201.1 - Componentes del kernel

Introduccion

El kernel de Linux es el nucleo del sistema operativo. Es el componente que gestiona directamente el hardware y proporciona servicios fundamentales al resto del sistema: gestion de procesos, memoria, sistemas de archivos, dispositivos y red. Comprender sus componentes es esencial para un administrador de sistemas avanzado.

Este subtema tiene un peso de 2 en el examen y se centra en la teoria de los componentes del kernel, sus tipos de imagen y como obtener el codigo fuente.

Tipos de imagen del kernel

vmlinuz

vmlinuz es el nombre tipico del archivo del kernel comprimido y listo para arrancar. Se encuentra habitualmente en /boot/vmlinuz-<version>.

• La “z” final indica que esta comprimido (tipicamente con gzip, bzip2 o LZMA/XZ)
• El prefijo “vm” proviene de “Virtual Memory”, ya que los kernels modernos soportan memoria virtual
• Es un archivo ejecutable autonomo que el bootloader carga en memoria

$ ls -la /boot/vmlinuz-*
-rw------- 1 root root 11534336 mar 15 2026 /boot/vmlinuz-5.15.0-56-generic
-rw------- 1 root root 11567104 abr 20 2026 /boot/vmlinuz-5.15.0-60-generic

bzImage vs zImage

Ambos son formatos de imagen comprimida del kernel, pero difieren en como se cargan en memoria:

• zImage: formato antiguo. El kernel comprimido debe caber en los primeros 640 KB de RAM (memoria baja). Limitado a kernels pequenos
• bzImage (big zImage): formato moderno y estandar. El kernel comprimido se carga en memoria alta (por encima de 1 MB), sin la limitacion de 640 KB

# Al compilar el kernel, se genera bzImage
$ make bzImage
# El archivo resultante esta en:
# arch/x86/boot/bzImage (en arquitectura x86)

Para el examen: bzImage es el formato estandar actual. La “b” de “big” se refiere a que puede usar memoria alta, no a que el archivo sea mas grande necesariamente. zImage es obsoleto para kernels modernos.

Otros formatos de imagen

Formato	Descripcion	Uso tipico
vmlinux	Kernel sin comprimir (formato ELF)	Depuracion, no se usa para arrancar
vmlinuz	Kernel comprimido (nombre generico)	Archivo instalado en /boot
bzImage	Big zImage, carga en memoria alta	Formato estandar de compilacion x86
zImage	Carga en memoria baja (< 640 KB)	Obsoleto para x86, usado en ARM
uImage	Formato para U-Boot	Sistemas embebidos

Versiones del kernel y ciclo de lanzamiento

Esquema de versionado

El kernel Linux usa un esquema de versionado de tres o cuatro numeros:

5.15.60
|  |  |
|  |  +-- Parche/revision (correccion de bugs)
|  +----- Version menor (nuevas funcionalidades)
+-------- Version mayor

A partir del kernel 3.0, Linus Torvalds decidio que la version mayor se incrementaria cuando el numero menor se hiciera demasiado grande, sin implicar cambios radicales.

Tipos de versiones

• Mainline: la rama principal de desarrollo, mantenida por Linus Torvalds
• Stable: versiones estables con correcciones de bugs y seguridad
• LTS (Long Term Support): versiones mantenidas durante varios anos (tipicamente 2-6 anos)
• RC (Release Candidate): versiones previas al lanzamiento para pruebas

# Ver la version actual del kernel
$ uname -r
5.15.0-56-generic
 
# Detalle completo
$ uname -a
Linux servidor 5.15.0-56-generic #62-Ubuntu SMP x86_64 GNU/Linux

Para el examen: uname -r muestra la version del kernel en ejecucion. El sufijo como -generic o -amd64 es anadido por la distribucion.

Obtencion del codigo fuente del kernel

Fuentes oficiales

El codigo fuente oficial del kernel se obtiene de kernel.org:

# Descargar desde kernel.org
$ wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.15.60.tar.xz
 
# Verificar integridad
$ wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.15.60.tar.sign
$ xz -d linux-5.15.60.tar.xz
$ gpg --verify linux-5.15.60.tar.sign linux-5.15.60.tar
 
# Extraer
$ tar xf linux-5.15.60.tar -C /usr/src/

Fuentes de la distribucion

Las distribuciones proporcionan sus propias versiones del kernel con parches adicionales:

# Debian/Ubuntu
$ apt-get source linux-image-$(uname -r)
 
# Red Hat/CentOS
$ yumdownloader --source kernel

Directorio estandar del codigo fuente

El codigo fuente del kernel se instala tipicamente en /usr/src/linux/ o /usr/src/linux-<version>/.

$ ls /usr/src/
linux-5.15.60/
linux-headers-5.15.0-56-generic/

Es comun tener un enlace simbolico /usr/src/linux que apunta a la version activa:

$ ls -la /usr/src/linux
lrwxrwxrwx 1 root root 16 /usr/src/linux -> linux-5.15.60

Documentacion del kernel

La documentacion oficial del kernel se encuentra dentro del codigo fuente:

/usr/src/linux/Documentation/

Este directorio contiene:

• Documentacion de subsistemas (filesystems, networking, etc.)
• Guias de configuracion
• Parametros de arranque del kernel
• Documentacion de la API del kernel
• Informacion sobre hardware soportado

# Explorar la documentacion
$ ls /usr/src/linux/Documentation/
admin-guide/    filesystems/    networking/    process/
devicetree/     gpu/            security/      userspace-api/

Para el examen: La documentacion del kernel esta en /usr/src/linux/Documentation/. Es la referencia oficial para parametros, configuracion y funcionalidades del kernel.

Parches del kernel

Concepto de parche

Un parche (patch) es un archivo que contiene las diferencias entre dos versiones de codigo. Permite actualizar el kernel de una version a otra sin descargar todo el codigo fuente.

# Descargar un parche
$ wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/patch-5.15.61.xz
 
# Aplicar un parche (desde el directorio del fuente del kernel)
$ cd /usr/src/linux
$ xzcat /path/to/patch-5.15.61.xz | patch -p1
 
# Revertir un parche
$ xzcat /path/to/patch-5.15.61.xz | patch -R -p1

Tipos de parches

• Parches incrementales: de una version a la siguiente (5.15.60 a 5.15.61)
• Parches de la distribucion: correcciones especificas de la distribucion
• Parches de terceros: funcionalidades adicionales (por ejemplo, parches de realtime)

Para el examen: Los parches se aplican con el comando patch -p1. Se aplican desde el directorio raiz del codigo fuente del kernel. La opcion -p1 elimina el primer componente de la ruta en el parche.

Archivo de configuracion del kernel (.config)

El archivo .config en el directorio raiz del codigo fuente del kernel contiene todas las opciones de configuracion seleccionadas para la compilacion.

# Ver la configuracion actual del kernel en ejecucion
$ cat /boot/config-$(uname -r) | head -20
# o bien
$ zcat /proc/config.gz  # si CONFIG_IKCONFIG_PROC esta habilitado
 
# Copiar la configuracion actual como base
$ cp /boot/config-$(uname -r) /usr/src/linux/.config

Cada opcion puede tener tres estados:

• y (yes): compilado dentro del kernel (built-in)
• m (module): compilado como modulo cargable
• n (no): no compilado

CONFIG_EXT4_FS=y          # Soporte EXT4 integrado en el kernel
CONFIG_NTFS_FS=m          # Soporte NTFS como modulo
# CONFIG_MINIX_FS is not set  # Soporte MINIX deshabilitado

Makefile del kernel

El Makefile principal del kernel se encuentra en la raiz del codigo fuente y controla el proceso de compilacion. Las primeras lineas definen la version:

# SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
VERSION = 5
PATCHLEVEL = 15
SUBLEVEL = 60
EXTRAVERSION =
NAME = Trick or Treat

Para el examen: La version del kernel se define en las variables VERSION, PATCHLEVEL, SUBLEVEL y EXTRAVERSION del Makefile principal.

Kernel monolitico vs. modular

Kernel monolitico

Un kernel monolitico tiene todas las funcionalidades compiladas directamente dentro de la imagen del kernel. No carga componentes adicionales.

• Ventaja: no depende de archivos externos; todo esta en un solo binario
• Desventaja: imagen grande, desperdicio de memoria para funciones no usadas, requiere recompilar para cambios

Kernel modular

Linux usa un enfoque modular hibrido: un nucleo central con funcionalidades esenciales compiladas de forma integrada (built-in), y funcionalidades opcionales disponibles como modulos cargables.

• Ventaja: imagen del kernel mas pequena, carga solo lo necesario, flexibilidad para anadir/quitar funcionalidades sin reiniciar
• Desventaja: dependencia de archivos de modulo en el sistema de archivos

# Los modulos se almacenan en:
/lib/modules/$(uname -r)/
 
# Ver modulos cargados
$ lsmod
 
# Informacion de un modulo
$ modinfo ext4

Para el examen: Linux es un kernel monolitico con soporte de modulos cargables. Las funcionalidades pueden compilarse como built-in (=y), modulo (=m) o deshabilitadas (=n). Los modulos se cargan y descargan en tiempo de ejecucion.

Resumen de archivos y directorios clave

Ruta	Descripcion
/boot/vmlinuz-<version>	Imagen del kernel comprimida
/boot/config-<version>	Configuracion del kernel
/boot/System.map-<version>	Tabla de simbolos del kernel
/boot/initrd.img-<version>	Disco RAM inicial
/usr/src/linux/	Codigo fuente del kernel
/usr/src/linux/Documentation/	Documentacion del kernel
/usr/src/linux/.config	Archivo de configuracion para compilacion
/usr/src/linux/Makefile	Makefile principal con version
/lib/modules/<version>/	Modulos compilados del kernel
/proc/config.gz	Configuracion del kernel en ejecucion (si disponible)

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Trampas del examen

Errores comunes y distinciones criticas que LPI suele evaluar en este subtema:

• vmlinux vs vmlinuz vs bzImage — vmlinux es el kernel sin comprimir (formato ELF, para depuracion), vmlinuz es el nombre generico del kernel comprimido instalado en /boot/, y bzImage es el formato de compilacion que se carga en memoria alta. La “b” de bzImage viene de “big”, no de bzip2
• zImage vs bzImage — zImage carga el kernel en los primeros 640 KB de RAM (memoria baja) y esta obsoleto para x86. bzImage carga en memoria alta (por encima de 1 MB). El examen puede preguntar cual es el formato actual estandar
• La version del kernel se define en el Makefile, no en .config — las variables VERSION, PATCHLEVEL, SUBLEVEL y EXTRAVERSION estan en el Makefile principal del codigo fuente, no en el archivo de configuracion
• =y vs =m vs no configurado — y compila la funcionalidad dentro del kernel (built-in), m la compila como modulo cargable, y las lineas comentadas con # CONFIG_X is not set indican que esta deshabilitada. Confundir built-in con modulo es un error clasico
• /proc/config.gz no siempre existe — solo esta disponible si CONFIG_IKCONFIG_PROC=y fue habilitado durante la compilacion. La alternativa es /boot/config-$(uname -r)
• Linux es monolitico CON soporte de modulos — no es un microkernel. Linux es un kernel monolitico que soporta carga dinamica de modulos, lo cual es diferente de un kernel modular puro (como un microkernel)
• patch -p1 no patch -p0 — los parches del kernel se aplican con -p1 para eliminar el primer componente de la ruta (tipicamente a/ o b/). Usar -p0 hara que las rutas no coincidan
• /usr/src/linux es un enlace simbolico — apunta al directorio real del codigo fuente. Algunos comandos dependen de que este enlace exista y apunte a la version correcta