Введение в процессы загрузки ядра и запуска системы Linux

2018-09-28 в 13:09, admin, рубрики: boot, linux, systemd, Блог компании Отус, Настройка Linux, системное администрирование

Всем привет! Вот мы и открыли очередной, четвёртый по счёт уже, поток курса «Администратор Linux», который уверенно занимают свою нишу рядом с девопсерским курсом. Больше преподавателей, больше информации и стендов. Ну и как всегда больше интересной информации, которую подобрали преподаватели.

Поехали.

Задумывались ли вы когда-нибудь, что нужно для того, чтобы ваша система была готова к запуску приложений?

Понимать процессы загрузки ядра и запуска системы Linux, важно для настройки Linux и решения проблем запуска. В этой статье представлен обзор процесса загрузки ядра с использованием GRUB2 загрузчика и запуска, выполняемого системой инициализации systemd.

На самом деле, есть два ряда событий, необходимых для приведения компьютера с Linux в рабочее состояние: загрузка ядра (boot) и запуск системы (startup). Процесс загрузки ядра начинается при включении компьютера и заканчивается с инициализацией ядра и запуском systemd. После этого начинается процесс запуска системы, и именно он доводит компьютер Linux до рабочего состояния.

Введение в процессы загрузки ядра и запуска системы Linux - 1

В целом, процесс загрузка ядра и запуск системы Linux довольно прост. Он состоит из следующих шагов, которые будут описываться более детально в разделах ниже:

BIOS POST;
Загрузка ядра (GRUB2);
Инициализация ядра;
Запуск systemd, родителя всех процессов.

Обратите внимание, что в этой статье ведется речь именно о GRUB2 и systemd, так как они являются загрузчиком ядра и программой инициализации для большинства дистрибутивов. Ранее использовались и другие варианты, и иногда их еще можно встретить в некоторых дистрибутивах.

Процесс загрузки ядра

Процесс загрузки ядра может быть инициирован несколькими способами. Во-первых, если питание отключено, включение компьютера запустит процесс загрузки. Во-вторых, если на компьютере уже запущен локальный пользователь, включая рут и непривилегированного пользователя, пользователь может программно инициировать процесс загрузки ядра, используя GUI или командную строку для перезагрузки. Перезагрузка сначала выключит компьютер и только затем произведет рестарт.

BIOS POST

Первый шаг процесса загрузки ядра Linux не имеет никакого отношения к Linux. Это аппаратная часть процесса, одинаковая для всех операционных систем. Когда питание подается на компьютер, в первую очередь происходит запуск POST (Power On Self Test), являющегося частью BIOS (Basic I/O System, Базовая Система Ввода-Вывода).

Когда IBM выпустила первый персональный компьютер в 1981 году, BIOS был разработан для инициализации аппаратных компонентов. POST — часть BIOS, задачей которого является обеспечение корректной работы компьютерного оборудования. Если POST заканчивается неудачно, то возможно компьютер неисправен, и процесс загрузки не продолжается.

BIOS POST проверяет базовую работоспособность железа, а затем вызывает прерывание BIOS — INT 13H, которое находит секторы загрузки ядра на всех подключенных устройствах с возможностью загрузки. Первый найденный сектор, в котором содержится валидная загрузочная запись, загружается в RAM, после чего контроль передается коду из загрузочного сектора.
Загрузочный сектор — только первый этап. В большинстве дистрибутивов Linux используется один из трех вариантов загрузчика: GRUB, GRUB2 и LILO. GRUB2 — самый новый и сейчас его используют гораздо чаще более старых вариантов.

GRUB2

GRUB2 расшифровывается как “GRand Unified Bootloader, version 2”, и теперь он является основным загрузчиком для большинства современных дистрибутивов Linux. GRUB2 — программа, которая делает компьютер достаточно “умным”, чтобы тот смог найти ядро операционной системы и загрузить его в память. Поскольку говорить и писать просто GRUB легче, чем GRUB2, в этой статье я возможно буду использовать термин GRUB, но подразумевать GRUB2, если не будет иного уточнения.

GRUB совместим со спецификацией мультизагрузки, что позволяет ему загружать разные версии Linux и других операционные системы; он также может запустить по цепочке загрузочную запись проприетарных операционных систем.

GRUB также позволяет пользователю выбрать загрузку ядра из нескольких возможных для любого предоставленного дистрибутива Linux. Это дает возможность загрузить предыдущую версию ядра, если обновленная не сможет загрузиться корректно или окажется несовместима с какой-то важной частью ПО. GRUB можно настроить в файл /boot/grub/grub.conf.

GRUB1 сейчас уже считается устаревшим и в большинстве современных дистрибутивов заменен на GRUB2, который является его переписанным вариантом. Дистрибутивы на основе Red Hat обновились до GRUB2 около Fedora 15 и CentOS/RHEL 7. GRUB2 имеет тот же загрузочный функционал, что и GRUB1, но в дополнении предоставляет mainframe-like, pre-OS окружение на базе команд и бОльшую гибкость на предзагрузочном этапе. Настройка GRUB2 происходит в /boot/grub2/grub.cfg.

Основная задача любого из GRUB — загрузить ядро Linux в память и запустить его. Обе версии GRUB работают схожим образом в три этапа, но в этой статье я буду использовать именно GRUB2 для описания работы GRUB. Настройка GRUB и GRUB2 и использование команд GRUB2 выходит за рамки этой статьи.

Хоть официально GRUB2 не использует нумерацию этапов, ради удобства я воспользуюсь ей в этой статье.

Этап 1

Как уже упоминалось в разделе BIOS POST, в конце POST BIOS ищет загрузочные записи на прикрепленных дисках, обычно расположенных в Главной Загрузочной Записи (Master Boot Record, MBR), после чего он загружает первую найденную запись в память и приступает к ее исполнению. Bootstrap-код, то есть 1-ый этап GRUB2, занимает очень мало места, потому что должен влезать в первый 512-байтовый сектор на жестком диске вместе с таблицей разделов. Общее количество места, выделенного для самого bootstrap-кода в стандартной MBR — 446 байт. 446-байтовый файл для этапа 1 называется boot-img и не содержит таблицу разделов — она добавляется в загрузочную запись отдельно.

Поскольку загрузочная запись должна быть настолько маленькой, она не очень “умная” и не понимает структуру файловой системы. Поэтому единственной целью этапа 1 является обнаружение и загрузка этапа 1.5. Чтобы достичь этого, этап 1.5 GRUB должен располагаться в пространстве между самой загрузочной записью и первым разделом на диске. После загрузки этапа 1.5 GRUB в RAM, этап 1 передает контроль этапу 1.5.

Этап 1.5

Как было замечено выше, этап 1.5 GRUB должен находиться между загрузочной записью и первый разделом на диске. Исторически сложилось, что это пространство остается неиспользованным по техническим причинам. Первый раздел на жестком диске начинается в 63 секторе, а с учетом MBR в секторе 0, остается 62 512-байтовых секторов — 31744 байта — в которых можно хранить файл core.img — 1.5 этап GRUB. Файл core.img весит 25389 байт, что достаточно места для его хранения между MBR и первым разделом диска.

Поскольку для этапа 1.5 можно использовать больше кода, его может быть достаточно для содержания нескольких распространенных драйверов файловых систем, например, стандартной EXT и прочих Linux файловых систем, FAT и NTFS. core.ing в GRUB2 более сложный и функциональный, чем в этапе 1.5 GRUB1. Это значит, что этап 2 GRUB2 может находиться в стандартной EXT файловой системе, но не в логическом томе. Поэтому стандартное местоположение для файлов этапа 2 — файловая система /boot, а точнее /boot/grub2.

Обратим внимание, что директория /boot должна располагаться в файловой системе, которая поддерживается GRUB. Не все файловые системы имеют эту поддержку. Задача этапа 1.5 — начать с необходимыми драйверами файловой системы поиск файлов этапа 2 в файловой системе /boot и загрузить нужные драйверы.

Этап 2

Все файлы этапа 2 GRUB находятся в директории /boot/grub2 и нескольких поддиректориях. В GRUB2 нет файла образа как в этапах 1 и 2. Вместо этого он по большей части состоит из runtime модулей ядра, которые грузятся по необходимости из директории /boot/grub2/i386-pc.

Задача этапа 2 GRUB2 — обнаружить и загрузить ядро Linux в RAM и передать контроль управления компьютером ядру. Ядро и связанные с ним файлы находятся в директории /boot. Файлы ядра легко узнать, поскольку их названия начинаются с vmlinuz. Вы можете составить список содержимого директории /boot, чтобы посмотреть текущие установленные ядра в вашей системе.

GRUB2, как и GRUB1, поддерживает загрузку одного из нескольких ядер Linux. Система управления пакетами Red Hat поддерживает сохранение нескольких версий ядра, чтобы можно было загрузить старую версию ядра в случае возникновения проблем с самой новой. По умолчанию, GRUB предоставляет предварительно загруженное меню установленные ядер, включая опцию rescue, а после настройки, и опцию recovery.

Этап 2 GRUB2 загружает выбранное ядро в память и передает контроль управления компьютером ядру.

Ядро

Все ядра находятся в самораспаковывающемся, сжатом формате для экономии места. Ядра расположены в директории /boot, вместе с исходным образом диска RAM и списком разделов на жестких дисках.

После того, как выбранное ядро загружено в память и начинает исполняться, в первую очередь, оно должно извлечь самого себя из сжатой версии файла, перед тем как начать выполнять полезную работу. Как только извлечение произошло, оно загружает systemd, который является заменой старой программе SysV init, и передает ему контроль.

Это конец процесса загрузки ядра. К этому моменту, ядро Linux и systemd запущены, но не могут выполнять какие-либо полезные задачи для конечного пользователя, так как выполнять еще нечего.

Процесс запуска системы

Процесс запуска системы следует за процессом загрузки ядра и приводит компьютер с Linux в рабочее состояние.

systemd

systemd — родитель всех процессов, ответственный за приведение хоста Linux в состояние эффективной работы. Некоторые его функции, более обширные, чем те, что были представлены в старой программе инициализации, и должны управлять множеством аспектов запущенного хоста Linux, включая монтирование файловой системы, запуск и управление системными сервисами, необходимыми для продуктивной работы хоста Linux. Все задачи systemd, которые не относятся к процессу запуска системы, выходят за рамки обсуждения в этой статье.

Сначала, systemd монтирует файловые системы, как определено в /etc/fstab, включая любые swap-файлы и разделы. К этому моменту, он может получить доступ к файлам конфигурации, расположенным в /etc, включая его собственным. Он использует собственный конфигурационный файл /etc/systemd/system/default.target, чтобы определить таргет (target), по которому нужно загрузить хост. Файл default.target — просто симлинк на настоящий target файл. Для настольной рабочей станции обычно это graphical.target, эквивалентный runlevel 5 в старом инициализаторе SystemV. Для сервера, по умолчанию скорее всего будет multi-user.target, аналогичный runlevel 3 в SystemV. emergency.target похож на однопользовательский режим.

Обратите внимание, что target’ы и сервисы являются юнитами systemd.

Ниже представлена Таблица 1, в которой идет сравнение всех таргетов systemd со старыми уровнями выполнения (runlevel) в SystemV. Псевдонимы таргета systemd предоставляются systemd для обратной совместимости. Псевдонимы таргета разрешают скриптам — и многим сисадминам, мне в том числе — использовать такие SystemV команды как init3 для изменения уровней выполнения. Конечно, команды SystemV направлены systemd для интерпретации и исполнения.

SystemV Runlevel	systemd target	systemd target aliases	Description
	halt.target		Приостанавливает систему без отключения питания
0	poweroff.target	runlevel0.target	Приостанавливает систему и отключает питание
S	emergency.target		Однопользовательский режим. Сервисы не запущены; файловые системы не смонтированы. Это самый базовый уровень оперирования. Для взаимодействия пользователя с системой в главной консоли запущена только аварийная оболочка.
1	rescue.target	runlevel1.target	Базовая система, включающая монтирование файловой системы с самым базовым набором сервисов и rescue оболочкой в главной консоли.
2		runlevel2.target	Многопользовательский режим, без NFS, но все сервисы, не относящиеся к GUI, запущены.
3	multi-user.target	runlevel3.target	Все сервисы запущены, но только через интерфейс командной строки (CLI).
4		runlevel4.target	Не используется.
5	graphical.target	runlevel5.target	Многопользовательский режим с GUI.
6	reboot.target	runlevel6.target	Перезагрузка.
	default.target		Этот таргет всегда имеет симлинк с multi-user.target или graphical.target. systemd всегда использует default.target для запуска системы. default.target никогда не должен быть связан с halt.target, poweroff.target или reboot.target.

Таблица 1: Сравнение уровней управления SystemV с target’ами systemd и некоторые псевдонимы таргетов.

У каждого таргета есть набор зависимостей, описанных в файле конфигурации. systemd запускает необходимые. Эти зависимости представляют собой сервисы, требуемые для запуска хоста Linux с определенным уровнем функционирования. Когда все зависимости, перечисленные в конфигурационных файлах таргета, загружены и запущены, система работает на этом уровне таргета.

systemd также просматривает устаревшие директории инициализации SystemV на предмет наличия стартап файлов. Если они есть, systemd использует их в качестве файлов конфигурации для запуска сервисов описанных в файлах. Устаревший сетевой сервис — хороший пример одного из тех, что до сих пор используют стартап файлы SystemV в Fedora.

Рисунок 1, представленный ниже, напрямую скопирован с главной страницы bootup. На нем показана общая последовательность событий во время запуска systemd и базовые требования для обеспечения его успешности.

Таргеты sysinit.target and basic.target можно считать чекпоинтами в процессе запуска системы. Хоть одна из целей systemd — параллельно запускать системная сервисы, есть некоторые сервисы и функциональные таргеты, которые должны быть запущены раньше других. Эти контрольные точки не могут быть пройдены до тех пор, пока все сервисы и таргеты, необходимые для них, не будут выполнены.

Таким образом, sysinit.target достигается, когда завершены все юниты, от которых он зависит. Должны быть завершены все следующие юниты: монтирование файловых систем, настройка swap-файлов, запуск udev, настройка начального состояния генератора случайных чисел, инициализация низкоуровневых сервисов, настройка криптографических сервисов, если хотя бы одна файловая система зашифрована. В sysinit.target они могут выполняться параллельно.
sysinit.target запускает все низкоуровневые сервисы и юниты необходимые для минимальной функциональности системы, и те, что нужны для перехода к basic.target.

Введение в процессы загрузки ядра и запуска системы Linux - 2
Рисунок 1. Карта запуска systemd

После выполнения sysinit.target, systemd запускает basic.target, начиная со всех юнитов, необходимых для его выполнения. Базовый таргет предоставляет дополнительный функционал, запуская юниты необходимые для следующего таргета, включая настройку путей до различных исполняемых директорий, коммуникационных сокетов и таймеров.

Наконец, можно начать инициализацию таргетов пользовательского уровня: multi-user.target или graphical.target. Стоит отметить, что multi-user.target должен быть достигнут до того, как будут выполнены зависимости графического таргета.

Подчеркнутые таргеты в Рисунке 1 — обычные стартап таргеты. Запуск системы завершается по достижении одного из них. Если multi-user.target является таргетом по умолчанию, то в консоли вы увидите логин в текстовом режиме. Если же по умолчанию задан graphical.target, то увидите графический логин; GUI экрана логина зависит от экранного менеджера, который вы используете.

Проблемы

Недавно мне пришлось поменять дефолтное загрузочное ядро на компьютере Linux, который использовал GRUB2. Я обнаружил, что некоторые команды перестали работать корректно, или же я пользовался ими как-то некорректно. До сих пор не знаю, в чем была проблема, потребуется больше времени на ее исследование.

Команда grub2-set-default неправильно настроила дефолтный индекс ядра в файле /etc/default/grub, поэтому желаемое альтернативное ядро не загружалось. Я вручную поменял /etc/default/grub GRUB_DEFAULT=saved на GRUB_DEFAULT=2, где 2 — индекс установленного ядра, которое я хотел запустить. Затем, я запустил команду grub2-mkconfig > /boot/grub2/grub.cfg для создания нового конфигурационного файла grub. Эта уловка сработала, и альтернативное ядро было запущено.

Выводы

GRUB2 и система инициализации systemd — ключевые компоненты для фаз загрузки ядра и запуска системы большинства современных дистрибутивов Linux. Несмотря на противоречия, особенно вокруг systemd, эти два компонента хорошо работаю вместе для загрузки ядра и запуска всех системных сервисов, необходимых для создания функциональной системы Linux.
Хоть я и считаю GRUB2 и systemd в целом более сложными, чем их предшественники, они ничуть не сложнее в освоении и управлении. В мануалах содержится большое количество информации о systemd, а на freedesktop.org список его страниц представлен полностью. За большей информацией обратитесь к ссылкам ниже: