Linux系統(tǒng)編程實(shí)踐 教學(xué)大綱

第頁(yè)Linux系統(tǒng)編程實(shí)踐一、課程說(shuō)明課程編號(hào)：090268Z11課程名稱(chēng)：Linux系統(tǒng)編程實(shí)踐/PracticeofLinuxSystemProgramming課程類(lèi)別：專(zhuān)業(yè)教育課程（集中實(shí)踐環(huán)節(jié)）學(xué)時(shí)/學(xué)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(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（C語(yǔ)言）適用專(zhuān)業(yè)：信息安全、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程教材、教學(xué)參考書(shū)：1.DanielP.Bovet.深入理解LINUX內(nèi)核(UnderstandingtheLinuxKernel).北京:中國(guó)電力出版社,2008年2.ScottMaxwell.Linux內(nèi)核源代碼分析.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000年二、課程設(shè)置的目的意義Linux作為一個(gè)開(kāi)源計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于服務(wù)器、桌面及嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。本課程主要培養(yǎng)學(xué)生在Linux操作系統(tǒng)下的內(nèi)核級(jí)、系統(tǒng)級(jí)編程能力，是一門(mén)理論與實(shí)驗(yàn)的大型綜合實(shí)踐課程。主要包括在Linux操作系統(tǒng)下高級(jí)程序設(shè)計(jì)以及Linux內(nèi)核程序設(shè)計(jì)。三、課程的基本要求知識(shí)：學(xué)習(xí)x86體系結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)初始化過(guò)程，將操作系統(tǒng)基本原理與Linux系統(tǒng)內(nèi)核的進(jìn)程管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理及文件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)相結(jié)合；了解Linux高級(jí)程序設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)流程、開(kāi)發(fā)環(huán)境等；了解Linux字符設(shè)備和塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方法；了解Linux高級(jí)程序設(shè)計(jì)尤其與系統(tǒng)安全相關(guān)API，學(xué)習(xí)Linux安全相關(guān)特性。能力：通過(guò)對(duì)Linux內(nèi)核的深入剖析，加深對(duì)操作系統(tǒng)原理的理解，并培養(yǎng)對(duì)Linux操作系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)分析能力；初步掌握Linux內(nèi)核模塊編程、Linux簡(jiǎn)單字符設(shè)備和塊設(shè)備編程能力；培養(yǎng)Linux系統(tǒng)安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及程序開(kāi)發(fā)能力；培養(yǎng)能夠進(jìn)行Linux系統(tǒng)級(jí)大型應(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力。素質(zhì)：通過(guò)對(duì)Linux操作系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方法的整體分析，建立系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)概念，體會(huì)系統(tǒng)級(jí)程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)安全相關(guān)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性、整體性；提高基本理論與具體實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的綜合素質(zhì)。四、教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)難點(diǎn)及教學(xué)設(shè)計(jì)章節(jié)教學(xué)內(nèi)容總學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)分配教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)（含教學(xué)方法、教學(xué)手段）講課(含研討)實(shí)踐1Linux啟動(dòng)初始化過(guò)程220CPU、內(nèi)存等體系結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)、硬件設(shè)置體系結(jié)構(gòu)如：PCI、Cache等配制教學(xué)思路：對(duì)x86體系、ppc體系、ARM體系進(jìn)行對(duì)比分析，描述各種體系下Linux初始化過(guò)程。教學(xué)模式：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。2Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)220內(nèi)核模塊教學(xué)思路：大內(nèi)核與微內(nèi)核特點(diǎn)。3Linux內(nèi)核機(jī)制220內(nèi)核任務(wù)、Bottomhalf隊(duì)列內(nèi)核任務(wù)的理解教學(xué)思路：結(jié)合操作系統(tǒng)原理，講解Linux內(nèi)核各組件的具體實(shí)現(xiàn)。教學(xué)模式：通過(guò)投影Linux操作系統(tǒng)源代碼，對(duì)關(guān)鍵源代碼進(jìn)行逐句分析。4LinuxAPI220IPC教學(xué)思路：結(jié)合相關(guān)應(yīng)用實(shí)例，講解Linux與內(nèi)核相關(guān)高級(jí)程序設(shè)計(jì)，加深對(duì)內(nèi)核的理解。教學(xué)模式：對(duì)關(guān)鍵代碼逐句分析。5實(shí)踐課題編程設(shè)計(jì)16016注：實(shí)踐包括實(shí)驗(yàn)、上機(jī)等，授課8課時(shí)，實(shí)踐教學(xué)選作24課時(shí)。實(shí)踐內(nèi)容見(jiàn)第五節(jié)。