Как посмотреть процесс загрузки linux

Обновлено: 04.07.2024

Оригинал: An introduction to the Linux boot and startup processes
Автор: David Both
Дата публикации: 20 февраля 2017 года
Перевод: А. Кривошей
Дата перевода: март 2018 г.

Понимание процессов загрузки и запуска Linux важно для того, чтобы понимать, как правильно настроить систему, или решить проблемы с загрузкой. В этой статье представлен обзор последовательности загрузки системы с использованием загрузчика GRUB2 и последовательности запуска, выполняемой системой инициализации systemd .

На самом деле, есть две последовательности событий, которые необходимы для загрузки Linux-компьютера и делают его пригодным для использования: загрузка и запуск. Последовательность загрузки начинается, когда компьютер включен, и завершается, когда инициализируется ядро и запускается systemd. Затем процесс запуска завершает задачу приведения компьютера Linux в рабочее состояние.

В целом, процесс загрузки и запуска Linux довольно прост для понимания. Он состоит из следующих этапов, которые более подробно будут описаны в следующих разделах.

- BIOS POST;
- загрузчик (GRUB2);
- инициализация ядра;
- запуск systemd, родительского компонента всех процессов.

Обратите внимание, что в этой статье рассматриваются GRUB2 и systemd, поскольку они являются текущим загрузчиком и системой инициализации для большинства главных дистрибутивов. Ранее использовались другие варианты таких программ, и они все еще используются в некоторых дистрибутивах.

Процесс загрузки

Процесс загрузки может быть инициирован одним из нескольких способов. Во-первых, если питание отключено, его включение запустит процесс загрузки. Если компьютер уже запущен, локальный пользователь, включая root или обычного пользователя, может программно инициировать последовательность загрузки с помощью графического интерфейса или командной строки для перезагрузки компьютера. Сначала компьютер будет выключен, а затем перезагружен.

BIOS POST

Первый этап процесса загрузки Linux на самом деле не имеет ничего общего с Linux. Это аппаратная часть процесса загрузки и она одинаковая для любой операционной системы. Когдана компьютер подается питание, он запускает процедуру POST (Power On Self Test), которая является частью BIOS (Basic I/O System).

Когда IBM разработала первый компьютер, еще в 1981 году, для инициализации аппаратных компонентов был разработан BIOS. POST является частью BIOS, задачей которого является обеспечение правильного функционирования оборудования. Если POST не сработал нормально, компьютер может не использоваться, поэтому процесс загрузки не будет продолжен.

BIOS POST проверяет базовую работоспособность аппаратного обеспечения, а затем выдает прерывание BIOS, INT 13H, которое находит загрузочные секторы на всех подключенных загрузочных устройствах. Первый загрузочный сектор с правильной загрузочной записью, который он находит, загружается в ОЗУ, а затем управление передается коду, загруженному из загрузочного сектора.

Загрузочный сектор - это фактичеки первый этап загрузчика. Существует три загрузчика, используемые большинством дистрибутивов Linux: GRUB, GRUB2 и LILO. GRUB2 является самым современным и используется сегодня гораздо чаще, чем более старые варианты.

GRUB2

GRUB2 означает «GRAND Unified Bootloader, версия 2», и сегодня он является основным загрузчиком для большинства дистрибутивов Linux. GRUB2 - это программа, которая делает компьютер достаточно умным, чтобы найти ядро операционной системы и загрузить его в память. Поскольку проще писать и говорить GRUB, чем GRUB2, я буду использовать термин GRUB в этом документе, но при этом буду ссылаться на GRUB2, если не указано иное.

GRUB был разработан для совместимости с спецификацией multiboot, которая позволяет GRUB загружать множество версий Linux и других бесплатных операционных систем; он также может загружать загрузочную запись проприетарных операционных систем.

GRUB также позволяет пользователю выбирать загрузку одного из нескольких разных ядер для любого дистрибутива Linux. Это дает возможность загрузиться с предыдущей версией ядра, если обновленная версия работает некорректно или несовместима с частью программного обеспечения. GRUB можно настроить с помощью файла /boot/grub/grub.conf.

GRUB1 теперь считается устаревшим и был заменен в большинстве современных дистрибутивов на GRUB2, который является переписанным GRUB1. Дистрибутивы на основе Red Hat были обновлены до GRUB2, начиная с Fedora 15 и CentOS/RHEL 7. GRUB2 обеспечивает ту же функциональность, что и GRUB1, но GRUB2 также обеспечивает большую гибкость на этапе предварительной загрузки. GRUB2 настраивается с помощью файла /boot/grub2/grub.cfg.

Основная функция GRUB заключается в том, чтобы загрузить ядро Linux в память и запустить его. Обе версии GRUB работают в целом одинаково и процесс включает те же три этапа, но я буду использовать GRUB2. Настройка GRUB или GRUB2 и использование команд GRUB2 выходит за рамки данной статьи.

Хотя GRUB2 официально не использует нотацию этапов для трех этапов загрузки GRUB2, удобно обращаться к ним таким образом, что я и буду делать в этой статье.

Этап 1

Как упоминалось в разделе POST BIOS, в конце POST BIOS просматривает прикрепленные диски в поиске загрузочной записи, обычно находящейся в главной загрузочной записи (MBR), загружает первую обнаруженную в ОЗУ, а затем начинает выполнение загрузочной записи. Код начальной загрузки, т. е. этап 1 GRUB2, очень мал, поскольку он должен помещаться в первый 512-байтовый сектор на жестком диске вместе с таблицей разделов. Общий объем пространства, выделенного для реального кода начальной загрузки в классическом общем MBR, составляет 446 байтов. Файл размером 446 байт для этапа 1 называется boot.img и не содержит таблицу разделов, которая добавляется в загрузочную запись отдельно.

Поскольку загрузочная запись должна быть такой маленькой, она не очень умна и не понимает структуры файловой системы. Поэтому единственной целью этапа 1 является нахождение и загрузка этапа 1.5. Для этого этап 1.5 GRUB должен быть расположен в пространстве между самой загрузочной записью и первым разделом на диске. После загрузки этапа 1.5 GRUB в ОЗУ, этап 1 передает управление этапу 1.5.

Этап 1.5

Как упоминалось выше, этап 1.5 GRUB должен быть расположен в пространстве между самой загрузочной записью и первым разделом на диске. По техническим причинам исторически это пространство не использовалось. Первый раздел на жестком диске начинается в секторе 63 с MBR в секторе 0, что оставляет 62 512-байтовых секторов - 31 744 байта, в которых хранится файл core.img, который является этапом 1.5 GRUB. Размер файла core.img равен 25389 байт, поэтому между MBR и первым дисковым разделом имеется много свободного места для его хранения.

Из-за большего количества кода, который может быть задействован для этапа 1.5, он может содержать несколько драйверов для распространенных файловых систем, таких как EXT и других файловых систем Linux, FAT и NTFS. GRUB2 core.img гораздо более сложный и интеллектуальный по сравнению с более старым этапом 1.5 GRUB1. Это означает, что этап 2 GRUB2 может быть расположен на стандартной файловой системе EXT, но не может быть расположен на логическом томе. Таким образом, стандартное расположение файлов этапа 2 - файловая система /boot, а именно /boot/grub2.

Обратите внимание, что каталог /boot должен находиться в файловой системе, поддерживаемой GRUB. Не все файловые системы подходят для него. Функция этапа 1.5 - загрузить драйвера файловой системы, необходимыми для поиска файлов этапа 2 в файловой системе /boot и загрузки необходимых драйверов.

Этап 2

Все файлы этапа 2 GRUB находятся в каталоге /boot/grub2 и нескольких его подкаталогах. GRUB2 не имеет файла образа, как этапы 1 и 2. Вместо этого он состоит в основном из модулей ядра, которые загружаются по мере необходимости из каталога /boot /grub2/ i386-pc.

Функция этапа 2 GRUB2 состоит в том, чтобы найти и загрузить ядро Linux в оперативную память и переключить управление компьютером на ядро. Ядро и связанные с ним файлы находятся в каталоге /boot. Файлы ядра могут быть идентифицированы, поскольку все их имена начинаются с vmlinuz. Вы можете просмотреть содержимое каталога /boot, чтобы увидеть установленные в вашей системе ядра.

GRUB2, как и GRUB1, поддерживает загрузку из одного из ядер Linux. Менеджер пакетов Red Hat, DNF, поддерживает сохранение нескольких версий ядра, поэтому, если возникает проблема с самой новой версией, можно загрузить более старую версию ядра. По умолчанию GRUB предоставляет предварительное загрузочное меню установленных ядер, включая вариант безопасной загрузки и, если он настроен, вариант восстановления.

Этап 2 GRUB2 загружает выбранное ядро в память и передает управление компьютером ядру системы.

Все ядра хранятся в формате самораспаковывающегося архива для экономии места. Ядра расположены в каталоге /boot вместе с исходным образом RAM-диска и картами устройств жестких дисков.

После того, как выбранное ядро загрузится в память и начнет выполнение, оно должно сначала извлечь себя из архива, прежде чем сможет выполнить любую полезную работу. После того, как ядро извлекло себя, оно загружает systemd, заменившую старую программу SysV init, и переключает управление на нее.

Это конец процесса загрузки. К этому моменту ядро Linux и systemd работают, но не могут выполнять какие-либо продуктивные задачи для конечного пользователя, потому что ничего не работает.

Процесс запуска

Процесс запуска следует за процессом загрузки и приводит компьютер Linux в рабочее состояние, в котором он может использоваться для продуктивной работы.

systemd

systemd является матерью всех процессов, и она отвечает за то, чтобы привести систему Linux в состояние, в котором на ней можно работать. Некоторые из ее функций, которые намного шире, чем у старой программы init, предназначены для управления различными аспектами работающей системы Linux, включая создание файловых систем, а также запуск и управление системными службами, необходимыми для повседневной работы Linux. Любая из задач systemd, не относящихся к последовательности запуска, выходит за рамки этой статьи.

Во-первых, systemd монтирует файловые системы, заданные в /etc/fstab, включая любые файлы или разделы подкачки. На этом этапе она может получить доступ к конфигурационным файлам , расположенным в /etc, включая ее собственный. Она использует свой конфигурационный файл , /etc/systemd/system/default.target, для определения состояния (цели), в которые он должен загружать систему. Файл default.target является только символической ссылкой на настоящий целевой файл. Для рабочей станции или настольных компьютеров это обычно будет graphical.target, что эквивалентно уровню запуска 5 в старой системе инициализации SystemV. Для сервера по умолчанию, скорее всего, это будет multi-user.target, который похож на уровень запуска 3 в SystemV. Emergency.target похож на однопользовательский режим.

Обратите внимание, что цели и службы являются единицами systemd.

В таблице 1 ниже представлено сравнение целей systemd со старыми уровнями запуска SystemV. Алиасы целей предоставляются systemd для обратной совместимости. Алиасы целей позволяют сценариям и многим системным администраторам, таким как я, использовать команды SystemV, такие как init 3, для изменения уровней запуска. Конечно, команды SystemV для интерпретации и выполнения пересылаются в systemd.

Уровень SystemV	Цели target	Алиасы целей systemd	Описание
-	halt.target	-	Выключает систему без выключения питания.
0	poweroff.target	runlevel0.target	Выключает систему с выключением питания.
S	emergency.target	-	Однопользовательский режим. Службы не работают; файловые системы не смонтированы. Это базовый уровень работы с только аварийной оболочкой, запущенной на главной консоли, чтобы пользователь мог взаимодействовать с системой.
1	rescue.target	runlevel1.target	Базовая система, включающая смонтированные файловые системы только с основными запущенными службами и аварийной оболочкой на главной консоли.
2	-	runlevel2.target	Многопользовательский режим без NFS, но с запущенными остальными консольными службами
3	multi-user.target	runlevel3.target	Все службы работают, но доступен только интерфейс командной строки.
4	-	runlevel4.target	Не используется
5	graphical.target	runlevel5.target	Многопользовательский режим с графическим интерфейсом
6	reboot.target	runlevel6.target	Перезагрузка
-	default.target	-	Эта цель всегда является символической ссылкой на multi-user.target или graphical.target. system всегда использует default.target для запуска системы. default.никогда не должна ссылаться на halt.target, poweroff.target или reboot.target.

Таблица 1: Сравнение уровней запуска SystemV с целями systemd.

Каждая цель имеет набор зависимостей, описанных в конфигурационном файле. systemd запускает необходимые зависимости. Эти зависимости - службы, необходимые для запуска хоста Linux на определенном уровне функциональности. Когда все зависимости, перечисленные в целевых конфигурационных файлах, загружаются и запускаются, система работает на этом целевом уровне.

systemd также просматривает устаревшие каталоги инициализации SystemV, чтобы узнать, имеются ли там файлы запуска. Если они есть, systemd использует их в качестве конфигурационных файлов для запуска служб, описанных в этих файлах. Устаревшая сетевая служба является хорошим примером одного из тех случаев, когда в Fedora все еще используются файлы запуска SystemV.

