21 Gerätemanagement über dynamischen Kernel mithilfe von udev #

Die Geräteknoten im /dev-Verzeichnis ermöglichen den Zugriff auf die entsprechenden Kernel-Geräte. Mithilfe von udev spiegelt das /dev-Verzeichnis den aktuellen Status des Kernels wieder. Jedes Kernel-Gerät verfügt über eine entsprechende Gerätedatei. Falls ein Gerät vom System getrennt wird, wird der Geräteknoten entfernt.

Der Inhalt des /dev-Verzeichnisses wird auf einem temporären Dateisystem gespeichert und alle Dateien werden bei jedem Systemstart gerendert. Manuell erstellte oder bearbeitete Dateien sind nicht dazu ausgelegt, einen Neustart zu überstehen. Statische Dateien und Verzeichnisse, die unabhängig vom Status des entsprechenden Kernel-Geräts immer im /dev-Verzeichnis vorhanden sein sollten, können mit systemd-tmpfiles erstellt werden. Die Konfigurationsdateien finden Sie in /usr/lib/tmpfiles.d/ und /etc/tmpfiles.d/. Weitere Informationen finden Sie auf der man-Seite systemd-tmpfiles(8).

Die erforderlichen Geräteinformationen werden vom sysfs-Dateisystem exportiert. Für jedes Gerät, das der Kernel erkannt und initialisiert hat, wird ein Verzeichnis mit dem Gerätenamen erstellt. Es enthält Attributdateien mit gerätespezifischen Eigenschaften.

Jedes Mal, wenn ein Gerät hinzugefügt oder entfernt wird, sendet der Kernel ein uevent, um udev über die Änderung zu informieren. Der udev-Dämon liest und parst beim Start alle Regeln aus den Dateien /usr/lib/udev/rules.d/*.rules und /etc/udev/rules.d/*.rules und lädt sie dauerhaft in den Speicher. Wenn Regeldateien geändert, hinzugefügt oder entfernt werden, kann der Dämon ihre Arbeitsspeicherrepräsentation mithilfe des Befehls udevadm control --reload wieder laden. Weitere Informationen zu den udev-Regeln und deren Syntax finden Sie unter Abschnitt 21.6, „Einflussnahme auf das Gerätemanagement über dynamischen Kernel mithilfe von udev-Regeln“.

Jedes empfangene Ereignis wird mit dem Satz der angegebenen Regeln abgeglichen. Die Regeln können Ereignisergebnisschlüssel hinzufügen oder ändern, einen bestimmten Namen für den zu erstellenden Geräteknoten anfordern, auf den Knoten verweisende symbolische Links hinzufügen oder Programme hinzufügen, die ausgeführt werden sollen, nachdem der Geräteknoten erstellt wurde. Die Treiber-Core-uevents werden von einem Kernel-Netlink-Socket empfangen.

Die Kernel-Bus-Treiber prüfen, ob Geräte vorhanden sind. Für jedes erkannte Gerät erstellt der Kernel eine interne Gerätestruktur, während der Treiber-Core ein uevent an den udev-Dämon sendet. Bus-Geräte identifizieren sich mithilfe einer speziell formatierten ID, die Auskunft über die Art des Geräts gibt. Normalerweise bestehen diese IDs aus einer Hersteller- und einer Produkt-ID und anderen das Subsystem betreffenden Werten. Jeder Bus weist ein eigenes Schema für diese IDs auf, das so genannte MODALIAS-Schema. Der Kernel bedient sich der Geräteinformationen, verfasst daraus eine MODALIAS-ID-Zeichenkette und sendet diese Zeichenkette zusammen mit dem Ereignis. Beispiel für eine USB-Maus:

MODALIAS=usb:v046DpC03Ed2000dc00dsc00dp00ic03isc01ip02

Jeder Gerätetreiber verfügt über eine Liste bekannter Aliasse für Geräte, die er behandeln kann. Die Liste ist in der Kernel-Moduldatei selbst enthalten. Das Programm depmod liest die ID-Listen und erstellt die Datei modules.alias im Verzeichnis /lib/modules des Kernel für alle zurzeit verfügbaren Module. Bei dieser Infrastruktur ist das Laden des Moduls ein ebenso müheloser Vorgang, wie das Aufrufen von modprobe für jedes Ereignis, das über einen MODALIAS-Schlüssel verfügt. Falls modprobe $MODALIAS aufgerufen wird, gleicht es den für das Gerät verfassten Geräte-Alias mit den Aliassen von den Modulen ab. Falls ein übereinstimmender Eintrag gefunden wird, wird das entsprechende Modul geladen. Dies alles wird automatisch von udev ausgelöst.

Alle Geräteereignisse, die während des Bootvorgangs stattfinden, bevor der udev-Daemon ausgeführt wird, gehen verloren. Dies liegt daran, dass die Infrastruktur für die Behandlung dieser Ereignisse sich auf dem Root-Dateisystem befindet und zu diesem Zeitpunkt nicht verfügbar ist. Diesen Verlust fängt der Kernel mit der Datei uevent ab, die sich im Geräteverzeichnis jedes Geräts im sysfs-Dateisystem befindet. Durch das Schreiben von add in die entsprechende Datei sendet der Kernel dasselbe Ereignis, das während des Bootvorgangs verloren gegangen ist, neu. Eine einfache Schleife über alle uevent-Dateien in /sys löst alle Ereignisse erneut aus, um die Geräteknoten zu erstellen und die Geräteeinrichtung durchzuführen.

Beispielsweise kann eine USB-Maus, die während des Bootvorgangs vorhanden ist, nicht durch die frühe Bootlogik initialisiert werden, da der Treiber zum entsprechenden Zeitpunkt nicht verfügbar ist. Das Ereignis für die Geräteerkennung ist verloren gegangen und konnte kein Kernel-Modul für das Gerät finden. Anstatt manuell nach angeschlossenen Geräten zu suchen, fordert udev alle Geräteereignisse aus dem Kernel an, wenn das Root-Dateisystem verfügbar ist. Das Ereignis für die USB-Maus wird also erneut ausgeführt. Jetzt wird das Kernel-Modul auf dem eingehängten Root-Dateisystem gefunden und die USB-Maus kann initialisiert werden.

Vom userspace aus gibt es keinen erkennbaren Unterschied zwischen einer coldplug-Gerätesequenz und einer Geräteerkennung während der Laufzeit. In beiden Fällen werden dieselben Regeln für den Abgleich verwendet und dieselben konfigurierten Programme ausgeführt.

Das Programm udevadm monitor kann verwendet werden, um die Treiber-Core-Ereignisse und das Timing der udev-Ereignisprozesse zu visualisieren.

UEVENT[1185238505.276660] add   /devices/pci0000:00/0000:00:1d.2/usb3/3-1 (usb)
UDEV  [1185238505.279198] add   /devices/pci0000:00/0000:00:1d.2/usb3/3-1 (usb)
UEVENT[1185238505.279527] add   /devices/pci0000:00/0000:00:1d.2/usb3/3-1/3-1:1.0 (usb)
UDEV  [1185238505.285573] add   /devices/pci0000:00/0000:00:1d.2/usb3/3-1/3-1:1.0 (usb)
UEVENT[1185238505.298878] add   /devices/pci0000:00/0000:00:1d.2/usb3/3-1/3-1:1.0/input/input10 (input)
UDEV  [1185238505.305026] add   /devices/pci0000:00/0000:00:1d.2/usb3/3-1/3-1:1.0/input/input10 (input)
UEVENT[1185238505.305442] add   /devices/pci0000:00/0000:00:1d.2/usb3/3-1/3-1:1.0/input/input10/mouse2 (input)
UEVENT[1185238505.306440] add   /devices/pci0000:00/0000:00:1d.2/usb3/3-1/3-1:1.0/input/input10/event4 (input)
UDEV  [1185238505.325384] add   /devices/pci0000:00/0000:00:1d.2/usb3/3-1/3-1:1.0/input/input10/event4 (input)
UDEV  [1185238505.342257] add   /devices/pci0000:00/0000:00:1d.2/usb3/3-1/3-1:1.0/input/input10/mouse2 (input)

Die UEVENT-Zeilen zeigen die Ereignisse an, die der Kernel an Netlink gesendet hat. Die UDEV-Zeilen zeigen die fertig gestellten udev-Ereignisbehandlungsroutinen an. Das Timing wird in Mikrosekunden angegeben. Die Zeit zwischen UEVENT und UDEV ist die Zeit, die udev benötigt hat, um dieses Ereignis zu verarbeiten oder der udev-Daemon hat eine Verzögerung bei der Ausführung der Synchronisierung dieses Ereignisses mit zugehörigen und bereits ausgeführten Ereignissen erfahren. Beispielsweise warten Ereignisse für Festplattenpartitionen immer, bis das Ereignis für den primären Datenträger fertig gestellt ist, da die Partitionsereignisse möglicherweise auf die Daten angewiesen sind, die das Ereignis für den primären Datenträger von der Hardware angefordert hat.

udevadm monitor --env zeigt die vollständige Ereignisumgebung an:

ACTION=add
DEVPATH=/devices/pci0000:00/0000:00:1d.2/usb3/3-1/3-1:1.0/input/input10
SUBSYSTEM=input
SEQNUM=1181
NAME="Logitech USB-PS/2 Optical Mouse"
PHYS="usb-0000:00:1d.2-1/input0"
UNIQ=""
EV=7
KEY=70000 0 0 0 0
REL=103
MODALIAS=input:b0003v046DpC03Ee0110-e0,1,2,k110,111,112,r0,1,8,amlsfw

udev sendet auch Meldungen an syslog. Die Standard-syslog-Priorität, die steuert, welche Meldungen an syslog gesendet werden, wird in der udev-Konfigurationsdatei /etc/udev/udev.conf angegeben. Die Protokollpriorität des ausgeführten Dämons kann mit udevadm control --log_priority=LEVEL/NUMBER geändert werden.

Eine udev-Regel kann mit einer beliebigen Eigenschaft abgeglichen werden, die der Kernel der Ereignisliste hinzufügt oder mit beliebigen Informationen, die der Kernel in sysfs exportiert. Die Regel kann auch zusätzliche Informationen aus externen Programmen anfordern. Ereignisse werden mit allen Regeln abgeglichen, die in den Verzeichnissen /usr/lib/udev/rules.d/ (Standardregeln) und /etc/udev/rules.d (systemspezifische Konfiguration) enthalten sind.

Jede Zeile in der Regeldatei enthält mindestens ein Schlüsselwertepaar. Es gibt zwei Arten von Schlüsseln: die Übereinstimmungsschlüssel und Zuweisungsschlüssel. Wenn alle Übereinstimmungsschlüssel mit ihren Werten übereinstimmen, wird diese Regel angewendet und der angegebene Wert wird den Zuweisungsschlüsseln zugewiesen. Eine übereinstimmende Regel kann den Namen des Geräteknotens angeben, auf den Knoten verweisende symbolische Links hinzufügen oder ein bestimmtes Programm als Teil der Ereignisbehandlung ausführen. Falls keine übereinstimmende Regel gefunden wird, wird der standardmäßige Geräteknotenname verwendet, um den Geräteknoten zu erstellen. Ausführliche Informationen zur Regelsyntax und den bereitgestellten Schlüsseln zum Abgleichen oder Importieren von Daten werden auf der man-Seite von udev beschrieben. Nachfolgend finden Sie einige Beispielregeln, die Sie in die grundlegende Regelsyntax von udev einführen. Sämtliche Beispielregeln stammen aus dem udev-Standardregelsatz, der sich in /usr/lib/udev/rules.d/50-udev-default.rules befindet.

# console
KERNEL=="console", MODE="0600", OPTIONS="last_rule"

# serial devices
KERNEL=="ttyUSB*", ATTRS{product}=="[Pp]alm*Handheld*", SYMLINK+="pilot"

# printer
SUBSYSTEM=="usb", KERNEL=="lp*", NAME="usb/%k", SYMLINK+="usb%k", GROUP="lp"

# kernel firmware loader
SUBSYSTEM=="firmware", ACTION=="add", RUN+="firmware.sh"

Die Regel Konsole besteht aus drei Schlüsseln: einem Übereinstimmungsschlüssel (KERNEL) und zwei Zuweisungsschlüsseln (MODE, OPTIONS). Der Übereinstimmungsschlüssel KERNEL durchsucht die Geräteliste nach Elementen des Typs console. Nur exakte Übereinstimmungen sind gültig und lösen die Ausführung dieser Regel aus. Der Zuweisungsschlüssel MODE weist dem Geräteknoten spezielle Berechtigungen zu, in diesem Fall Lese- und Schreibberechtigung nur für den Eigentümer des Geräts. Der Schlüssel OPTIONS bewirkt, dass diese Regel auf Geräte dieses Typs als letzte Regel angewendet wird. Alle nachfolgenden Regeln, die mit diesem Gerätetyp übereinstimmen, werden nicht mehr angewendet.

Die Regel serial devices steht in 50-udev-default.rules nicht mehr zur Verfügung; es lohnt sich jedoch, sie sich dennoch anzusehen. Sie besteht aus zwei Übereinstimmungsschlüsseln (KERNEL und ATTRS) und einem Zuweisungsschlüssel (SYMLINK). Der Übereinstimmungsschlüssel KERNEL sucht nach allen Geräten des Typs ttyUSB. Durch den Platzhalter * trifft dieser Schlüssel auf mehrere dieser Geräte zu. Der zweite Übereinstimmungsschlüssel (ATTRS) überprüft, ob die Attributdatei product in sysfs der jeweiligen ttyUSB-Geräte eine bestimmte Zeichenkette enthält. Der Zuweisungsschlüssel SYMLINK bewirkt, dass dem Gerät unter /dev/pilot ein symbolischer Link hinzugefügt wird. Der Operator dieses Schlüssels (+=) weist udev an, diese Aktion auch dann auszuführen, wenn dem Gerät bereits durch frühere (oder auch erst durch spätere) Regeln andere symbolische Links hinzugefügt wurden. Die Regel wird nur angewendet, wenn die Bedingungen beider Übereinstimmungsschlüssel erfüllt sind.

Die Regel printer gilt nur für USB-Drucker. Sie enthält zwei Übereinstimmungsschlüssel (SUBSYSTEM und KERNEL), die beide zutreffen müssen, damit die Regel angewendet wird. Die drei Zuweisungsschlüssel legen den Namen dieses Gerätetyps fest (NAME), die Erstellung symbolischer Gerätelinks (SYMLINK) sowie die Gruppenmitgliedschaft dieses Gerätetyps (GROUP). Durch den Platzhalter * im Schlüssel KERNEL trifft diese Regel auf mehrere lp-Druckergeräte zu. Sowohl der Schlüssel NAME als auch der Schlüssel SYMLINK verwenden Ersetzungen, durch die der Zeichenkette der interne Gerätename hinzugefügt wird. Der symbolische Link für den ersten lp-USB-Drucker würde zum Beispiel /dev/usblp0 lauten.

Die Regel kernel firmware loader weist udev an, während der Laufzeit weitere Firmware mittels eines externen Hilfsskripts zu laden. Der Übereinstimmungsschlüssel SUBSYSTEM sucht nach dem Subsystem firmware. Der Schlüssel ACTION überprüft, ob bereits Geräte des Subsystems firmware hinzugefügt wurden. Der Schlüssel RUN+= löst die Ausführung des Skripts firmware.sh aus, das die noch zu ladende Firmware lokalisiert.

Die folgenden allgemeinen Eigenschaften treffen auf alle Regeln zu:

Das dynamische Geräteverzeichnis und die Infrastruktur für die udev-Regeln ermöglichen die Bereitstellung von stabilen Namen für alle Laufwerke unabhängig von ihrer Erkennungsreihenfolge oder der für das Gerät verwendeten Verbindung. Jedes geeignete Blockgerät, das der Kernel erstellt, wird von Werkzeugen mit speziellen Kenntnissen über bestimmte Busse, Laufwerktypen oder Dateisysteme untersucht. Gemeinsam mit dem vom dynamischen Kernel bereitgestellten Geräteknotennamen unterhält udev Klassen permanenter symbolischer Links, die auf das Gerät verweisen:

/dev/disk
|-- by-id
|   |-- scsi-SATA_HTS726060M9AT00_MRH453M4HWHG7B -> ../../sda
|   |-- scsi-SATA_HTS726060M9AT00_MRH453M4HWHG7B-part1 -> ../../sda1
|   |-- scsi-SATA_HTS726060M9AT00_MRH453M4HWHG7B-part6 -> ../../sda6
|   |-- scsi-SATA_HTS726060M9AT00_MRH453M4HWHG7B-part7 -> ../../sda7
|   |-- usb-Generic_STORAGE_DEVICE_02773 -> ../../sdd
|   `-- usb-Generic_STORAGE_DEVICE_02773-part1 -> ../../sdd1
|-- by-label
|   |-- Photos -> ../../sdd1
|   |-- SUSE10 -> ../../sda7
|   `-- devel -> ../../sda6
|-- by-path
|   |-- pci-0000:00:1f.2-scsi-0:0:0:0 -> ../../sda
|   |-- pci-0000:00:1f.2-scsi-0:0:0:0-part1 -> ../../sda1
|   |-- pci-0000:00:1f.2-scsi-0:0:0:0-part6 -> ../../sda6
|   |-- pci-0000:00:1f.2-scsi-0:0:0:0-part7 -> ../../sda7
|   |-- pci-0000:00:1f.2-scsi-1:0:0:0 -> ../../sr0
|   |-- usb-02773:0:0:2 -> ../../sdd
|   |-- usb-02773:0:0:2-part1 -> ../../sdd1
`-- by-uuid
    |-- 159a47a4-e6e6-40be-a757-a629991479ae -> ../../sda7
    |-- 3e999973-00c9-4917-9442-b7633bd95b9e -> ../../sda6
    `-- 4210-8F8C -> ../../sdd1

Die folgenden Dateien und Verzeichnisse enthalten die entscheidenden Elemente der udev-Infrastruktur:

Weitere Informationen zur udev-Infrastruktur finden Sie auf den folgenden Manualpages: