Linux как загружается система

ИТ База знаний

Курс по Asterisk

Полезно

— Узнать IP — адрес компьютера в интернете

— Онлайн генератор устойчивых паролей

— Онлайн калькулятор подсетей

— Калькулятор инсталляции IP — АТС Asterisk

— Руководство администратора FreePBX на русском языке

— Руководство администратора Cisco UCM/CME на русском языке

— Руководство администратора по Linux/Unix

Навигация

Серверные решения

Телефония

FreePBX и Asterisk

Настройка программных телефонов

Корпоративные сети

Протоколы и стандарты

Загрузка ОС Linux — процесс

Каждое семейство операционных систем производит загрузку по-своему. Это связанно с различной архитектурой ядра операционной системы, разными инструкциями по работе с подключенными устройствами. В данной статье попробую разобрать загрузку популярной операционной системы на ядре Linux Ubuntu.

Онлайн курс по Linux

Мы собрали концентрат самых востребованных знаний, которые позволят тебе начать карьеру администратора Linux, расширить текущие знания и сделать уверенный шаг к DevOps

Схематично процесс загрузки можно отобразить следующим образом.

Загружаемся

Итак, Нажимаем кнопку включения компьютера, и центральный процессор переходит на адрес BIOS. BIOS или UEFI, в более современных компьютерах, проводит систему проверок и выбирает носитель информации с которого будет производится загрузка операционной системы. На носителе находится MBR (Master Boot Record) или GPT (Guid Partition table) на новых компьютерах в которых находится загрузчик. А дальше уже в зависимости от настройки. Загрузчик может самостоятельно загружать операционную систему, а может передавать управление следующему загрузчику. Например, если Windows и Linux установлены на одном компьютере и находятся на разных разделах жесткого диска.

В любом случае, если идет речь о Linux у нас есть первая стадия с небольшой частью кода, которая загружает у нас загрузчик. Загрузчик знает где лежит ядро операционной системы, загружает ядро, загружает initial run disk, там находятся необходимые файлы и модули для загрузки ядра. Далее уже ядро берет процесс управления на себя. Происходит инициализация устройств, конфигурирование процессов памяти и так далее. После всех этих процессов ядро запускает процесс init.

Вернемся к вопросу загрузчиков, для каждой операционной системы разработан свой загрузчик, а иногда и несколько. NTLDR — Загрузчик операционной системы Windows, LILO — один из стандартных загрузчиков для Linux и BSD системы. GRUB — загрузчик операционной системы от проекта GNU. Нас интересуют последние два. Данные загрузчики работают в два этапа. На первом этапе у них крошечный код на MBR или GPT, который запускает исполнение кода второго этапа.

Перейдем непосредственно к самой загрузке.

Данное меню мы можем получить при загрузке если зажать клавишу Shift. Как видно на картинке в данном примере загрузчик GRUB версии 2.04. У нас есть несколько вариантов. Загрузка Ubuntu по умолчанию и вариант загрузки с расширенными опциями. В нашем случае расширенные опции не дают многого, а всего лишь позволяют начать загрузку в режиме восстановления recovery mode. Данная опция не является целью стати, и мы ее опустим. Вернемся к первому пункту загрузки. Выбираем, нажимаем «e» получаем следующую картину загрузки.

На данной картинке можно увидеть, что корневой раздел монтируется по uuid, он будет корневым root и непосредственно сам id. ID раздела можно посмотреть после загрузки операционной системы командой blkid. Можно часть параметров отредактировать или большинство. Более подробно можно поискать в интернете. По нажатию F10 осуществляется продолжение загрузки операционной системы.

После загрузки операционной системы, мы можем с помощью команды dmesg посмотреть, сообщения ядра, все что происходило с ядром. Нужно различать сообщения ядра и лог ядра. Который можно посмотреть cat /var/log/dmesg. Данный файл содержи информацию только о загрузке операционной системы. В данном файле содержится информация с самого начала загрузки операционной системы и до конца. Если событие происходит позднее, то в данном файле этой информации вы не найдете.

Система инициализации ОС

Есть такое понятие Init — это первый или родительский процесс, который запускает все последующие процессы. Это может быть проверка и монтирование файловых систем запуск служб и.т.д. Существует 3 варианта работы этого родительского процесса.

1. Init в стиле SysV — родительский процесс инициализации системы на одном из заданных уровней запуска (runlevel); Т.е. есть несколько уровней загрузки (runlevel) обычно их 7 штук. Один из них — это обычный многопользовательский режим. Другие это выключение компьютера, перезагрузка, режим восстановления и т.д.
2. Init в стиле systemd — родительский процесс инициализации системы в ускоренном режиме, за счёт параллельного запуска задач; Ускоренный режим достигается за счет использования процессора в частности Intel, который позволяет запускать процессы инициализации параллельно. К этому режиму есть еще куча софта библиотек, которые расширяют функционал.
3. Init в стиле Upstart — родительский процесс инициализации системы на основе отслеживания событий; Данный режим используется на Ubuntu уже давным — давно, тут не только запускаются скрипты инициализации, но и запускаются скрипты отслеживания событий и реагирования на них. Т.е. это более гибкий процесс инициализации, например, если какая-то служба не запустилась или упала в процессе загрузки то, upstart умеет это отследить и запустить это повторно

В операционной систему Ubuntu можно посмотреть дерево процессов использую команду pstree. В результате ее вывода мы можем увидеть, что родительским процессом являлся процесс systemd. Который запускал уже свои, какие-то дочерние процессы. Перейдем в корневую директорию boot.

Здесь мы можем увидеть директорию загрузчика grub. Ядра линуксовые vmlinuz (ссылка на ядро) и до обновления старое ядро vmlinux.old (ссылка на старое ядро). Соответственно пара initrd* — файлы диска, эти файлы содержат диск, который грузится в оперативную память, данный диск содержит файлы необходимые самому ядру Linux для нормальной загрузки.

Перейдя в директорию grub, мы можем найти конфигурационный файл grub.cfg и несколько вспомогательных, но не менее важных фалов. Соответственно мы можем внести изменения в данный файл на постоянной основе и соответственно данный код будет выполнятся при каждой загрузке операционной системы.

Онлайн курс по Linux

Мы собрали концентрат самых востребованных знаний, которые позволят тебе начать карьеру администратора Linux, расширить текущие знания и сделать уверенный шаг к DevOps

Источник

6 шагов загрузки Linux на пальцах

Нажмите кнопку включения питания на вашем системнике, и спустя несколько секунд вы увидите окно входа в систему.

Посмею предположить, что каждого интересовало хоть когда-либо то, что происходит за занавесом заставок и загрузочных экранов с момента включения питания компьютера к моменту, когда предлагается войти в систему.

Я предлагаю вам познакомиться со следующими уровнями типичной загрузки Linux:

1. BIOS

2. MBR

3. GRUB

#boot=/dev/sda
default=0
timeout=5
splashimage=(hd0,0)/boot/grub/splash.xpm.gz
hiddenmenu
title CentOS (2.6.18-194.el5PAE)
root (hd0,0)
kernel /boot/vmlinuz-2.6.18-194.el5PAE ro root=LABEL=/
initrd /boot/initrd-2.6.18-194.el5PAE.img

4. Ядро или Kernel

5. Init

6. Уровень выполнения программ (Runlevel)

• Когда Линукс выполняет свою загрузку, вы можете наблюдать загрузку различных служб. К примеру, это могут быть сообщения типа «starting Postfix … OK» (запускается Postfix). Эти службы — и называются программами уровня выполнения, выполняемые из директории, которая соответствует нужному уровню выполнения.
• Исходя из настроек по умолчанию, система будет выполнять файлы в соответствии с нижеприведенными директориями.
  • Выполнение уровня 0 – /etc/rc.d/rc0.d/
  • Выполнение уровня 1 – /etc/rc.d/rc1.d/
  • Выполнение уровня 2 – /etc/rc.d/rc2.d/
  • Выполнение уровня 3 – /etc/rc.d/rc3.d/
  • Выполнение уровня 4 – /etc/rc.d/rc4.d/
  • Выполнение уровня 5 – /etc/rc.d/rc5.d/
  • Выполнение уровня 6 – /etc/rc.d/rc6.d/
• Но имейте ввиду, что еще в каталоге /etc могут быть символические ссылки. Например, /etc/rc0.d залинкован на /etc/rc.d/rc0.d.
• В каталогах /etc/rc.d/rc*.d/ вы можете увидеть список программ, имя которых начинается из букв S и K.
• Программы, начинающиеся на S используются для запуска. S, потому что startup.
• Программы, которые начинаются с литеры K используются — правильно — для завершения работы. K, потому что kill.
• Еще есть номера рядом с буквами S и K в именах программ. Эти номера используются для определения порядка запуска этих программ.
• К примеру, S12syslog предназначен для запуска демона syslog, его порядковый номер 12. S80sendmail — для запуска демона sendmail, имеющего порядковый номер 80. Таким образом, программа syslog будет запущена перед sendmail.

Вот и все. Возможно, некоторым из вас это не ново и особого интереса не было при чтении статью, поскольку она более ориентирована на начально-средний уровень знакомства з Линуксом.
В таком случае могу лишь сказать, что «повторение — мать учения» (с).

Дополнения, исправления, уточнения

В комментариях неоднократно было апеллировано к тексту статьи, поэтому, думаю, стоит учесть некоторые важные комментарии хабрасообщества. (спасибо artemlight, 3al, Tishka17, HhyperH, Next_Alex, Ilya_Shmelykh, Aux, soomrack, Xpeh )

• artemlight:: «Ну скажем прямо — так грузятся далеко не все дистры». С ним согласилось большинство, отмечая и bsd-style init, u-boot, и хоть initrd в статье пропущен, стоить заметить, что он нужен ядру не во всех дистрибутивах. Также отмечено, что в slackware поддержка rc.d осуществляется только в качестве совместимости, а встраиваемые системы грузятся иначе. На декстопах иногда бывает EFI, а кроме того Linux популярен в мире embedded и там ещё куча разных платформ. Линукс в телефоне вообще иначе грузится.
• soomrack, ссылая на википедию: Еще хочется сделать замечание по поводу MBR, первого сектора и пр. Все несколько усложнилось за последние годы. Сейчас уместней говорить о EFI.

Источник

Процесс загрузки Linux

Задумывались ли вы о том, как происходит загрузка операционной системы? Как компьютер узнаёт о том, где находится операционная система? Давайте рассмотрим процесс запуска Linux от включения компьютера и до входа в систему.

Практически каждый этап загрузки может идти несколькими путями. Например, вы узнаете о том, чем отличается BIOS от UEFI, что делает GRUB и чем его можно заменить, почему одного лишь ядра Linux недостаточно для функционирования операционной системы.

Процесс загрузки Linux

Процесс загрузки операционной системы можно разбить на 5 этапов, причём первые три зависят от материнской платы. Ниже вы можете видеть схематичное изображение этапов загрузки Linux.

Как видите, до того, как загрузится ядро, процесс имеет существенные отличия. И всё же любая загрузка системы начинается с включения компьютера.

Первый этап: включение компьютера

Запуск компьютера с BIOS и UEFI отличается. Первый BIOS появился в середине 70-х годов, а MBR стали использовать с 1983 года. Стоит ли говорить о том, что для современного компьютера предпочтительнее использовать UEFI и GPT. А теперь перейдём непосредственно к рассмотрению первого этапа загрузки.

BIOS + MBR

BIOS – это базовая система ввода-вывода. Она представляет из себя набор программ для взаимодействия с устройствами компьютера. BIOS хранится на микросхеме EEPROM материнской платы. При каждом запуске компьютера плата автоматически отправляет код процессору на исполнение. Далее BIOS проводит проверку оборудования (тест POST) и обращается к жёсткому диску или твердотельному накопителю. От него ему нужны первые 512 байт, именно там находится главная загрузочная запись (MBR). Ниже вы можете видеть структуру MBR.

Если подпись MBR равна 55AAh, то система начинает выполнять код первичного загрузчика. В случае с Linux, MBR передаёт управление основному загрузчику GRUB. Он располагается сразу после MBR. До начала первого раздела на накопителе есть не менее 32 килобайт свободного места (современные системы оставляют 1 Мбайт), этого достаточно для того, чтобы разместить GRUB.

Таблица разделов в MBR имеет крайне скромный размер, есть место всего на 4 позиции. В связи с этим нельзя разметить накопители объёмом более 2 терабайт. К тому же она использует устаревшую адресацию, с цилиндрами, головками и секторами жёсткого диска.

На компьютерах с UEFI поддержка MBR никуда не делась, но для этого вам придётся активировать BIOS или CSM mode, в зависимости от производителя материнской платы. Это нужно для совместимости со старыми операционными системами.

UEFI + GPT

Интерфейс расширяемой прошивки EFI (позднее унифицированный UEFI) – это разработка Intel. Он был создан потому, что BIOS имеет ряд недостатков. К ним можно причислить работу в 16-битном режиме, последовательную проверку устройств и загрузку только через MBR.

Физически поменялось не многое, разве что FLASH-накопитель для хранения прошивки стал больше. Зато программная часть претерпела значительные изменения. UEFI работает в 32- и 64-битном режиме, поддерживает таблицу разделов GPT, может иметь красивый графический интерфейс, оболочку EFI Shell и управление с помощью мыши. К тому же опрос оборудования происходит гораздо быстрее.

Оглавление таблицы GPT располагается в первом логическом блоке (LBA 1). В GPT перешли к использованию логических блоков, к тому же их понимают современные жёсткие диски и SSD. Нулевой блок по-прежнему отдаётся под MBR, но в этот раз он выполняет защитную функцию, чтобы старые операционные системы не переписали GPT.

Каждой записи таблицы даётся 128 байт, что позволяет разметить накопители практически неограниченного объёма. Да и самих записей может быть больше 100.

В конце таблицы находится контрольная сумма. Если будет обнаружено несоответствие, то система попробует обратиться к резервной копии таблицы, расположенной в последних блоках накопителя.

После проверки устройств, UEFI может самостоятельно обратиться к таблице разделов GPT. В ней её интересует EFI раздел. Обычно под него выделяется 520-540 Мбайт. Такой размер связан с тем, что ранние версии EFI могли выдавать ошибку при работе с меньшим объёмом. Но Windows уже отходит от этой традиции и ограничивается 100 Мбайтами.

В разделе EFI обязательно должна быть папка EFI/BOOT, в ней находится загрузчик по умолчанию. Но никто не мешает добавить свой загрузчик, например, для Ubuntu и Windows.

К минусам UEFI можно отнести Secure Boot. Загрузчик без подписи просто не сможет быть использован. Эти меры направлены в первую очередь на компьютеры с Windows, чтобы не допустить использование старых систем на новых омпьютерах. Для Linux в этом случае приходится искать подписанный загрузчик или отключать Secure Boot, если имеется такая возможность.

Ещё одним способом загрузки является PXE – загрузка через сетевой интерфейс. Первичный загрузчик находится в ПЗУ сетевой карты. С его помощью карта через протокол TFTP получает основной загрузчик.

Этот способ загрузки будет работать как с BIOS, так и с UEFI. Он полезен для работы с тонкими клиентами и для установки операционной системы по сети.

Второй этап: загрузчик

Загрузчик подготавливает систему к загрузке ядра операционной системы. Например, для Linux он может передавать параметры запуска ядра. В зависимости от того, что используется, BIOS или UEFI, выбор загрузчика отличается.

Как можете видеть, в Ubuntu есть как .efi загрузчик, так и GRUB.

GRUB – это основной загрузчик для большинства дистрибутивов Linux. Он примечателен тем, что позволяет не только запустить ядро Linux или другой операционной системы, но ещё и сам по себе способен выполнять некоторые операции. Он имеет собственную командную строку и в теории позволяет устранить собственные ошибки. GRUB существует в версиях как для BIOS, так и UEFI. Но последний не имеет цифровой подписи для Secure Boot.

Syslinux Project

Syslinux – это целое семейство, состоящее из трёх загрузчиков: syslinux, isolinux, pxelinux. Первый выполняет аналогичную GRUB функцию, isolinux подходит для работы с файловой системой компакт-дисков (используется для загрузочных Flash-нкопителей), pxelinux загружается по сети. Версия UEFI, как и в случае с GRUB, не имеет подписи.

rEFInd

Если же вы хотите иметь возможность выбора операционной системы при запуске компьютера с UEFI, то вам стоит установить rEFInd. Этот загрузчик имеет цифровую подпись и может передать управление другим загрузчикам формата .efi.

Ещё одним загрузчиком такого плана будет Clover. Его выбирают зачастую для работы на компьютерах Apple.

EFI BOOT STUB

Начиная с версии 3.3 ядра Linux можно упаковать ядро в .efi файл. Иными словами, загрузчиком будет выступать само ядро Linux.

Несмотря на такое разнообразие загрузчиков, некоторые пользователи до сих пор продолжают использовать LILO – один из первых мультизагрузчиков Linux. Несколько лет назад имел место быть даже EFI-загрузчик ELILO.

Третий этап: ядро

Дальше выполняется загрузка ядра Linux. Ядро лежит в папке boot под названием vmlinuz. «vm» в начале говорит о том, что ядро будет размещено в виртуальной памяти. А «z» на конце означает то, что ядро запаковано в архив и требует распаковку. Это возможно благодаря тому, что в начале архива находится исполняемый код.

В процессе запуска ядра настраивается оборудование, запускается менеджер памяти, планировщик задач и многое другое, необходимое для функционирования операционной системы.

Ядро Linux монолитное, драйверы устройств хранятся прямо в нём. Однако, это утверждение верно лишь отчасти. Большая часть периферийных устройств не имеет драйверов в ядре Linux. Вместо этого в оперативной памяти распаковывается ещё один файл во временной файловой системе – initrd.img.

После запуска всех необходимых служб временный раздел удаляется. Но это происходит не всегда. Например, он остаётся после запуска в режиме liveCD и при использовании тонкого клиента.

Четвертый этап: запуск пользовательских служб

Ядро загрузилось и работает. Но этого недостаточно для работы с операционной системой. Вы по-прежнему не можете взаимодействовать с ней на прикладном уровне. Для того, чтобы можно было что-то сделать в Linux, управление получает подсистема инициализации и управления службами. Обычно этот процесс имеет идентификационный номер PID-1.

Systemd

Systemd – это самая популярная система инициализации. Она хорошо распараллеливает задачи и практически вытеснила другие решения. Запускаются десятки служб. Например, такие, которые управляют звуковыми устройствами, мультимедийными клавишами, запускают графическую оболочку. Большая часть файлов подсистемы представлена конфигурационными файлами, ссылающимися на конкретные утилиты и сервисы, но есть и собственные службы.

Стоит пару слов уделить D-Bus. Эта служба позволяет процессам взаимодействовать друг с другом. Например, через неё служба управления звуковыми устройствами узнаёт о том, что была нажата клавиша увеличения громкости, распознанная другой службой. Такой подход позволяет создавать простые, но эффективные службы.

А ещё в комплект утилит Systemd входит супервизор. Он следит за тем, чтобы все критически важные службы работали. Если он заметит, что какой-то службы не хватает, то сразу же запустит её снова. Его также применяют для поддержания работы серверов.

Sysvinit, OpenRC и другие

Sysvinit считается устаревшей системой. Она следует принципам, заложенным ещё в 80-х годах для операционной системы Unix System V. Запуск служб происходит последовательно, а настройка производится с помощью скриптов, что несколько проще, чем у systemd.

Для дистрибутива Gentoo разрабатывается система инициализации OpenRC. Её можно назвать осовремененной sysvinit. Но важно понимать, что рядовому пользователю система инициализации безразлична, она интересует лишь тех, кто добавляет свои службы и утилиты в дистрибутив Linux.

О других системах, вроде Runit, Daemontools или S6, справедливо предыдущее утверждение, к тому же их доля совсем невелика. Хотя они тоже имеют свои особенности. После этого процесс загрузки Linux практически завершен.

Пятый этап: экранный менеджер и окружение рабочего стола

Нельзя списывать со счетов и дисплейный менеджер. Это по сути первая программа с графическим интерфейсом. Она отвечает за вход в систему. Хотя и до её запуска проводились некоторые работы, был запущен сервер X11 для обращения к видеокарте и обработки команд управления c мыши и клавиатуры.

После ввода пароля запускается оконный менеджер с библиотеками отображения (обычно GTK3 или Qt) и непосредственно само окружение рабочего стола. Эти службы отвечают за то, чтобы вы могли перемещать окна, перетаскивать файлы, иметь несколько рабочих столов и тому подобное. Всё, загрузка Linux выполнена и операционная система полностью готова к использованию!

Выводы

В этой статье мы рассмотрели процесс загрузки Linux поверхностно, но этого достаточно, чтобы иметь общее представление об этом сложном многоступенчатом процессе. Несмотря на то, что каждый элемент выполняет свою функцию, после подготовки он передаёт управление следующему. Это позволяет автоматизировать загрузку и в целом упростить её.

Что же касается выбора между BIOS и UEFI, то последний однозначно выигрывает. Как минимум потому, что он практически не тратит время на проверку оборудования, а также позволяет практически сразу передать управление ядру Linux.

Источник