Рисунок 1, ниже, скопирован непосредственно с man-страницы bootup. Он показывает общую последовательность событий во время запуска systemd и основные требования к их порядку для обеспечения успешного запуска.

Цели sysinit.target и basic.target можно рассматривать как контрольные точки в процессе запуска. Хотя одной из целей разработки systemd было обеспечение одновременного запуска системных служб, все еще есть определенные службы и функциональные цели, которые необходимо запустить, прежде чем можно будет запустить другие службы и цели. Эти контрольные точки не могут быть пройдены до тех пор, пока не будут выполнены все требуемые службы и цели.

Таким образом, sysinit.target достигается, когда завершены все компоненты, от которых он зависит. Монтирование файловых систем, настройка файлов подкачки, запуск udev, установка генератора случайных чисел, запуск низкоуровневых служб и настройка криптографических служб, если одна или несколько файловых систем зашифрованы, должны быть завершены, но внутри sysinit.target эти задачи могут выполняться параллельно.

Sysinit.target запускает все низкоуровневые службы и компоненты, необходимые для минимальной функциональности системы, и которые будут необходимы для перехода на basic.target.

Рисунок 1: Карта запуска systemd.

После того, как будет выполнен sysinit.target, systemd запустит basic.target, запуская все компоненты, необходимые для его выполнения. basic.target обеспечивает некоторую дополнительную функциональность, запуская компоненты, которые необходимы для следующей цели. Они включают настройку таких аспектов, как пути к различным исполняемым каталогам, коммуникационные сокеты и таймеры.

Наконец, могут быть инициализированы цели пользовательского уровня, multi-user.target или graphical.target. Обратите внимание, что многопользовательский режим должен быть достигнут до того, как будут выполнены графические зависимости.

Подчеркнутые цели на рисунке 1 являются обычными целями запуска. Когда достигнута одна из этих целей, запуск завершен. Если значением по умолчанию является параметр multi-user.target, вы должны увидеть логин в текстовом режиме на консоли. Если значением по умолчанию является graphical.target, вы должны увидеть графический экран входа в систему; конкретный экран входа, который вы видите, будет зависеть от используемого по умолчанию диспетчера сеансов.

Проблемы

Недавно мне пришлось менять ядро по умолчанию на компьютере под Linux, использующем GRUB2. Я обнаружил, что некоторые из команд, похоже, не работают должным образом, или может быть я использовал их неправильно. Я еще не уверен в причинах, нужно сделать еще несколько тестов.

Команда grub2-set-default неправильно настроила индекс ядра по умолчанию в файле /etc/ default/grub, поэтому нужное мне альтернативное ядро не загрузилось. Далее я вручную изменил /etc/default/grub GRUB_DEFAULT=saved на GRUB_DEFAULT=2, где 2 - индекс установленного ядра, которое я хотел загрузить. Затем я запустил команду grub2-mkconfig> /boot/grub2/grub.cfg, чтобы создать новый конфигурационный файл grub. Этот обходной метод сработал так, как я ожидал, и загрузил альтернативное ядро.

Заключение

GRUB2 и система systemd являются ключевыми компонентами на этапах загрузки и запуска большинства современных дистрибутивов Linux. Эти два компонента работают вместе, чтобы сначала загрузить ядро, а затем запустить все системные службы, необходимые для создания полнофункциональной системы Linux.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.img 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.

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.

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 — 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.

Runlevel	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.

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.

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.

Вот и всё. Ждём вопросы и комментарии тут или их можно задать напрямую на открытом уроке.

Вы когда-нибудь интересовались различными этапами загрузки операционной системы? Что происходит, когда вы включаете свой компьютер?

Этапы процесса загрузки Linux условно можно разделить на:

Загрузка BIOS (POST).

Первый этап загрузки (MBR или GPT).

Второй этап загрузки (GRUB2).

Инициализация главного процесса (init или systemd).

Уровни выполнения (runlevels).

Сейчас мы их и рассмотрим.

Загрузка BIOS (POST)

Вы можете использовать функциональные клавиши (F1-F12) в режиме BIOS, чтобы задать приоритет загрузки устройств, настроить параметры аппаратного обеспечения компьютера или восстановить заданные по умолчанию значения параметров компьютера. В меню BIOS вы найдете номер версии BIOS, наименование поставщика BIOS, тип вашего процессора и другую подробную информацию о системе.

Меню загрузки в BIOS (Boot Manager) представляет собой список, в котором вы можете выбрать загружаемую операционную систему. Если на вашем компьютере установлено несколько дистрибутивов Linux или других операционных систем, вы можете добавить их в меню загрузки. Последняя установленная ОС будет показана в верхней части Boot Manager.

На следующем рисунке вы можете видеть, что на моем компьютере установлены Ubuntu и Windows. Я могу выбрать любую операционную систему (из доступных) для загрузки.

Первый этап загрузки (MBR или GPT)

Как только MBR обнаруживает загрузчик второго этапа, то передает управление на него.

Примечание: Стоит отметить, что сейчас все чаще вместо MBR используется более современная технология — GPT.

Второй этап загрузки (GRUB2)

Задача загрузчика второго этапа состоит в том, чтобы найти ядро системы и загрузить его в память.

Конфигурационными файлами загрузчика GRUB обычно являются файлы /boot/grub/grub.conf или /etc/grub.conf. Как только загрузчик находит ядро, то загружает его в оперативную память и передает ему дальнейшее управление.

Инициализация ядра

Большинство новых пользователей Linux считают, что Linux — это операционная система. Но на самом деле Linux — это ядро. Ядро часто называют сердцем операционной системы. Оно играет очень важную роль в процессе загрузки Linux. Ядро Linux находится в каталоге /boot и отвечает за взаимодействие между основными компонентами компьютера и операционной системой.

Файлы ядра Linux

Инициализации главного процесса (init или systemd)

Примечание: В системе инициализации SysV главным процессом является процесс init, а в системе инициализации systemd — (одноименный) процесс systemd.

Уровни выполнения (runlevels)

Runlevel 0 — завершает работу системы.

Runlevel 3 — многопользовательский режим с поддержкой сети, но без графического интерфейса. Чаще всего серверные версии Linux работают именно на этом уровне выполнения.

Runlevel 4 — не используется. Пользователь может настраивать этот уровень исходя из его целей.

Runlevel 5 — схож с режимом 3, но здесь запускается графический интерфейс. В этом режиме работают десктопные версии Linux.

Runlevel 6 — перезагружает систему.

Примечание: В системах семейства Debian уровни выполнения выстроены немного иначе. Например, Ubuntu в режиме командой строки запускается с уровнем выполнения 5.

В процессе загрузки Linux состояние уровня выполнения представлено буквенно-цифровым кодом. Если вы посмотрите на скриншот, приведенный ниже, вы увидите, что мой текущий уровень выполнения равен N 5 ; это означает, что мой компьютер уже завершил процесс загрузки, и работает в многопользовательском режиме с графическим интерфейсом.

Узнать текущий режим уровня выполнения можно с помощью следующей команды:

Если вам по какой-либо причине потребуется изменить уровень выполнения, то это можно сделать с помощью следующей команды:

sudo telinit [номер_уровня]

Заключение

Данный урок является лишь общим обзором процесса загрузки Linux, тем не менее для новичков он уже должен внести понимание о том, что происходит с системой Linux при нажатии кнопки включения на компьютере.

Каждый раз, когда вы включаете свой компьютер с Linux, он проходит ряд этапов, прежде чем, наконец, отобразится экран входа в систему, который запрашивает ваше имя пользователя или пароль. Существует 4 различных этапа, которые каждый дистрибутив Linux проходит в типичном процессе загрузки.

В этом руководстве мы выделим различные шаги, предпринятые ОС Linux с момента включения до момента входа в систему. Обратите внимание, что это руководство сфокусировано на загрузчике GRUB2 и systemd init, поскольку они используются в настоящее время подавляющим большинством современных дистрибутивов Linux. Но существуют и другие загрузчики, например, дистрибутивы на основе Arch Linux используют systemd-boot.

Процесс загрузки состоит из следующих 4 шагов, которые мы обсудим более подробно:

Инициализация системы: UEFI или BIOS (POST)
Запуск загрузчика (GRUB2 или systemd-boot)
Инициализация ядра
Запуск systemd, родителя всех процессов

1. Инициализация системы: UEFI или BIOS

Инициализация системы под UEFI

Система включена, выполняется самотестирование при включении (POST).
После POST UEFI инициализирует оборудование, необходимое для загрузки (диск, контроллеры клавиатуры и т. д.).
Прошивка считывает загрузочные записи в NVRAM, чтобы определить, какое приложение EFI запускать и откуда (например, с какого диска и раздела).

Загрузочной записью может быть просто диск. В этом случае микропрограмма ищет системный раздел EFI на этом диске и пытается найти приложение EFI в резервном загрузочном пути \EFI\BOOT\BOOTX64.EFI (BOOTIA32.EFI в системах с IA32 (32-разрядным) UEFI). Так работают загрузочные съёмные носители UEFI.

Прошивка запускает приложение EFI.

Это может быть загрузчик или само ядро Arch, использующее EFISTUB.
Это может быть какое-то другое приложение EFI, такое как оболочка UEFI, или менеджер загрузки, например systemd-boot или rEFInd.

Если включена безопасная загрузка, процесс загрузки будет проверять подлинность двоичного файла EFI по подписи.

Инициализация системы под BIOS

Система включена, выполняется самотестирование при включении (POST).
После POST BIOS инициализирует оборудование, необходимое для загрузки (диск, контроллеры клавиатуры и т. д.).
BIOS запускает первые 440 байтов (область кода начальной загрузки основной загрузочной записи) первого диска в порядке дисков BIOS.
Затем первый этап загрузчика в загрузочном коде MBR запускает свой второй этап (если есть) из одного из следующих источников:

следующие секторы диска после MBR, то есть так называемый промежуток после MBR (только в таблице разделов MBR).
загрузочная запись тома раздела или диска без разделов (VBR).
загрузочный раздел BIOS (только GRUB в BIOS/GPT).

Запускается фактический загрузчик.
Затем загрузчик загружает операционную систему путём последовательной или прямой загрузки ядра операционной системы.

Проверка целостности BIOS (POST)

Процесс загрузки обычно инициализируется, когда пользователь нажимает кнопку включения — если ПК уже был выключен — или перезагружает систему с помощью графического интерфейса или командной строки.

Когда система Linux включается, включается BIOS (базовая система ввода-вывода) и выполняет самотестирование при включении (POST). Это проверка целостности, которая выполняет множество диагностических проверок.

В некоторых случаях раздаётся звуковой сигнал, особенно в случае отсутствия модуля RAM. Однако, если ожидаемое оборудование присутствует и функционирует должным образом, процесс загрузки переходит к следующему этапу.

2. Загрузчик (GRUB2 или systemd-boot)

Если компьютер запускает UEFI, то обычно она запускает приложение EFI, обычно располагающееся по пути \EFI\BOOT\BOOTX64.EFI (/boot/EFI/BOOT/BOOTX64.EFI) на загрузочном диске.

Если это BIOS, то после завершения POST, BIOS проверяет MBR (главную загрузочную запись) на предмет загрузчика и информации о разделах диска.

MBR — это 512-байтовый код, расположенный в первом секторе жёсткого диска, обычно это /dev/sda или /dev/hda, в зависимости от архитектуры вашего жёсткого диска. Обратите внимание, однако, что иногда MBR может находиться на Live USB или DVD-диске Linux.

В Linux существует 2 основных типа загрузчиков: GRUB2 и systemd-boot. Загрузчик GRUB2 — распространён в дистрибутивах на основе Debian. Загрузчик systemd-boot применяется в Arch Linux и основанных на этой ОС дистрибутивах.

Загрузчик GRUB2

GRUB2 означает GRand Unified Bootloader version 2. Как только BIOS обнаруживает загрузчик grub2, он запускается и загружает его в основную память (RAM).

Современный GRUB2 может работать и с UEFI (с помощью efibootmgr). В Arch Linux поддержка BIOS и UEFI собрана в один пакет grub. В Debian и производных дистрибутивах GRUB представлен двумя версиями:

Меню grub2 позволяет вам делать несколько вещей. Оно позволяет вам выбрать версию ядра Linux, которую вы хотите использовать. Если вы несколько раз обновляли свою систему, вы можете увидеть в списке разные версии ядра. Кроме того, он даёт вам возможность редактировать некоторые параметры ядра, нажимая комбинацию клавиш клавиатуры.

Кроме того, в настройке с двойной загрузкой, когда у вас есть несколько установок ОС, меню grub позволяет вам выбрать, в какую ОС загружаться. Файл конфигурации grub2 — это файл /boot/grub2/grub2.cfg. Основная цель GRUB — загрузить ядро Linux в основную память.

Загрузчик systemd-boot

systemd-boot (сокращенно sd-boot) — простой менеджер загрузки UEFI. Он предоставляет графическое меню для выбора записи для загрузки и редактор командной строки ядра. Systemd-boot поддерживает системы только с прошивкой UEFI.

systemd-boot загружает информацию о загрузочной записи из системного раздела EFI (ESP), обычно монтируемого в /efi/, /boot/ или /boot/efi/ во время запуска ОС, а также из расширенного раздел загрузчика, если он существует (обычно монтируется в /boot/). Фрагменты файла конфигурации, ядра, initrds и другие образы EFI для загрузки обычно должны находиться на ESP или разделе расширенного загрузчика. Ядра Linux должны быть собраны с CONFIG_EFI_STUB, чтобы их можно было напрямую запускать как образ EFI. Во время загрузки systemd-boot автоматически собирает список загрузочных записей из следующих источников:

Загрузочные записи, определённые с помощью файлов описания спецификации загрузчика, расположенных в /loader/entries/ на ESP и в разделе расширенного загрузчика. Обычно они описывают образы ядра Linux со связанными образами initrd, но также могут описывать произвольные другие исполняемые файлы EFI.
Унифицированные образы ядра в соответствии со спецификацией загрузчика в виде исполняемых двоичных файлов EFI в /EFI/Linux/ на ESP и в разделе расширенного загрузчика.
Диспетчер загрузки Microsoft Windows EFI, если он установлен.
Диспетчер загрузки Apple MacOS X, если он установлен.
Бинарный файл EFI Shell, если он установлен
Перезагрузка в опцию настройки прошивки UEFI, если она поддерживается.

systemd-boot поддерживает следующие функции:

3. Инициализация ядра

Ядро — это основа любой системы Linux. Он связывает оборудование ПК с базовыми процессами. Ядро контролирует все процессы в вашей системе Linux. После того как выбранное ядро Linux загружено загрузчиком, оно должно самораспаковаться из сжатой версии перед выполнением любой задачи. После самораспаковывания выбранное ядро монтирует корневую файловую систему и инициализирует программу /sbin/init, обычно называемую init.

Init всегда запускается первой программой, и ей назначается ID процесса или PID 1. Это процесс init, который порождает различных демонов и монтирует все разделы файловых систем, указанные в файле /etc/fstab.

Затем ядро монтирует начальный RAM-диск (initrd), который является временной корневой файловой системой, пока не будет смонтирована настоящая корневая файловая система. Все ядра находятся в каталоге /boot вместе с начальным образом RAM-диска.

4. запуск Systemd

Наконец, ядро загружает Systemd, заменяющий старый SysV init. Systemd является матерью всех процессов Linux и управляет, среди прочего, монтированием файловых систем, запуском и остановкой служб, и это лишь некоторые из её функций.

Systemd использует файл /usr/lib/systemd/system/default.target для определения состояния или цели, в которую должна загружаться система Linux.

Для настольной рабочей станции (с графическим интерфейсом пользователя) целевое значение по умолчанию graphical.target.
Для сервера целью по умолчанию является multi-user.target.

Вот виды целей systemd:

poweroff.target: выключение системы.
rescue.target: запускает сеанс спасательной оболочки.
multi-user.target: настраивает систему на неграфическую (консольную) многопользовательскую систему.
graphical.target: настройка системы на использование графического многопользовательского интерфейса с сетевыми службами.
reboot.target: перезагружает систему.

Чтобы проверить текущую цель в вашей системе, выполните команду:

Вы можете переключаться с одной цели на другую, выполнив на терминале следующую команду:

Эта команда переводит систему в неграфическое состояние (после перезагрузки).

А эта команда возвращает в загрузку в графический интерфейс:

Процесс загрузки завершается, когда systemd загружает все демоны и устанавливает значение целевого уровня или уровня выполнения. Именно в этот момент вам будет предложено ввести имя пользователя и пароль, после чего вы получите доступ к своей системе Linux.

Читайте также: