅(qū)動程序的有效性。3Linux塊設備驅(qū)動程序設計理解Linux塊設備驅(qū)動框架，熟悉Linux驅(qū)動程序編程環(huán)境、編譯環(huán)境、內(nèi)核模塊加載過程，掌握Linux設備驅(qū)動調(diào)試過程與調(diào)試方法。16（1）編寫一個塊設備驅(qū)動程序，理解Linux塊設備驅(qū)動程序注冊及工作過程；（2）理解內(nèi)核空間與用戶空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程及方法；（3）編寫該驅(qū)動程序的測試應用程序，通過該測試程序測試驅(qū)動程序的有效性。4Linux網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序設計理解Linux網(wǎng)絡設備驅(qū)動框架，熟悉Linux網(wǎng)絡驅(qū)動程序編程環(huán)境、編譯環(huán)境、內(nèi)核模塊加載過程，掌握Linux網(wǎng)絡設備驅(qū)動調(diào)試過程與調(diào)試方法。16（1）編寫一個Linux網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序，理解Linux網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序注冊及工作過程；（2）理解Linux中斷過程及網(wǎng)絡協(xié)議機制；（3）編寫該驅(qū)動程序的測試應用程序，通過該測試程序測試驅(qū)動程序的有效性。5Linux文件系統(tǒng)設計通過指導學生上機實踐，掌握Linux文件系統(tǒng)程序設計過程。26（1）自定義一個簡單文件系統(tǒng)（如類似DOS）；（2）編寫該文件系統(tǒng)程序，并加載至Linux操作系統(tǒng)；（3）編寫測試程序，并測試該文件系統(tǒng)的有效性。6Linux系統(tǒng)下iSCSI應用設計理解iSCSI工作過程。26（1）理解Linux系統(tǒng)下iSCSI，編寫iSCSI協(xié)議代碼（2）配置iSCSItarget；（3）測試iSCSI相關性能。7Linux系統(tǒng)下多進程程序設計-大矩陣運算理解Linux進程創(chuàng)建及進程管理過程，理解Linux系統(tǒng)下IPC機制；掌握Linux下系統(tǒng)編程環(huán)境；掌握Linux程序調(diào)試過程與調(diào)試方法。16（1）編寫一個多進程計算大矩陣運算程序，動態(tài)配置創(chuàng)建進程的數(shù)目；（2）在單核單線程CPU系統(tǒng)下，記錄在不同進程數(shù)目下完成運算所需要的時間；（3）在多核多CPU環(huán)境下，記錄在不同進程數(shù)目下完成運算所需要的時間；（4）分析該結果。8Linux系統(tǒng)下多進程程序設計-網(wǎng)絡下載理解Linux進程創(chuàng)建及進程管理過程，掌握Linux下SocketAPI編程方法，理解Linux系統(tǒng)下IPC機制；掌握Linux下系統(tǒng)編程環(huán)境；掌握Linux程序調(diào)試過程與調(diào)試方法。16（1）編寫一個多進程FTP網(wǎng)絡下載程序；（2）在單核單線程CPU系統(tǒng)下，記錄在不同進程數(shù)目下完成下載大文件所需要的時間；（3）在多核多CPU環(huán)境下，記錄在不同進程數(shù)目下完成下載大文件所需要的時間；（4）分析該結果。9Linux系統(tǒng)下多進程程序設計-網(wǎng)絡服務器理解Linux進程創(chuàng)建及進程管理過程，掌握Linux下SocketAPI編程方法，理解Linux系統(tǒng)下IPC機制；掌握Linux下系統(tǒng)編程環(huán)境；掌握Linux程序調(diào)試過程與調(diào)試方法。16（1）編寫一個簡單的多進程FTP網(wǎng)絡網(wǎng)絡服務器；（2）同時支持5000個以上的不阻塞網(wǎng)絡鏈接；10Linux系統(tǒng)下多進程程序設計-IPC理解Linux進程創(chuàng)建及進程管理過程，理解Linux系統(tǒng)下IPC機制；掌握Linux下系統(tǒng)編程環(huán)境；掌握Linux程序調(diào)試過程與調(diào)試方法。161）編寫一個多進程程序；（2）進程間分別采用匿名管道、命名管道、消息隊列、共享存儲器、filemap等機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送；（3）比較采用各種IPC機制的數(shù)據(jù)傳輸效率，并說明原因。11Linux系統(tǒng)下多線程程序設計-大矩陣運算理解Linux線程創(chuàng)建（采用pthread線程庫）及線程管理過程，掌握Linux下系統(tǒng)編程環(huán)境；掌握Linux程序調(diào)試過程與調(diào)試方法。16（1）編寫一個多線程計算大矩陣運算程序，動態(tài)配置創(chuàng)建線程的數(shù)目；（2）在單核單線程CPU系統(tǒng)下，記錄在不同線程數(shù)目下完成運算所需要的時間；（3）在多核多線程CPU環(huán)境下，記錄在不同線程數(shù)目下完成運算所需要的時間；（4）分析該結果。12Linux系統(tǒng)下多線程程序設計-網(wǎng)絡下載理解Linux線程創(chuàng)建（采用pthread線程庫）及線程管理過程，掌握Linux下SocketAPI編程方法，掌握Linux下系統(tǒng)編程環(huán)境；掌握Linux程序調(diào)試過程與調(diào)試方法。26（1）編寫一個多線程FTP網(wǎng)絡下載程序；（2）在單核單線程CPU系統(tǒng)下，記錄在不同線程數(shù)目下完成下載大文件所需要的時間；（3）在多核多CPU環(huán)境下，記錄在不同線程數(shù)目下完成下載大文件所需要的時間；（4）分析該結果。13Linux系統(tǒng)監(jiān)測程序-資源監(jiān)控及定額管理熟悉Linux系統(tǒng)管理，掌握Linux系統(tǒng)監(jiān)測相關方法，理解Linux定額機制。16（1）編寫一個Linux系統(tǒng)監(jiān)控程序；（2）監(jiān)控系統(tǒng)中進程所占用的CPU時間、內(nèi)存使用、磁盤使用、網(wǎng)絡使用情況等；14Linux系統(tǒng)監(jiān)測程序-API監(jiān)控理解LinuxAPI調(diào)用過程，掌握定制LinuxAPI相關方法，并從安全角度監(jiān)控LinuxAPI被進程調(diào)用情況。26（1）編寫一個Linux系統(tǒng)調(diào)用，或在通用Linux系統(tǒng)調(diào)用中增加相關監(jiān)測機制；（2）當進程調(diào)用該被監(jiān)測API時，系統(tǒng)對調(diào)用情況進行記錄（調(diào)用進程、調(diào)用時間等），并可進行報警處理。15Linux內(nèi)核deamon遠程監(jiān)控理解Linuxdaemon內(nèi)核線程，掌握LinuxDaemon程序設計相關方法，監(jiān)控Linux運行情況，遠端可通過該Daemon獲取系統(tǒng)運行情況。26（1）編寫一個LinuxDaemon，監(jiān)控Linux運行情況，遠端可通過該Daemon獲取系統(tǒng)運行情況；（2）系統(tǒng)運行異常，進行報警處理。16Linux下網(wǎng)絡包抓取及分析理解Linux網(wǎng)絡協(xié)議棧，掌握網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包抓取及包分析方法，識別網(wǎng)絡入侵、網(wǎng)絡攻擊等不正常數(shù)據(jù)包，并分析攻擊類型，并提出相關處理、報警機制。26（1）編寫一個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包抓取及數(shù)據(jù)分析程序，識別網(wǎng)絡入侵、網(wǎng)絡攻擊等不正常數(shù)據(jù)包，并分析攻擊類型；（2）網(wǎng)絡數(shù)據(jù)異常，進行報警處理。17Linux系統(tǒng)在ARM體系下的移植了解新一代ARM相關體系結構如CortexA8/A9，理解Linux在ARM體系下的初始化及啟動過程（如uboot的移植）。并最終在開發(fā)板上運行uboot和linux操作系統(tǒng)。26（1）深入理解ARMCortexA8/A9體系結構；（2）移植uboot;移植Linux，并在開發(fā)板運行完整Linux操作系統(tǒng)。六、考核方式及成績評定考核通過實踐表現(xiàn)（10%）、設計機試檢查（60%）、實踐報告（30%）三個方面綜合評定學生成績