ELF, Ext4, Inode

מהי ליבת לינוקס (‪Kernel‬)

ליבת לינוקס מהווה את הלב הפועם של מערכת ההפעלה.
היא אחראית על ניהול כלל משאבי המערכת, כגון מעבד, זיכרון והתקני אחסון, ומתאמת את הגישה של תהליכים שונים לחומרה.
הליבה משמשת שכבה מרכזית בין התוכנות הפועלות במערכת לבין רכיבי החומרה הפיזיים, ובכך מאפשרת גמישות תפעולית והגנה על יציבות המערכת.
בזכות יכולות אלה, ליבת לינוקס מאפשרת להריץ מגוון רחב של יישומים ושירותים בצורה יעילה.

מודולי ליבה (‪Kernel Modules‬)

מודולי ליבה הם רכיבים שניתן להטעין ולהסיר מהליבה באופן דינמי.
כך ניתן להרחיב או לצמצם פונקציונליות בלי לאתחל את המערכת כולה.
המודולים כוללים בין היתר תמיכה בחומרה חדשה או הגדרות ייעודיות לתכונות מיוחדות.
כאשר מערכת הלינוקס נתקלת בהתקן שאינו מוכר לה או כאשר אנו מעוניינים להוסיף פונקציונליות כלשהי, אנו יכולים להשתמש בפקודות מתאימות לטעינת מודול רלוונטי.
היכולת הזו מאפשרת גמישות רבה ועוזרת להתאים את המערכת לסביבות וצרכים משתנים.

מנהלי התקנים (‪Drivers‬)

מנהל התקן הוא רכיב תוכנה שתפקידו לתווך בין מערכת ההפעלה לבין החומרה.
כאשר תהליך מסוים או מערכת ההפעלה עצמה רוצים לתקשר עם רכיב פיזי, מנהל ההתקן מעביר את הפקודות והנתונים בצורה המתאימה לאותו רכיב.
כתוצאה מכך, ניתן להפעיל ציוד היקפי כמו כרטיסי קול, כרטיסי רשת או התקני אחסון בצורה חלקה.
מנהלי התקנים הם לרוב חלק מקובץ מודול ליבה, כך שניתן לטעון אותם רק כשיש צורך ולהסירם כשכבר אינם בשימוש.

‪User Space‬ (חלל המשתמש)

חלל המשתמש הוא האזור שבו פועלות רוב האפליקציות והתהליכים שאינם קריטיים לפעולה התקינה של הליבה.
ההרשאות בחלל זה מוגבלות, כדי להגן על יציבות ואבטחת המערכת.
כאשר תוכנית צריכה לבצע פעולה הקשורה למשאבי המערכת, כמו גישה לדיסק או תקשורת רשת, היא מבצעת קריאות מערכת שמועברות לליבה.
כך נוצרת הפרדה מובנית המונעת מגורמים לא מורשים או משגיאות תכנות פשוטות לגרום לקריסת המערכת או לפגיעה חמורה בה.

‪Swap‬ – הרחבת הזיכרון הפיזי

על אף שהמערכת משתמשת בעיקר בזיכרון ‪RAM‬ לצורך הרצת תהליכים, ייתכנו מקרים שבהם העומס בזיכרון הפיזי מגיע למקסימום.
במקרה זה, נעשה שימוש באזור ה-‪Swap‬ (מחיצה או קובץ), לשם העברת חלק מהמידע הפחות פעיל מהזיכרון לדיסק הקשיח.
כך משוחרר מקום ב-‪RAM‬ עבור תהליכים חדשים או פעילים יותר, אך יש לזכור שקריאה וכתיבה לדיסק אטיים יותר מאשר ל-‪RAM‬, ולכן שימוש מוגזם ב-‪Swap‬ עלול לפגוע בביצועים.
במערכות שרתים נהוג להפחית את ערך ה-‪swapiness‬ כדי למנוע העברה מוקדמת מדי של מידע ל-‪Swap‬, ובכך לשפר ביצועים.

‪X-Server‬ והסביבה הגרפית

‪X-Server‬ הוא החלק האחראי על הממשק הגרפי בלינוקס.
הוא מהווה שכבה המקשרת בין התוכנות המבקשות להציג ממשק גרפי לבין כרטיס המסך והרכיבים הגרפיים של המערכת.
‪X-Server‬ דואג לציור חלונות, כפתורים, תפריטים, וכל אלמנט חזותי אחר הנדרש לשולחן העבודה או ליישומים גרפיים.
בעת עליית המערכת הגרפית, נטענים קבצי תצורה (כדוגמת ‪xorg.conf‬) המגדירים את הגדרות הכרטיס הגרפי, הרזולוציה והתקני קלט כמו מקלדת ועכבר.

מנהל האתחול (‪Boot Loader‬) ‪GRUB‬

‪GRUB‬ (‪Grand Unified Bootloader‬) הוא מנהל האתחול הסטנדרטי של לינוקס.
הוא מופעל מייד עם הדלקת המחשב וטעינת הקושחה (‪BIOS/UEFI‬), ומאפשר לבחור איזו מערכת הפעלה לטעון, או באיזו תצורה נרצה לעלות את ליבת לינוקס.
‪GRUB‬ קורא קובצי הגדרה המאוחסנים בדרך כלל בתיקיות ייעודיות כגון ‪/boot/grub‬, ומעביר לליבה פרמטרים שונים (‪cmdline‬) על פי צורכי המשתמש.
במידה וקובצי האתחול או מחיצות המערכת נפגמים, עשוי ‪GRUB‬ להיכנס למצב "‪grub rescue‬", המצריך פקודות ידניות או תיקון של הגדרות האתחול לפני המשך הפעולה.

טעינת מודולים: ‪insmod‬ לעומת ‪modprobe‬

‪insmod‬ היא פקודה בסיסית המטעינה מודול ליבה בודד, אך אינה יודעת לטפל בתלויות הנדרשות למודול.
אם המודול זקוק למודולים אחרים על מנת לפעול כראוי, יש להטעין אותם בנפרד.
מנגד, ‪modprobe‬ מטפלת באופן אוטומטי גם בתלויות, ומקלה משמעותית על תהליך טעינת המודולים.
כך ניתן לטעון במהירות קבוצה של מודולי ליבה המשולבים זה בזה, מבלי לגרום לבעיות תאימות או קריסה.
כאשר עושים שימוש שוטף במודולים, מומלץ לעבוד עם ‪modprobe‬ כדי להימנע משגיאות ומניהול ידני מסובך.

עריכת פרמטרי ליבה (‪Kernel Parameters‬) לפני הטעינה

ניתן לקבוע פרמטרים מיוחדים לליבה, כגון הגדרות הקשורות לחומרה, קריאות מערכת או מגבלות משאבים, כבר לפני שהליבה נטענת במלואה.
לשם כך, עורכים את הקובץ ‪/etc/default/grub‬ ומשלבים את הפרמטרים הרצויים במשתנה ‪GRUB_CMDLINE_LINUX‬.
דוגמה לפרמטרים נפוצים הם ‪quiet‬ (להסתיר פלט בעת האתחול) או ‪iommu=on‬ (עבור ניהול מתקדם של זיכרון לכניסות/יציאות).
לאחר מכן, מפעילים ‪update-grub‬ (או כלי דומה) כדי לכתוב את ההגדרות החדשות בפועל למאגר האתחול.

טעינת דרייברים אוטומטית בעת אתחול

כאשר רוצים שדרייבר (מודול ליבה) מסוים ייטען אוטומטית בכל הפעלה של המערכת, ניתן להוסיף את שמו לקובץ ‪/etc/modules‬.
כך, בכל תהליך אתחול, המערכת תבדוק את הרשימה, ותוודא שהמודולים המופיעים בה נטענים גם ללא התערבות המשתמש.
שיטה זו שימושית במיוחד עבור רכיבי חומרה או מודולי אבטחה הדורשים שימוש קבוע, ונחסכת הצורך לטעון אותם ידנית בכל פעם.

חשיבות ההפרדה בין ‪User Space‬ ל-‪Kernel Space‬ מבחינת אבטחה

אחד מעקרונות האבטחה החשובים בלינוקס הוא ההפרדה בין חלל המשתמש (‪User Space‬) לבין חלל הליבה (‪Kernel Space‬).
תהליכים וחלק ניכר מהאפליקציות פועלים בחלל המשתמש בלבד, עם הרשאות מוגבלות ואמצעי הגנה מגוונים.
אם תוכנה זדונית מצליחה לחדור לאזור זה, היא עדיין לא מקבלת גישה ישירה למשאבי הליבה הקריטיים.
בהיעדר גישה ישירה, הקוד הזדוני יתקשה מאוד לפגוע בפעולות הליבה, וכך נשמרת יציבות המערכת.

‪DKMS‬ (‪Dynamic Kernel Module Support‬)

‪DKMS‬ הוא מנגנון שתפקידו לדאוג לכך שמודולי ליבה מותאמים ימשיכו לפעול כהלכה גם לאחר עדכונים לליבה.
במילים אחרות, אם אתם עושים קומפילציה של דרייבר צד שלישי או מודול מיוחד למערכת שלכם, ‪DKMS‬ יתעדכן כאשר תותקן גרסת ליבה חדשה, ויקמפל את המודול מחדש אוטומטית.
כך לא מאבדים תמיכה בחומרה או בתכונות חשובות בכל פעם שמותקנים תיקוני אבטחה ועדכונים שוטפים לליבה.

הגדרת ‪swapiness‬ ושמירה על ביצועים

‪swapiness‬ הוא פרמטר הקובע באיזו תדירות המערכת תשתמש ב-‪Swap‬ במקום ב-‪RAM‬.
ערך גבוה משמעותו שהמערכת תיטה לפנות נתונים לדיסק מוקדם יחסית, בעוד ערך נמוך יעדיף להשאיר נתונים בזיכרון הפיזי.
במערכות שרת, עם כמות זיכרון גדולה, נהוג להגדיר ערך ‪swapiness‬ נמוך, מה שמשפר ביצועים ומפחית את הגישה לאזור הדיסק האיטי.
חשוב להישאר עירניים לנפח ה-‪Swap‬ כדי למנוע מצב שבו המערכת מגיעה למיצוי ה-‪RAM‬ וללא פתרון חלופי.

הורדת מודול בשימוש והקשר ליציבות מערכת

כאשר משתמשים בפקודת ‪rmmod‬ להסרת מודול ליבה המשרת תהליכים פעילים, עלולה להתרחש קריסה של אותם תהליכים או של המערכת עצמה.
המודול מספק פונקציונליות ליבה, ואם מסירים אותו בזמן פעולה, אי אפשר להשלים את הקריאות (‪Function Calls‬) שהגיעו ממערכות אחרות.
לפיכך, חשוב לוודא מראש ששום תהליך אינו משתמש בפונקציות של אותו מודול לפני הסרתו.
ניתן לבדוק שימוש במודול על ידי פקודות נוספות או קריאת יומן (‪dmesg‬).
במערכות מורכבות, במיוחד אלה עם דרייברים רגישים או קישוריות מתקדמת, רצוי להימנע מהסרה שרירותית של מודולים.

התצורה הגרפית ו-‪X-Server‬

מערכת התצוגה הגרפית בלינוקס פועלת מעל ה-‪Kernel Space‬ בחלל המשתמש (‪User Space‬).
כאשר ‪X-Server‬ מופעל (בין אם דרך מנהל תצוגה כמו ‪GDM‬, ‪SDDM‬ או ‪LightDM‬), הוא קורא קובצי הגדרות כמו ‪xorg.conf‬ או קונפיגורציות נוספות על מנת לזהות ולהגדיר את כרטיס המסך, המקלדת והעכבר.
טעינת הנהגים הגרפיים נעשית בצורה משולבת: ישנו חלק במודולי הליבה האחראי לפעילות בסיסית וחלק נוסף ב-‪User Space‬ שמנהל את הרכיב הגרפי ברמה גבוהה יותר.
אם יש שינוי בתצורה או בחומרה, ייתכן שיוגדרו דרייברים ספציפיים שייטענו באמצעות מנגנון מודולים, לצד הגדרת התצוגה ב-‪xorg.conf‬ או בקבצים המודרניים יותר שמפוזרים בתיקיות ‪/usr/share/X11/xorg.conf.d‬ או ‪/etc/X11/xorg.conf.d‬.

מסגרת העבודה על נושאי ליבה, מערכת קבצים, ‪Inode‬ וטעינת מודולים חשובה ביותר לכל מי שמבקש להבין כיצד לינוקס פועלת מאחורי הקלעים.
לימוד מעמיק עשוי לסייע גם למתעניינים בדרכים נוספות, למשל מי שמתעניין ביחידה 8200 ומעמיק בשלבי ניהול מערכת מתקדמים.
במסגרת גאמא סייבר ניתן להיחשף להתמקצעות טכנית בנושאים אלו.
אם אתם בעיצומה של הכנה למיונים גאמא סייבר, כדאי להעמיק בנושאי ליבה, מודולים, מערכת הקבצים והתצורה הגרפית.
ההיכרות המעשית והעיונית תתרום משמעותית ליכולת שלכם לאבחן בעיות ולנהל מערכת יציבה ומאובטחת.

בהצלחה בכל העיסוק בלינוקס, מטעינת המודולים ועד פתרון תקלות בתצורה הגרפית.
ככל שמעמיקים יותר, כך מתגלה העוצמה והגמישות של המערכת, לצד שיטות העבודה המומלצות לשמירה על אבטחת מידע וביצועים מיטביים.