內(nèi)網(wǎng)漫游過程中的編譯方法研究*

蔣立兵，申 秋，韓隆隆

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

在某些特殊網(wǎng)絡內(nèi)進行內(nèi)網(wǎng)漫游的時候，能夠觸及甚至登錄大量的設(shè)備或板卡，這些板卡通常運行的是嵌入式Linux系統(tǒng)，能夠通過telnet或ssh方式登錄。當需要在這些設(shè)備上運行一些常用的工具時，會面臨一些比較棘手的問題，大致可分為如下幾類。

（1）目標CPU架構(gòu)為ARM、PowerPC、MIPS等嵌入式平臺時，x86架構(gòu)下編譯的程序不能在目標上運行，而代碼在目標平臺也不能進行編譯。

（2）目標機器采用uClibc時，通過常規(guī)ARM、MIPS等交叉編譯工具編譯出的程序，在目標機器上依舊不能運行。

（3）目標機器的內(nèi)核版本很低，高版本內(nèi)核下編譯的程序不能在目標程序上運行。

本文從交叉編譯工具生成、交叉編譯和跨版本運行等方面進行闡述，能夠解決大部分上述問題。

1 交叉編譯

1.1 概 念

交叉編譯是在嵌入式領(lǐng)域常用的一種編譯方式，通過選擇不同的交叉編譯工具鏈，能夠在當前平臺下，編譯出可運行于不同體系架構(gòu)平臺的程序[1]。例如在x86平臺電腦上，使用Android Studio進行Android JNI開發(fā)時，會調(diào)用ARM的交叉編譯工具鏈進行編譯，編譯好的軟件能夠在Android手機上運行。

使用交叉編譯的主要原因如下：

（1）目標平臺一般為低功耗設(shè)計，性能較低，運行速度較慢；

（2）編譯過程需要消耗大量資源，嵌入式系統(tǒng)往往沒有足夠的內(nèi)存和硬盤；

（3）完整的編譯環(huán)境需要很多支持包，很多嵌入式系統(tǒng)是精簡版Linux，難以滿足需求。

1.2 交叉編譯工具鏈

Linux編譯過程包括了預處理、編譯、匯編、鏈接等過程[2-3]，如圖1所示。交叉編譯工具鏈（Toolchain）就是為了編譯跨平臺體系結(jié)構(gòu)的程序代碼而形成的一套完整工具集。它隱藏了預處理、編譯、匯編、鏈接等細節(jié)。當指定了源文件（.c）和編譯工具（GCC）時，它會按照編譯流程調(diào)用不同的子工具，生成最終的可執(zhí)行文件（ELF）。

1.3 交叉編譯工具鏈獲取

嵌入式目標平臺類型眾多，包括ARM、MIPS、MIPS64、MIPS64el、PowerPC、PowerPC64 等。常用平臺的交叉編譯工具可以通過網(wǎng)絡下載，如ARM、MIPS等。但是當目標平臺是使用的libc版本不匹配時或目標內(nèi)核版本過低時，都可能導致編譯出的程序不能正常運行，因此需要能夠自行編譯所需要平臺交叉編譯工具鏈。目前構(gòu)建交叉編譯工具鏈可通過crosstool-NG、Buildroot等工具進行制作。對比了crosstool-NG和Buildroot兩款工具，其中crosstool-NG能夠支持更老的內(nèi)核和libc版本，對于內(nèi)網(wǎng)漫游過程中遇到的目標機器適應性更強，作為使用首選。Buildroot與crosstool-NG的使用類似，可以根據(jù)實際情況靈活選擇。本文使用crosstool-NG作為示例。

1.3.1 crosstool-NG獲取

目前，crosstool-NG的最新版為1.24，本文示例選用1.10[4]版本，可以支持較老的內(nèi)核和libc版本。

想要編譯老版本內(nèi)核的工具鏈，編譯環(huán)境的選擇也很重要，應盡量選用低版本操作系統(tǒng)，同時有相應的更新源支持，本文示例選用的操作系統(tǒng)為Ubuntu 12.04。

crosstool-NG源碼下載后需要進行編譯，編譯時需要安裝一些Linux組件，可以提前執(zhí)行：

sudo apt-get install libncurses5-dev bison flex texinfo automake libtool patch gcj cvs cvsd gawk

然后按照常規(guī)的Linux編譯方法，可以編譯得到可執(zhí)行文件ct-ng，如下所示。

root＠ubuntu:～# ct-ng -v

GNU Make 3.81

Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc.

This is free software; see the source for copying conditions.

There is NO warranty; not even for MERCHAN TABILITY or FITNESS FOR A

PARTICULAR PURPOSE.

1.3.2 crosstool-NG使用

crosstool-NG內(nèi)部集成了很多默認配置，執(zhí)行ct-ng list-samples命令，可以查看支持的默認配置。如果配置剛好符合需求，可以直接使用，否則需要進行定制化修改。默認部分配置如下：

選擇和配置參數(shù)需要根據(jù)目標CPU架構(gòu)、系統(tǒng)、libc等信息進行判斷。

CPU架構(gòu)可以通過cat /proc/cpuinfo指令查看，根據(jù)CPU型號，判斷CPU的架構(gòu)類型，如ARM、MIPS64、MIPS64（el為小端模式）等，部分CPU信息如下：

系統(tǒng)信息可通過uname-a指令查看。根據(jù)目標系統(tǒng)的系統(tǒng)版本信息，選擇相近的內(nèi)核版本。系統(tǒng)信息如下：

$ uname -a

Linux localhost 4.19.81-perf-gb5c27fd #1 SMP PREEMPT Thu Aug 6 04:10:30 CST 2020 aarch64 Android

目標平臺使用的是glibc還是uClibc，通過在目標平臺查看/lib目錄下的libc庫文件進行判斷，如果為libc.so.6，則使用glibc；如果為libuClibc-0.9.xx.xx.so，則使用uClibc。配置ct-ng時需要選用與目標系統(tǒng)uClibc版本相同的版本，圖2中的uClibc版本為0.9.33.2。

本文通過PowerPC平臺，展示參數(shù)配置過程。

（1）執(zhí)行ct-ng powerpc-unknown-linux-gnu，配置成默認配置。

（2）執(zhí)行ct-ng menuconfig進入配置界面，如圖3所示。

（3）進入Target options頁面，配置CPU參數(shù)，主要參數(shù)為Target Architecture（CPU架構(gòu)）、Bitness（32位或64位）、Endianness（大小端），其他參數(shù)根據(jù)CPU單獨進行配置，如圖4所示。

（4）進入Option System頁面，配置系統(tǒng)參數(shù)，主要參數(shù)為Linux Kernel Version，如圖5所示。

（5）進入C Compiler頁面，配置編譯器選項，主要參數(shù)為gcc version，根據(jù)目標系統(tǒng)選擇合適的GCC版本，如果需要編譯C++代碼，需要勾選C++選項，如圖6所示。

（6）進入C library頁面，配置libc選項，主要參數(shù)為C library（選擇glibc或uClibc），*libc version（選擇glibc或uClibc的版本），如圖7所示。

配置完成后，可以執(zhí)行ct-ng build，進行編譯。編譯過程中，需要下載很多源碼包，但是由于選擇的crosstool-NG版本太老，默認下載鏈接已經(jīng)失效，需要手動下載。開始編譯后，會在當前目錄生成target文件夾，進入./target/tarballs/目錄下，查看有tmp-dl結(jié)尾的文件，下載相應的包，然后拷貝到tarballs目錄。大部分的包都可以在清華開源軟件鏡像站[5]進行下載。

完成所有的包下載后，開始進行編譯，編譯過程時間較長，編譯過程中也可能出現(xiàn)各種各樣的錯誤，一般是由于缺少庫，或者配置錯誤，或者是操作系統(tǒng)和GCC版本不匹配等問題，可以通過搜索具體問題進行解決。由于編譯過程的自由度頗高，可能出現(xiàn)的問題也較多，具體如何解決問題不在本文贅述。

編譯完成后會在/home/(user)/x-tools/目錄下生成相應的工具鏈，其中/bin目錄下包含了gcc、g++、as等交叉編譯工具，如圖8所示。

1.3.3 交叉編譯工具鏈使用

將生成的交叉編譯工具鏈所在的bin文件目錄加入系統(tǒng)環(huán)境變量，可以直接調(diào)用相應的編譯工具進行編譯，也可在使用Makefile時直接使用。如未加入環(huán)境變量，則需要指定絕對路徑，例如，/home/test/x-tools/powerpc-unknown-linux-gnu/bin/powerpc-unknown-linux-gnu-gcc。

編譯完成ELF文件可以通過file指令查看文件的基本信息，同時可以將工具上傳到目標機器上進行使用驗證，如果仍然不能正常運行，則需要檢查libc版本是否正確、Linux內(nèi)核是否支持等問題，調(diào)整參數(shù)后重新編譯工具鏈。

2 低版本系統(tǒng)兼容運行高版本程序

在內(nèi)網(wǎng)漫游過程中，還存在一種較為特殊的情況。目標系統(tǒng)是x86或x64平臺，但系統(tǒng)內(nèi)核比較老，libc庫所支持的版本也比較老。在較高版本編譯環(huán)境下編譯出的ELF文件，在目標平臺運行是，可能出現(xiàn)如圖9所示類似的錯誤。

圖9中出錯的原因在于，源碼中使用了高版本libc包含的庫函數(shù)，而目標平臺的libc版本較低，不支持這些庫函數(shù)，從而導致沒有辦法正常運行。解決方案有兩種，一是修改程序源碼，找到使用高版本庫函數(shù)的地方，就行修改和替換；二是將高版本的libc庫文件上傳到目標，通過修改可執(zhí)行文件的lib庫依賴路徑，使得能夠在目標平臺上正常運行。修改源碼的方式對較為簡單的代碼比較實用，但對于較為復雜的程序需要選用第二種方式，下面介紹如何實現(xiàn)。

首先需要安裝patchelf工具，Ubuntu可以通過apt-get install patchelf指令進行安裝。

patchelf 是一個用來修改ELF程序的小工具，可以修改動態(tài)鏈接庫的默認搜索路徑rpath。

在編譯平臺上，建立新文件夾mylib，然后使用ldd指令查看編譯好的程序所需的庫文件，然后將所有依賴的庫文件拷貝到mylib文件夾，如下：

root＠m(xù)yuser: ldd dropbear

linux-vdso.so.1 =＞ (0x00007fffd25d2000)

libutil.so.1 =＞ /lib/x86_64-linux-gnu/libutil.so.1(0x00007fd429d6b000)

libz.so.1 =＞ /lib/x86_64-linux-gnu/libz.so.1(0x00007fd429b51000)

libcrypt.so.1 =＞ /lib/x86_64-linux-gnu/libcrypt.so.1 (0x00007fd429919000)

libc.so.6 =＞ /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6(0x00007fd42954f000)

./mylib/ld-2.15.so =＞ /lib64/ld-linux-x86-64.so.2(0x00007fd42a1af000)

通過patchelf修改編譯好的ELF文件的rpath，可以將文件的默認鏈接庫文件地址指向mylib文件夾。首先執(zhí)行patchelf --set-rpath ./mylib dropbear，同時需要修改指定與libc配套的ld.so文件，執(zhí)行patchelf --set-interpreter ./mylib/ld-2.15.so。執(zhí)行成功后，其次通過ldd指令查看動態(tài)庫鏈接情況，程序所需的庫已指向當前目錄下的mylib文件夾，如下：

root＠m(xù)yuser: ldd dropbear

linux-vdso.so.1 =＞ (0x00007ffcd7bef000)

libutil.so.1 =＞ ./mylib/libutil.so.1 (0x00007 ff046340000)

libz.so.1 =＞ ./mylib/libz.so.1 (0x00007ff046129000)

libcrypt.so.1 =＞ ./mylib/libcrypt.so.1 (0x00007 ff045ef0000)

libc.so.6 =＞ ./mylib/libc.so.6 (0x00007 ff045b30000)

./mylib/ld-2.15.so =＞ /lib64/ld-linux-x86-64.so.2(0x00007ff046784000)

將編譯好的ELF文件以及mylib文件夾上傳到目標平臺上，放在同一目錄下，即可成功運行。需要注意的是，ELF文件有最低內(nèi)核版本的限制，目標平臺的內(nèi)核版本過低的話，也會導致運行不成功。

3 結(jié) 語

本文針對在特殊網(wǎng)絡內(nèi)進行內(nèi)網(wǎng)漫游時，對多種平臺的板卡、終端設(shè)備空有權(quán)限而無法運行自己的常用工具的情況，提供了兩種解決方案：針對較老的內(nèi)核和較為少用的CPU平臺，使用crosstool-NG工具，制作相應的交叉編譯工具鏈；針對內(nèi)核版本過低的x86-64平臺，使用修改動態(tài)鏈接庫的方式，讓編譯好的ELF文件連接高版本的lib庫，從而能夠正常運行。