- Изучаем Android. Ядро (Kernel) — что это такое.
- Основы безопасности операционной системы Android. Уровень ядра
- Вступление
- Disclaimer
- Список статей
- Стек Android
- Безопасность на уровне ядра
- Заключение
- Операционная система Android
- История развития
- Архитектура
- Android против Linux
- Ядро Android
- Разработка приложения
- Заключение
Изучаем Android. Ядро (Kernel) — что это такое.
Многие владельцы Android устройств на различных форумах и сайтах часто встречают упоминание о чем-то непонятном, что называют ядром, или по-английски kernel. Его можно поменять и упоминание о нем встречается в меню настроек устройства, в разделе «О планшете (телефоне)».
Если копнуть поглубже, то окажется, что ядро – это часть операционной системы, и оно есть не только у Android, но и у других операционных систем: Windows, iOS, MacOS и прочих. Но нас будет интересовать ядро Android, и что это такое я попытаюсь объяснить на уровне начинающих пользователей.
Вы, наверное, знаете, что любая операционная система, и Android в том числе – это, по большому счету, набор программ, которые управляют работой всего устройства, и отвечают за запуск пользовательских приложений, таких как игры, менеджеры файлов, веб-браузеры и прочие.
А ядро Android является, практически, самой главной частью операционной системы, которая отвечает за взаимодействие между всем «железом» и программной частью системы. Ядро состоит из набора драйверов всего имеющегося в устройстве оборудования и подсистемы управления памятью, сетью, безопасностью, и прочих основных функций операционной системы.
Например, когда вы касаетесь экрана, чтобы запустить какое-либо приложение, драйвер сенсорной панели экрана определяет место, в котором произошло нажатие и сообщает координаты другим программам, которые опять же с помощью ядра найдут в памяти устройства нужное приложение и запустят его. Это конечно, очень упрощенная модель, но суть работы операционной системы она отражает.
Таким образом, мы выяснили, что когда любое программное обеспечение нуждается в том, чтобы оборудование планшета или телефона что-нибудь сделало, оно обращается за этим к ядру операционной системы.
Ядро управляет абсолютно всем оборудованием: Wi-Fi, Bluetooth, GPS, памятью и прочими устройствами. Не является исключением и «сердце» устройства – его процессор. Ядро может управлять его частотой и энергоснабжением.
Ядро операционной системы Android, позаимствовано ее разработчиками, компанией Google, у операционной системы Linux.
Так как ядро управляет всем оборудованием, а оборудование у всех планшетов и телефонов разное, базовое ядро Android дорабатывается производителем для каждого устройства отдельно.
Как и прошивки, ядра бывают стоковыми (заводскими) и кастомными – альтернативными, созданные независимыми разработчиками.
Зачем нужны кастомные ядра? Стоковое ядро максимально оптимизируется производителем для конкретного устройства, но в нем обычно заблокированы такие важные функции ядра, как, например, управление частотой процессора. И если вам понадобится разогнать процессор своего планшета, вам нужно будет сменить ядро на кастомное, в котором функция управления частотой процессора разблокирована.
Кроме того, кастомные ядра, обычно основаны на более свежих версиях Linux ядер. Вот примерный перечень возможностей, которые нам дают кастомные ядра:
- Изменение частоты процессора в широких пределах;
- Разгон графической подсистемы (GPU);
- Снижение частоты и напряжения питания процессора, что позволяет достичь более длительного времени работы от батареи;
- Более свежие и качественные драйверы, например, ускоряющие работу GPS или добавляющие новые функции;
- Широкие возможности по настройки и конфигурации звука и цветовой гаммы экрана;
- Поддержка альтернативных файловых систем (XFS, ReiserFS и прочих).
Так как альтернативные ядра создаются независимыми разработчиками, нет никакой гарантии, что после установки кастомного ядра ваш планшет или телефон будут работать без сбоев. Поэтому перед прошивкой нового ядра желательно сделать полную резервную копию системы.
Источник
Основы безопасности операционной системы Android. Уровень ядра
Вступление
Самой распространенной операционной системой для смартфонов на сегодняшний день является Android. Но не только этот факт подогревает интерес к ней. Открытость, возможность что-то настроить, подкрутить, и, естественно, сломать тоже в немалой степени способствуют увеличению популярности этой платформы. Я попробую поделиться опытом, как устроена эта операционная система, а так же рассмотреть систему безопасности. Всем, кому интересно, добро пожаловать! В этой статье я рассмотрю безопасность на уровне ядра.
Disclaimer
Термины я буду стараться писать на английком языке, так как боюсь ошибиться в их переводе. Если кто-то знает, как их красиво перевести на русский язык, напишите мне, и я дам перевод этих терминов. Желательно, чтобы у вас под рукой находились исходный код Android (хотя я и буду стараться давать ссылки на файлы в Интернете), потому что я иногда буду давать ссылки на файлы, где находится та или иная функциональность. Как загрузить исходный код, можно почитать здесь или вот в этой статье на Хабре.
Список статей
Стек Android
Ну никуда не деться от этой картинки. Я нашел её на просторах Интернета и нужна она для того, чтобы понять из чего состоит Android. Итак, в стеке Android выделяют четыре уровня (снизу-вверх):
- Linux kernel (Ядро Linux)
- Native Libraries
- Application Framework
- Applications (Приложения)
Linux kernel. Как неудивительно это звучит, но изначально, Android Inc. — это стартап. Как и во всех стартапах, в этой компании стояла задача максимально использовать уже существующие решения. Поэтому в качестве ядра этой платформы был выбран Linux из-за его открытости и наличия необходимой функциональности. В Android ядро Linux управляет памятью, процессами, а так же используется в качестве hardware abstraction layer (HAL). Насколько мне известно, в Linux драйвера либо встроены в ядро, либо разработаны в виде загружаемых модулей ядра. Так как в Android загрузка модулей ядра по умолчанию отключена, а если встраивать все драйвера, то ядро очень сильно разрастется, то было принято решение создать промежуточный слой (proxy) между ядром и драйверами, который и назвали HAL. Таким образом, HAL — это просто набор интерфейсов, имплементация которых реализована в драйверах. С другой стороны в ядро были добавлены некоторые системы, которые характерны только для Android систем. На данный момент, они пока не включены в основную ветку ядра Linux, поэтому просто скачать ядро Linux и заменить им ядро Android не получится. Среди них следует выделить, Binder (обеспечивает межпроцессное взаимодействие IPC/RPC), Asynchronous SHared MEMory — Ashmem (драйвер разделяемой памяти), Wakelocks (механизм, который позволяет предотвращать затемнение экрана и/или отключение процессора), Low Memory Killer, Alarm, Logger и т.д.
Native Libraries. К этому слою относятся различные нативные библиотеки, которые необходимы для работы Android. Они так же позаимствованы у open-source сообщества. Среди них мы можем найти SQLite, WebKit и т.д.
Android Framework. К этому слою относится то, с чем мы обычно взаимодействуем, когда пишем наши приложения для Android (PowerManager, ActivityManager, NotificationManager и т.д.).
Applications. Приложения бывают двух типов: те, что поставляются вместе с образом системы (системные) и приложения, которые мы загружаем из маркета или других источников. В первом случае, в устройстве приложения находятся в «/system/app» директории, во втором случае в «/data/app».
Безопасность на уровне ядра
Давайте рассмотрим процесс установки приложения на Android устройство. Существует несколько способов установить приложение на устройство (в общем случае):
- Используя приложение PackageInstaller
- Используя приложение Android Market
- Используя комманду adb install
На рисунке, например, приложение ex1.apk устанавливается с помощью PackageInstaller (используется в случае, если вам, например, по почте прислали приложение и вы хотите его установить с устройства), ex2.apk устанавливается с помощью Android Market (Google Play), и приложение ex3.apk устанавливается с помощью комманды adb install ex3.apk (обычно эта комманда используется разработчиками приложений для установки приложения с компьютера).
Во время установки, Android каждому приложению по умолчанию присваивает уникальные user ID (UID) и group ID (GID), таким образом каждому приложению в этой операционной системе соответсвует свой пользователь. Имя пользователя обычно имеет формат app_x, а идентификаторы пользователя вычисляется по формуле (Process.FIRST_APPLICATION_UID + x), Process.FIRST_APPLICATION_UID равен 10000. Эти идентификаторы приложения не изменяются. Список установленных приложений хранится в файле «/data/system/packages.list» и если у вас рутованый телефон, или вы работаете с эмулятором, то вы можете просмотреть этот файл, используя следующую комманду:
У каждого приложения есть своя домашняя директория, например /data/data/
— имя Android пакета, например com.ex.ex1 Имя Android пакета задается в свойстве package в файле AndroidManifest.xml Эта папка — Internal storage (внутреннее хранилище), директория, где приложение хранит все свои приватные данные, и к которому разработчики приложений получают доступ используя функции Context.getFilesDir() или Context.getDir() У этой папки права доступа определены как drwxr-x—x, т.е. только владелец и пользователи входящие в группу владельцев имеют полный доступ к этой папке. А так как каждое приложение определено как уникальный пользователь, то это означает, что приложения, по умолчанию, не имеют доступа к информации друг друга. Хотя при создании файла во внутреннем хранилище можно явно задать, что этот файл будет MODE_WORLD_READABLE и/или MODE_WORLD_WRITABLE
Кроме того, на уровне ядра уникальные UID и GID каждого приложения используются для разделения доступа к ресурсам системы (память и процессорное время). Таким образом, на уровне ядра для каждого приложения создается своя собственная песочница (Application Sandbox).
С другой стороны, разработчик приложения может указать, что некоторые ЕГО приложения должны иметь один и тот же UID. В AndroidManifest.xml файле для этого есть специальное свойство sharedUserId В этом случае, эти приложения будут иметь доступ к ресурсам друг-друга, но только если они подписаны одним и тем же ключом разработчика.
Некоторые permission (разрешения) так же работают на уровне ядра. Давайте, например, рассмотрим наиболее используемое разрешение android.permission.INTERNET Если приложение запрашивает это разрешение, то Android во время установки дополнительно включает это приложение в специальную группу «inet». Так же работают и некоторые другие разрешения. Список соответствия между этими разрешениями и соответствующими группами можно найти в файле frameworks/base/data/etc/platform.xml:
Список соответствия между именами этих групп и значениями (GID) задан в явном виде в файле system/core/include/private/android_filesystem_config.h в массиве структур android_ids[]:
Таким образом, если приложение пытается подключиться к Интернету, ядро проверяет, находится ли это приложение в группе с идентификатором AID_INET. Если нет, то приложению запрещается доступ. Код этой проверки очень тривиальный:
Заключение
Это моя первая статья на Хабре, так что не судите строго. Если сообществу интересно, то я продолжу в следующих статьях описывать внутренности Android. Я понимаю, что много не знаю, да и времени всегда не хватает, но я постараюсь поделиться тем, что уже пропустил через себя. Надеюсь, что узнаю что-то новое из комментариев! Если кому-то интересна какая-то определенная тема, то пишите в комментариях, постараюсь в будущих статьях учесть ваши пожелания.
Источник
Операционная система Android
Feb 4 · 6 min read
Android — это операционная система с открытым исходным кодом, созданная для мобильных устройств на основе модифицированного ядра Linux. Эта ОС разработана консорциумом Open Handset Alliance, состоящим из крупных технологических компаний при организующей роли Google. Исходный код ОС представлен как часть проекта Android Open Source Project (AOSP) с лицензией Apache. Выпущенный на рынок в 2007 году Android вскоре стал самой продаваемой операционной системой в истории, благодаря своей открытой модели разработки и удобному интерфейсу. Последняя версия Android 11 вышла в 2020 году.
История развития
Проект Android появи л ся в 2003 году с целью разработки интеллектуальных мобильных устройств. Начинался он с разработки ОС для цифровых фотокамер, но вскоре акцент сместился на мобильные телефоны из-за их большой распространенности на рынке. В 2005 году проект приобрел Google и в качестве основы для этой ОС было выбрано ядро Linux за счет его гибкости и возможности обновления.
С целью разработки платформы с открытым исходным кодом для мобильных устройств в 2007 году Google сформировала Open Handset Alliance с несколькими производителями оборудования и операторами беспроводной связи. В то время каждый производитель выпускал мобильные телефоны на базе собственной платформы, с ограниченными возможностями для сторонних приложений. Альянс заявил, что открытая платформа обеспечит тесное сотрудничество между производителями и разработчиками, чтобы ускорить производство недорогих инновационных продуктов и приложений.
Платформа Android была представлена в 2007 году и вышла на рынок на следующий год. Поначалу ей мешал ограниченный набор функций и небольшая база пользователей по сравнению с конкурентами Symbian и Windows. Однако возможность обновления стала самым большим преимуществом этой ОС, поскольку каждое обновление давало новые функции и улучшенную производительность. Из-за «сладости, которую они приносят в нашу жизнь», первые версии были названы в честь десертов, в алфавитном порядке, например Cupcake, Jellybean и KitKat. Однако вскоре у Google закончились десерты, и с 2019 года новые версии ОС получают номера, начинающиеся с Android 10. Лицензия с открытым исходным кодом также помогла увеличить популярность этой ОС среди производителей мобильных устройств, поскольку они могут теперь модифицировать ОС под свои требования, не влияя при этом на разработку приложений.
Но самая главная особенность в том, что Android — это больше, чем просто операционная система. Он во многом уравнял мобильные устройства с персональными компьютерами, позволив разработчикам писать приложения независимо от аппаратной платформы устройства. Это привело к созданию глобальной платформы для приложений и укрепило позиции Android, как передовой мобильной платформы, и в 2011 году он стал самой продаваемой операционной системой для смартфонов и для планшетов в 2013 году. Сегодня на Android работает множество электронных устройств, включая смарт-камеры, часы, медиаплееры и многое другое.
Архитектура
Первоначально Android разрабатывался для архитектуры ARM, а затем был расширен для поддержки архитектур x86 и x86–64. Однако в целом Android не заботится об аппаратном обеспечении устройства из-за разнообразия и множества типов среди компонентов в мобильных устройствах.
Основой ОС Android является модифицированная версия ядра Linux LTS, которая непосредственно взаимодействует с оборудованием. Драйверы, необходимые для работы устройства, реализуются производителями оборудования и добавляются в ядро. Это позволяет производителям оборудования разрабатывать драйверы для хорошо известного ядра, а разработчикам ОС игнорировать разнообразие оборудования. Android 11 поддерживает версии ядра 4.14, 4.19 и 5.4.
Особенности оборудования дополнительно маскируются также реализуемыми производителями уровнями аппаратной абстракции, которые предоставляют стандартные интерфейсы для высокоуровневых структур, чтобы обеспечить доступ к аппаратному обеспечению устройства, не заботясь при этом о реализации драйверов.
Android Runtime (ART) — это виртуальная машина, которая выполняет код приложения, содержащийся в файлах Dalvik Executable (DEX). Она управляет компиляцией кода, отладкой и очисткой памяти. Каждое приложение работает со своим собственным экземпляром ART, то есть в своей собственной виртуальной машине, чтобы обеспечить изоляцию кода. ART заменил Dalvik в качестве виртуальной машины Java для Android в 2013 году, поскольку его компиляция Ahead-of-Time обеспечила лучшую производительность по сравнению с компиляцией Just-in-Time у последней.
Собственные библиотеки C/C ++ являются важной частью операционной системы, поскольку большинство основных компонентов Android написаны на собственном коде. Инфраструктура Java API — это шлюз в ОС для всех пользовательских приложений. Он предоставляет множество сервисов для приложений в виде вызовов Java API, включая менеджеры действий, ресурсов и уведомлений, поставщиков контента и систему просмотра. Именно поэтому приложения для Android в основном разрабатываются на Java, хотя собственные библиотеки обеспечивают некоторую поддержку C/C++. Совсем недавно также поддерживался и Kotlin, он даже предпочитался Google для разработки приложений Android. Код компилируется Android Software Development Kit (SDK) и архивируется в виде пакета Android (APK).
Android против Linux
Хотя некоторые считают Android дистрибутивом Linux, он имеет мало общего с обычной ОС Linux.
В традиционном стеке Linux ядро выполняет большую часть системных функций, включая управление памятью и файлами, аппаратное взаимодействие и планирование процессов. Системные функции предоставляются приложениям через библиотеки и вызовы API на языке Си. Именно поэтому GNU C является более важной библиотекой в Linux. Пользователи взаимодействуют с системой через оболочки, которые транслируют пользовательские команды в системные вызовы.
С другой стороны, Android можно рассматривать как пользовательское приложение, работающее в Linux. ОС использует ядро для взаимодействия с оборудованием и управления системой, а затем предлагает свои функции другим приложениям через интерфейс API. Этот интерфейс написан полностью на Java, и даже функции библиотек C/C ++ предложены в оболочках Java. В Android нет оболочки, хотя некоторые утилиты командной строки поддерживаются через приложение Toybox.
Кроме того, Android оптимизирован для мобильных устройств, которые обычно обладают малой вычислительной мощностью, имеют небольшой объем памяти и работают от батарей. По умолчанию, в качестве библиотеки C, вместо GNU, он использует Bionic из-за пониженных требований к памяти и процессору. При нехватке памяти, Android может уничтожить наименее используемые процессы и сбросить блоки разделяемой памяти. Кроме того, здесь реализуется уникальная система управления питанием, в которой устройство остается в спящем режиме, потребляя минимальную мощность до тех пор, пока процесс не запросит ресурс.
Ядро Android
Перед установкой на устройство само ядро Linux подвергается модификации несколькими участниками проекта. Во-первых, разработчики Android оптимизируют ядро LTS для мобильных устройств, вносят коррективы в функции Android и оставляют код как общее ядро AOSP. Разработчики AOSP реализуют большинство изменений в виде драйверов устройств, чтобы гарантировать внесение минимальных изменений в основной код ядра. Это позволяет с минимальными изменениями объединять обновления базового ядра в ACK. Поставщики оборудования добавляют драйверы и уровни абстракции для создания ядра поставщика. Затем, производители устройств обновляют ядро в соответствии со своими требованиями, реализуя новые драйверы или даже улучшая систему. Это ядро, в конечном счете, устанавливается на выпускаемые производителем устройства.
Разработка приложения
Основной принцип разработки в Android заключается в том, чтобы абстрагироваться от вариативности оборудования и предоставить унифицированный интерфейс для приложений. Это достигается запуском всех приложений на виртуальных машинах Java, подобных Dalvik или ART. Еще более способствует этой абстракции и упрощает разработку приложений комплект, состоящий из инфраструктуры Java API и SDK Android. Интерфейс API выполняет всю сложную работу, обеспечивая приложениям доступ к системным ресурсам лишь через вызов функции, в то время как SDK предоставляет визуальные инструменты для создания макетов приложений и управления вводом данных пользователя.
Android предоставляет приложениям большую часть своих функций через службы (services). Служба — это приложение, которое выполняет длительные операции в фоновом режиме. Она не предоставляет пользовательского интерфейса и доступна только через платформу API. Службы также могут выполнять операции в приоритетном порядке и сообщениями уведомлять пользователя. Служба также может быть привязана к приложению и обеспечивать интерфейс клиент-сервер.
Стек Android также включает вторую операционную систему Trusty. Она работает параллельно с основной операционной системой и обеспечивает доверенную среду для изолированного выполнения. В основном она используется для мобильных платежей, безопасного банковского обслуживания, обработки паролей и других процессов, требующих безопасности и конфиденциальности.
Заключение
При первых анонсах Open Handset Alliance их планы по взаимодействию при разработке открытой и многоцелевой платформы представлялись не более чем громким заявлением. Однако через десять лет платформа Android произвела революцию, и не только в мобильной индустрии. Фактически, она породила совершенно новые отрасли промышленности и коренным образом изменила наш образ жизни, работы и общения.
Источник