實(shí)踐教學(xué)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(jìn)入實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)踐環(huán)節(jié)的題目根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)、興趣進(jìn)行選擇。實(shí)踐采用1-2人一個(gè)開(kāi)發(fā)題目的方式進(jìn)行，但要求滿足實(shí)踐學(xué)時(shí)24學(xué)時(shí)的要求。事先由指導(dǎo)老師分配開(kāi)發(fā)任務(wù)。實(shí)踐結(jié)束后，每個(gè)同學(xué)應(yīng)遞交符合格式要求的報(bào)告一份。5.2可選實(shí)踐內(nèi)容序號(hào)題目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容課時(shí)基本要求1內(nèi)核模塊設(shè)計(jì)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(guò)程，掌握Linux內(nèi)核模塊調(diào)試過(guò)程與調(diào)試方法。12（1）編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)理解Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊，熟悉Linux驅(qū)動(dòng)編程環(huán)境、編譯環(huán)境、內(nèi)核模塊加載過(guò)程，掌握Linux驅(qū)動(dòng)程序調(diào)試過(guò)程與調(diào)試方法。16（1）編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，理解Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)及工作過(guò)程；（2）理解內(nèi)核空間與用戶(hù)空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程及方法；（3）編寫(xiě)該驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試應(yīng)用程序，通過(guò)該測(cè)試程序測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序的有效性。3Linux塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)理解Linux塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架，熟悉Linux驅(qū)動(dòng)程序編程環(huán)境、編譯環(huán)境、內(nèi)核模塊加載過(guò)程，掌握Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)試過(guò)程與調(diào)試方法。16（1）編寫(xiě)一個(gè)塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，理解Linux塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)及工作過(guò)程；（2）理解內(nèi)核空間與用戶(hù)空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程及方法；（3）編寫(xiě)該驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試應(yīng)用程序，通過(guò)該測(cè)試程序測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序的有效性。4Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)理解Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架，熟悉Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序編程環(huán)境、編譯環(huán)境、內(nèi)核模塊加載過(guò)程，掌握Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)試過(guò)程與調(diào)試方法。16（1）編寫(xiě)一個(gè)Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，理解Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)及工作過(guò)程；（2）理解Linux中斷過(guò)程及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議機(jī)制；（3）編寫(xiě)該驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試應(yīng)用程序，通過(guò)該測(cè)試程序測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序的有效性。5Linux文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生上機(jī)實(shí)踐，掌握Linux文件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)過(guò)程。26（1）自定義一個(gè)簡(jiǎn)單文件系統(tǒng)（如類(lèi)似DOS）；（2）編寫(xiě)該文件系統(tǒng)程序，并加載至Linux操作系統(tǒng)；（3）編寫(xiě)測(cè)試程序，并測(cè)試該文件系統(tǒng)的有效性。6Linux系統(tǒng)下iSCSI應(yīng)用設(shè)計(jì)理解iSCSI工作過(guò)程。26（1）理解Linux系統(tǒng)下iSCSI，編寫(xiě)iSCSI協(xié)議代碼（2）配置iSCSItarget；（3）測(cè)試iSCSI相關(guān)性能。7Linux系統(tǒng)下多進(jìn)程程序設(shè)計(jì)-大矩陣運(yùn)算理解Linux進(jìn)程創(chuàng)建及進(jìn)程管理過(guò)程，理解Linux系統(tǒng)下IPC機(jī)制；掌握Linux下系統(tǒng)編程環(huán)境；掌握Linux程序調(diào)試過(guò)程與調(diào)試方法。16（1）編寫(xiě)一個(gè)多進(jìn)程計(jì)算大矩陣運(yùn)算程序，動(dòng)態(tài)配置創(chuàng)建進(jìn)程的數(shù)目；（2）在單核單線程CPU系統(tǒng)下，記錄在不同進(jìn)程數(shù)目下完成運(yùn)算所需要的時(shí)間；（3）在多核多CPU環(huán)境下，記錄在不同進(jìn)程數(shù)目下完成運(yùn)算所需要的時(shí)間；（4）分析該結(jié)果。8Linux系統(tǒng)下多進(jìn)程程序設(shè)計(jì)-網(wǎng)絡(luò)下載理解Linux進(jìn)程創(chuàng)建及進(jìn)程管理過(guò)程，掌握Linux下SocketAPI編程方法，理解Linux系統(tǒng)下IPC機(jī)制；掌握Linux下系統(tǒng)編程環(huán)境；掌握Linux程序調(diào)試過(guò)程與調(diào)試方法。16（1）編寫(xiě)一個(gè)多進(jìn)程FTP網(wǎng)絡(luò)下載程序；（2）在單核單線程CPU系統(tǒng)下，記錄在不同進(jìn)程數(shù)目下完成下載大文件所需要的時(shí)間；（3）在多核多CPU環(huán)境下，記錄在不同進(jìn)程數(shù)目下完成下載大文件所需要的時(shí)間；（4）分析該結(jié)果。9Linux系統(tǒng)下多進(jìn)程程序設(shè)計(jì)-網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器理解Linux進(jìn)程創(chuàng)建及進(jìn)程管理過(guò)程，掌握Linux下SocketAPI編程方法，理解Linux系統(tǒng)下IPC機(jī)制；掌握Linux下系統(tǒng)編程環(huán)境；掌握Linux程序調(diào)試過(guò)程與調(diào)試方法。16（1）編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的多進(jìn)程FTP網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；（2）同時(shí)支持5000個(gè)以上的不阻塞網(wǎng)絡(luò)鏈接；10Linux系統(tǒng)下多進(jìn)程程序設(shè)計(jì)-IPC理解Linux進(jìn)程創(chuàng)建及進(jìn)程管理過(guò)程，理解Linux系統(tǒng)下IPC機(jī)制；掌握Linux下系統(tǒng)編程環(huán)境；掌握Linux程序調(diào)試過(guò)程與調(diào)試方法。161）編寫(xiě)一個(gè)多進(jìn)程程序；（2）進(jìn)程間分別采用匿名管道、命名管道、消息隊(duì)列、共享存儲(chǔ)器、filemap等機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送；（3）比較采用各種IPC機(jī)制的數(shù)據(jù)傳輸效率，并說(shuō)明原因。11Linux系統(tǒng)下多線程程序設(shè)計(jì)-大矩陣運(yùn)算理解Linux線程創(chuàng)建（采用pthread線程庫(kù)）及線程管理過(guò)程，掌握Linux下系統(tǒng)編程環(huán)境；掌握Linux程序調(diào)試過(guò)程與調(diào)試方法。16（1）編寫(xiě)一個(gè)多線程計(jì)算大矩陣運(yùn)算程序，動(dòng)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(yùn)算所需要的時(shí)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(yùn)算所需要的時(shí)間；（4）分析該結(jié)果。12Linux系統(tǒng)下多線程程序設(shè)計(jì)-網(wǎng)絡(luò)下載理解Linux線程創(chuàng)建（采用pthread線程庫(kù)）及線程管理過(guò)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(guò)程與調(diào)試方法。26（1）編寫(xiě)一個(gè)多線程FTP網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(shí)間；（4）分析該結(jié)果。13Linux系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(cè)相關(guān)方法，理解Linux定額機(jī)制。16（1）編寫(xiě)一個(gè)Linux系統(tǒng)監(jiān)控程序；（2）監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)程所占用的CPU時(shí)間、內(nèi)存使用、磁盤(pán)使用、網(wǎng)絡(luò)使用情況等；14Linux系統(tǒng)監(jiān)測(cè)程序-API監(jiān)控理解LinuxAPI調(diào)用過(guò)程，掌握定制LinuxAPI相關(guān)方法，并從安全角度監(jiān)控LinuxAPI被進(jìn)程調(diào)用情況。26（1）編寫(xiě)一個(gè)Linux系統(tǒng)調(diào)用，或在通用Linux系統(tǒng)調(diào)用中增加相關(guān)監(jiān)測(cè)機(jī)制；（2）當(dāng)進(jìn)程調(diào)用該被監(jiān)測(cè)API時(shí)，系統(tǒng)對(duì)調(diào)用情況進(jìn)行記錄（調(diào)用進(jìn)程、調(diào)用時(shí)間等），并可進(jìn)行報(bào)警處理。15Linux內(nèi)核deamon遠(yuǎn)程監(jiān)控理解Linuxdaemon內(nèi)核線程，掌握LinuxDaemon程序設(shè)計(jì)相關(guān)方法，監(jiān)控Linux運(yùn)行情況，遠(yuǎn)端可通過(guò)該Daemon獲取系統(tǒng)運(yùn)行情況。26（1）編寫(xiě)一個(gè)LinuxDaemon，監(jiān)控Linux運(yùn)行情況，遠(yuǎn)端可通過(guò)該Daemon獲取系統(tǒng)運(yùn)行情況；（2）系統(tǒng)運(yùn)行異常，進(jìn)行報(bào)警處理。16Linux下網(wǎng)絡(luò)包抓取及分析理解Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，掌握網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包抓取及包分析方法，識(shí)別網(wǎng)絡(luò)入侵、網(wǎng)絡(luò)攻擊等不正常數(shù)據(jù)包，并分析攻擊類(lèi)型，并提出相關(guān)處理、報(bào)警機(jī)制。26（1）編寫(xiě)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包抓取及數(shù)據(jù)分析程序，識(shí)別網(wǎng)絡(luò)入侵、網(wǎng)絡(luò)攻擊等不正常數(shù)據(jù)包，并分析攻擊類(lèi)型；（2）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)異常，進(jìn)行報(bào)警處理。17Linux系統(tǒng)在ARM體系下的移植了解新一代ARM相關(guān)體系結(jié)構(gòu)如CortexA8/A9，理解Linux在ARM體系下的初始化及啟動(dòng)過(guò)程（如uboot的移植）。并最終在開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行uboot和linux操作系統(tǒng)。26（1）深入理解ARMCortexA8/A9體系結(jié)構(gòu)；（2）移植uboot;移植Linux，并在開(kāi)發(fā)板運(yùn)行完整Linux操作系統(tǒng)。六、考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定考核通過(guò)實(shí)踐表現(xiàn)（10%）、設(shè)計(jì)機(jī)試檢查（60%）、實(shí)踐報(bào)告（30%）三個(gè)方面綜合評(píng)定學(xué)生成績(jī)