内网漫游过程中的编译方法研究*

蒋立兵，申 秋，韩隆隆

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

在某些特殊网络内进行内网漫游的时候，能够触及甚至登录大量的设备或板卡，这些板卡通常运行的是嵌入式Linux系统，能够通过telnet或ssh方式登录。当需要在这些设备上运行一些常用的工具时，会面临一些比较棘手的问题，大致可分为如下几类。

（1）目标CPU架构为ARM、PowerPC、MIPS等嵌入式平台时，x86架构下编译的程序不能在目标上运行，而代码在目标平台也不能进行编译。

（2）目标机器采用uClibc时，通过常规ARM、MIPS等交叉编译工具编译出的程序，在目标机器上依旧不能运行。

（3）目标机器的内核版本很低，高版本内核下编译的程序不能在目标程序上运行。

本文从交叉编译工具生成、交叉编译和跨版本运行等方面进行阐述，能够解决大部分上述问题。

1 交叉编译

1.1 概 念

交叉编译是在嵌入式领域常用的一种编译方式，通过选择不同的交叉编译工具链，能够在当前平台下，编译出可运行于不同体系架构平台的程序[1]。例如在x86平台电脑上，使用Android Studio进行Android JNI开发时，会调用ARM的交叉编译工具链进行编译，编译好的软件能够在Android手机上运行。

使用交叉编译的主要原因如下：

（1）目标平台一般为低功耗设计，性能较低，运行速度较慢；

（2）编译过程需要消耗大量资源，嵌入式系统往往没有足够的内存和硬盘；

（3）完整的编译环境需要很多支持包，很多嵌入式系统是精简版Linux，难以满足需求。

1.2 交叉编译工具链

Linux编译过程包括了预处理、编译、汇编、链接等过程[2-3]，如图1所示。交叉编译工具链（Toolchain）就是为了编译跨平台体系结构的程序代码而形成的一套完整工具集。它隐藏了预处理、编译、汇编、链接等细节。当指定了源文件（.c）和编译工具（GCC）时，它会按照编译流程调用不同的子工具，生成最终的可执行文件（ELF）。

1.3 交叉编译工具链获取

嵌入式目标平台类型众多，包括ARM、MIPS、MIPS64、MIPS64el、PowerPC、PowerPC64 等。常用平台的交叉编译工具可以通过网络下载，如ARM、MIPS等。但是当目标平台是使用的libc版本不匹配时或目标内核版本过低时，都可能导致编译出的程序不能正常运行，因此需要能够自行编译所需要平台交叉编译工具链。目前构建交叉编译工具链可通过crosstool-NG、Buildroot等工具进行制作。对比了crosstool-NG和Buildroot两款工具，其中crosstool-NG能够支持更老的内核和libc版本，对于内网漫游过程中遇到的目标机器适应性更强，作为使用首选。Buildroot与crosstool-NG的使用类似，可以根据实际情况灵活选择。本文使用crosstool-NG作为示例。

1.3.1 crosstool-NG获取

目前，crosstool-NG的最新版为1.24，本文示例选用1.10[4]版本，可以支持较老的内核和libc版本。

想要编译老版本内核的工具链，编译环境的选择也很重要，应尽量选用低版本操作系统，同时有相应的更新源支持，本文示例选用的操作系统为Ubuntu 12.04。

crosstool-NG源码下载后需要进行编译，编译时需要安装一些Linux组件，可以提前执行：

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

然后按照常规的Linux编译方法，可以编译得到可执行文件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内部集成了很多默认配置，执行ct-ng list-samples命令，可以查看支持的默认配置。如果配置刚好符合需求，可以直接使用，否则需要进行定制化修改。默认部分配置如下：

选择和配置参数需要根据目标CPU架构、系统、libc等信息进行判断。

CPU架构可以通过cat /proc/cpuinfo指令查看，根据CPU型号，判断CPU的架构类型，如ARM、MIPS64、MIPS64（el为小端模式）等，部分CPU信息如下：

系统信息可通过uname-a指令查看。根据目标系统的系统版本信息，选择相近的内核版本。系统信息如下：

$ uname -a

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

目标平台使用的是glibc还是uClibc，通过在目标平台查看/lib目录下的libc库文件进行判断，如果为libc.so.6，则使用glibc；如果为libuClibc-0.9.xx.xx.so，则使用uClibc。配置ct-ng时需要选用与目标系统uClibc版本相同的版本，图2中的uClibc版本为0.9.33.2。

本文通过PowerPC平台，展示参数配置过程。

（1）执行ct-ng powerpc-unknown-linux-gnu，配置成默认配置。

（2）执行ct-ng menuconfig进入配置界面，如图3所示。

（3）进入Target options页面，配置CPU参数，主要参数为Target Architecture（CPU架构）、Bitness（32位或64位）、Endianness（大小端），其他参数根据CPU单独进行配置，如图4所示。

（4）进入Option System页面，配置系统参数，主要参数为Linux Kernel Version，如图5所示。

（5）进入C Compiler页面，配置编译器选项，主要参数为gcc version，根据目标系统选择合适的GCC版本，如果需要编译C++代码，需要勾选C++选项，如图6所示。

（6）进入C library页面，配置libc选项，主要参数为C library（选择glibc或uClibc），*libc version（选择glibc或uClibc的版本），如图7所示。

配置完成后，可以执行ct-ng build，进行编译。编译过程中，需要下载很多源码包，但是由于选择的crosstool-NG版本太老，默认下载链接已经失效，需要手动下载。开始编译后，会在当前目录生成target文件夹，进入./target/tarballs/目录下，查看有tmp-dl结尾的文件，下载相应的包，然后拷贝到tarballs目录。大部分的包都可以在清华开源软件镜像站[5]进行下载。

完成所有的包下载后，开始进行编译，编译过程时间较长，编译过程中也可能出现各种各样的错误，一般是由于缺少库，或者配置错误，或者是操作系统和GCC版本不匹配等问题，可以通过搜索具体问题进行解决。由于编译过程的自由度颇高，可能出现的问题也较多，具体如何解决问题不在本文赘述。

编译完成后会在/home/(user)/x-tools/目录下生成相应的工具链，其中/bin目录下包含了gcc、g++、as等交叉编译工具，如图8所示。

1.3.3 交叉编译工具链使用

将生成的交叉编译工具链所在的bin文件目录加入系统环境变量，可以直接调用相应的编译工具进行编译，也可在使用Makefile时直接使用。如未加入环境变量，则需要指定绝对路径，例如，/home/test/x-tools/powerpc-unknown-linux-gnu/bin/powerpc-unknown-linux-gnu-gcc。

编译完成ELF文件可以通过file指令查看文件的基本信息，同时可以将工具上传到目标机器上进行使用验证，如果仍然不能正常运行，则需要检查libc版本是否正确、Linux内核是否支持等问题，调整参数后重新编译工具链。

2 低版本系统兼容运行高版本程序

在内网漫游过程中，还存在一种较为特殊的情况。目标系统是x86或x64平台，但系统内核比较老，libc库所支持的版本也比较老。在较高版本编译环境下编译出的ELF文件，在目标平台运行是，可能出现如图9所示类似的错误。

图9中出错的原因在于，源码中使用了高版本libc包含的库函数，而目标平台的libc版本较低，不支持这些库函数，从而导致没有办法正常运行。解决方案有两种，一是修改程序源码，找到使用高版本库函数的地方，就行修改和替换；二是将高版本的libc库文件上传到目标，通过修改可执行文件的lib库依赖路径，使得能够在目标平台上正常运行。修改源码的方式对较为简单的代码比较实用，但对于较为复杂的程序需要选用第二种方式，下面介绍如何实现。

首先需要安装patchelf工具，Ubuntu可以通过apt-get install patchelf指令进行安装。

patchelf 是一个用来修改ELF程序的小工具，可以修改动态链接库的默认搜索路径rpath。

在编译平台上，建立新文件夹mylib，然后使用ldd指令查看编译好的程序所需的库文件，然后将所有依赖的库文件拷贝到mylib文件夹，如下：

root＠myuser: 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)

通过patchelf修改编译好的ELF文件的rpath，可以将文件的默认链接库文件地址指向mylib文件夹。首先执行patchelf --set-rpath ./mylib dropbear，同时需要修改指定与libc配套的ld.so文件，执行patchelf --set-interpreter ./mylib/ld-2.15.so。执行成功后，其次通过ldd指令查看动态库链接情况，程序所需的库已指向当前目录下的mylib文件夹，如下：

root＠myuser: 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)

将编译好的ELF文件以及mylib文件夹上传到目标平台上，放在同一目录下，即可成功运行。需要注意的是，ELF文件有最低内核版本的限制，目标平台的内核版本过低的话，也会导致运行不成功。

3 结 语

本文针对在特殊网络内进行内网漫游时，对多种平台的板卡、终端设备空有权限而无法运行自己的常用工具的情况，提供了两种解决方案：针对较老的内核和较为少用的CPU平台，使用crosstool-NG工具，制作相应的交叉编译工具链；针对内核版本过低的x86-64平台，使用修改动态链接库的方式，让编译好的ELF文件连接高版本的lib库，从而能够正常运行。