2026 年 Linux 核心設計課程自我評量

姓名:張力升　GitHub:JOJOTOOL

本自我評量遵循本課程評量準則:以客觀事實為主,強調過去與現在、不寫「期許自己」這類對未來的空泛承諾;所有產出均附公開紀錄(commit、PR、HackMD、pcap 佐證),可逐項查證。

[TOC]

成果發表與貢獻

自評:8分

課程教材與 sysprog21 專案

本學期對 sysprog21 的 kbox(把真實 Linux 核心以 LKL 形式連進行程、就地攔截 syscall 的 rootless 執行環境)貢獻了一套具第二層(L2)隔離的網路子系統,取代原本只能 outbound 的 SLIRP 使用者態網路。技術細節見下方〈期末專題〉,規模與佐證:

• 變更規模(git diff --stat HEAD 可重現):34 個檔案、+2155 / −1112 行,主體為 src/net-slirp.c、src/dispatch-net.c。
• 對應 PR / commit:【填入你的 PR 連結】;基準點 commit ba08934(SLIRP 起點)、0000c75(buffer overflow 修正)。

作業與隨堂測驗

自評:7分 每週平均投入約 15 小時

期末專題:擴展 kbox 的完整網路能力

自評:8分

專題文件:https://hackmd.io/@sysprog/HkncHMvAbe　關鍵程式:src/dispatch-net.c、src/net-slirp.c、src/net.h

專題背景與問題定義(起點)

kbox 最初的網路以 SLIRP 實作,只支援 outbound TCP/UDP(commit ba08934 Add SLIRP user-mode networking)。其客觀限制(可從當時行為驗證):

1. 沒有隔離:guest 的 socket 呼叫經位址轉譯後,實際使用 host 的網路堆疊。
2. L2 不可見:流量在 SLIRP 層被重新封裝,乙太網路訊框(Ethernet frame)這一層看不到,無法用 tcpdump 觀察或在訊框邊界分析。
3. 設定寫死:IP 位址靜態硬編碼,沒有動態協定行為。
4. 無法注入故障:不能模擬封包遺失、延遲或網路異常。

系統設計

以三層架構把網路堆疊搬進 LKL,並在 host 端串接外部網路。

第一層 — syscall 層隔離(src/dispatch-net.c):把 guest 的網路 syscall 從「落到 host」改為「轉送進 LKL」。實作的轉送函式皆呼叫對應 kbox_lkl_* 包裝,最終進入 lkl_syscall():forward_socket、forward_bind、forward_connect、forward_listen、forward_accept4、forward_sendto、forward_recvfrom、forward_sendmsg、forward_recvmsg、forward_getsockopt、forward_setsockopt、forward_getsockname、forward_getpeername、forward_shutdown、forward_poll(涵蓋 poll() / ppoll())。

第二層 — LKL 網路裝置(src/net-slirp.c):以 lkl_netdev_tap_create() 建立 TAP 介面 kbox0,再用 lkl_netdev_add() 掛進 LKL 的 virtio-net 後端;guest 端設定靜態 10.0.2.15/24 或 DHCP,預設閘道 10.0.2.2 並設定 DNS。對應 kbox_net_add_device()、kbox_net_configure(),並保留 LKL/網路關閉時的 stub 實作以維持建置不失敗。

第三層 — host 端串接:對 TAP 指派 10.0.2.2/24、開啟 IP forwarding、加上 MASQUERADE NAT、放行 FORWARD 鏈,作為 LKL 隔離堆疊與外部網路之間的橋。

DHCP 狀態機(RFC 2131):client 端 dhcp_build_discover() / dhcp_build_request() / dhcp_opt_find(),server 端 dhcp_server_start() / dhcp_server_build_reply()(監聽 port 67),完成 DISCOVER → OFFER → REQUEST → ACK 四步交握。

可觀測性與故障注入:pcap_open() / pcap_write_packet() / pcap_close() 把 L2 訊框連同時戳寫成 pcap;另有獨立 AF_PACKET 監看執行緒。故障注入以 tc flower DROP(IPv6、mDNS)、tc netem 經 IFB 裝置注入延遲、kbox_net_inject_frame() 直接在 L2 注入自訂訊框。對外介面見 src/net.h(新增 kbox_net_set_pcap / set_dhcp / set_inject_frame 等)。

量測方法

範例特別強調「謹慎用詞」與統計嚴謹:效能宣稱要有前後對照 + 信賴區間 + 檢定,不寫「快很多」。請以此標準補上實測資料。

• 延遲注入驗證:設定 tc netem 500 ms 延遲,量測 ICMP RTT 由 【base RTT】 增為 【延遲後 RTT】(建議 N ≥ 30 次、附 95% 信賴區間)。
• 過濾規則驗證:以 tc DROP 規則的計數器遞增,佐證 IPv6 / mDNS 被擋(附計數器前後值)。
• 協定正確性:以 pcap 追蹤確認 ARP who-has、DHCP 四步交握的封包序列(附 tcpdump 判讀)。
• 【若有吞吐量 / 建立連線延遲的前後對照(SLIRP vs LKL+TAP),以表格呈現並註明量測環境。】

期末展示

可重現的驗證結果(建議附你自己的截圖 / pcap 檔):

目前尚未完成 / 待收斂(誠實列出,不找藉口):

1. inbound server socket 路徑(forward_listen / forward_accept4)已實作,但仍保留 fprintf(stderr, ">>> ...") 除錯輸出待清除。
2. per-socket 的 pcap 註冊尚未接上:kbox_net_register_socket() 在 forward_socket() 中仍為註解狀態。

與授課教師的互動

自評:6分

課堂問答軌跡

2026/3/17 2026/6/9

所見所聞所感

自評:8分

關於實驗設計與可重現性

從這次專題我具體學到:效能與行為宣稱必須可重現。SLIRP 之所以看不到 L2,是因為它在使用者態重新封裝流量——這讓我把觀測點改放在 TAP 與 virtio-net 之間,才拿得到完整的 ARP、TCP 重傳等協定行為。這也促使我在〈量測方法〉採前後對照與統計信賴區間,而非只給單次數字。

關於謹慎用詞

一開始自行拼湊封包 / 位址結構、對長度與對齊做不安全假設,導致緩衝區溢位(commit 0000c75);改用標準網路結構後才體認到跨 ABI 邊界傳遞結構時,自訂 layout 的長度假設不可靠。【延伸:術語要精確,例如 socket / connection / endpoint 不可混用。】

關於自身投入的回顧

誠實回顧投入(範例甚至以每週時數與同儕基準對照),以及起點 → 終點的能力變化:從只熟悉使用者態 socket API,到能在 LKL 內設定 virtio-net/TAP、實作 DHCP 交握、用 tc/netem/IFB 做 L2 故障注入、用 pcap+AF_PACKET 擷取分析訊框。

分數計算

各項自評如下,總分採幾何平均(任一項偏低都會顯著拉低總分):

\[ \text{總分} = \sqrt[5]{8 \times 7 \times 8 \times 6 \times 8} \]

方案 A:若〈成果發表與貢獻〉的非顯著(non-trivial)貢獻達門檻,依方案 A 計分並在該節附檢核表;否則走一般方案。

自我評量總分:7.3 / 10

附錄:佐證連結與證據

• 期末專題技術文件:https://hackmd.io/@sysprog/HkncHMvAbe
• 自我評量範例(結構參考):https://hackmd.io/@sysprog/HkRmtTGlze
• 自我評量原則:https://hackmd.io/@sysprog/linux2024-assessment
• 關鍵程式檔:src/dispatch-net.c、src/net-slirp.c、src/net.h、src/lkl-wrap.c / src/lkl-wrap.h