Softwareentwicklungspraktikum: Implementierung eines Subsets der BusyBox Unix-Systemprogramme für Embedded Linux in Rust

Motivation

Einführung: BusyBox ist eine quelloffene Implementierung der Standard Unix Systemprogramme (ls, grep, find, …) für das Linux Betriebssystem. Im Gegensatz zu den GNU coreutils, welche die Implementierung dieser Programme unter Linux Desktopsystemen bereitstellt, ist BusyBox stark optimiert auf eine kleine Binärgröße und damit vor allem für Embedded Linux geeignet. Aufgrund der Spezialisierung für diesen Anwendungsbereich ist BusyBox auch stark konfigurierbar, einzelne Programme und Features können—je nach Anwendungsbereich—aktiviert oder deaktiviert werden, um die Größe weiter zu reduzieren.

Problemstellung: Um die verfügbaren Systemresourcen möglichst effizient zu nutzen, ist BusyBox in der C Programmiersprache geschrieben. Diese Programmiersprache ermöglicht eine sehr systemnahe Programmierung, hat allerdings den Nachteil, dass verschiedene Sicherheitsgarantien, die wir von modernen Programmiersprachen kennen (z.B. Memory Safety) nicht gewährleistet sind. Daher finden sich in BusyBox immer wieder sicherheitskritische Schwachstellen (z.B. Buffer Overflows), die auf Probleme der C Programmiersprache zurückzuführen sind. Solche Schwachstellen sind besonders kritisch im Bereich der eingebetteten Systeme, wo Updates seltener und schwieriger eingespielt werden können.

Das SEP richtet sich an Studierende mit Interesse an Betriebssystemen und systemnaher Programmierung.

Aufgabe

Um die beschriebenen Probleme grundlegend zu verhindern, wollen wir ein Subset von BusyBox in Rust implementieren. Rust ist eine neuartige Programmiersprache für systemnahe Programme die, im Vergleich zu C, verschiedene Sicherheitsfeatures bietet. Durch die Verwendung von Rust können verschiedene, potenziell sicherheitskritische, Programmierfehler (z.B. Buffer Overflows) ausgeschlossen werden.

Darüber hinaus bietet Rust verschiedene Abstraktionen, die wir von modernen Hochsprachen kennen, die aber in C nicht verfügbar sind, z.B. Iteratoren oder Algebraische Datentypen. Dies sollten die Implementierung und den Code, im Vergleich zu C, ungemein vereinfachen.

Umsetzung

Mit Rust soll ein vordefiniertes Subset der BusyBox Systemprogramme implementiert werden. Bezüglich des zu implementierenden Subsets sollen folgende Eigenschaften erreicht werden:

1. Klein: Ähnliche Binärgröße wie ein BusyBox mit denselben Features.
2. Konfigurierbar: Einzelne Features und Programme sollen deaktivierbar sein.
3. Korrekt: Im Bezug auf die POSIX-Spezifikation → Testen gegen BusyBox!

Die genannten Eigenschaften sollen über kontinuierliche Tests per GitLab CI/CD sichergestellt werden (Tests, per-Commit Größenvergleich, …). Zum Abschluss des Projektes sollte es möglich sein ein initramfs mit der entstanden Implementierung auszustatten und damit ein Linux Kernel zu booten.

Weitere Information

Folgende Ressourcen bieten weitere Informationen zu den Technologien die in diesem Projekt verwenden werden:

• Die BusyBox Webseite
• Die Webseite der Rust Programmiersprache
  • Rust Kenntnisse werden nicht vorausgesetzt
  • Bei Interesse lohnt sich aber schon mal ein Blick ins Rust Buch
  • Siehe sonst auch: Die Learning Resources auf der Rust Webseite
• Die POSIX.1-2024 Spezifikation
  • Der Standard bzgl. den oben genannten Unix Systemprogrammen
  • Wie gesagt: Hier soll nur ein Subset Implementiert werden
• Die BusyBox Integration Test Suite