Linux启动和内核管理

Linux启动和内核管理

CentOS 5和6的启动流程
服务管理
Grub管理
自制Linux
启动排错
编译安装内核

Linux组成
Linux: kernel+rootfs
kernel: 进程管理、内存管理、网络管理、驱动程序、文件系统、安全功能
rootfs:程序和glibc
库：函数集合, function, 调用接口（头文件负责描述）
过程调用：procedure，无返回值
函数调用：function
程序：二进制执行文件
内核设计流派：
单内核(monolithic kernel)：Linux
把所有功能集成于同一个程序
微内核(micro kernel)：Windows, Solaris
每种功能使用一个单独子系统实现

内核
Linux内核特点：
支持模块化：.ko（内核对象）
如：文件系统，硬件驱动，网络协议等
支持内核模块的动态装载和卸载
组成部分：
核心文件：/boot/vmlinuz-VERSION-release
ramdisk：辅助的伪根系统
CentOS 5: /boot/initrd-VERSION-release.img
CentOS6,7: /boot/initramfs-VERSION-release.img
模块文件：/lib/modules/VERSION-release

centos6启动流程
1.加载BIOS的硬件信息，获取第一个启动设备。
2.读取第一个启动设备MBR的引导加载程序(grub)的启动信息
3.加载核心操作系统的核心信息，核心开始解压缩，并尝试驱动所有的硬件设备。
4.核型执行init程序并获取运行信息。
5.Init执行/etc/rc.d/rc.sysinit文件。
6.启动核心的外挂模块(/etc/modprobe.conf)。
7.Init执行运行的各个批处理文件(scripts).
8.Init执行/etc/rc.d/rc.local.
9.执行/bin/login程序，等待用户登录。
10.登录之后开始以Shell控制主机。

启动流程

POST：Power-On-Self-Test，加电自检，是BIOS功能的一个主要部分。负责完成对CPU、主板、内存、硬盘子系统、显示子系统、串并行接口、键盘、CD-ROM光驱等硬件情况的检测。
ROM：BIOS，Basic Input and Output System，保存着有关计算机系统最重要的基本输入输出程序，系统信息设置、开机加电自检程序和系统启动自举程序等。
RAM：CMOS互补金属氧化物半导体，保存各项参数的设定
按次序查找引导设备，第一个有引导程序的设备为本次启动设备

bootloader: 引导加载器，引导程序
windows: ntloader，仅是启动OS
Linux：功能丰富，提供菜单，允许用户选择要启动系统或不同的内核版本；把用户选定的内核装载到内存中的特定空间中，解压、展开，并把系统控制权移交给内核
LILO：LInuxLOader
GRUB: GRandUnified Bootloader
GRUB 0.X: GRUB Legacy，GRUB2

  MBR:
446: bootloader,64: 分区表, 2: 55AA

GRUB:
primary boot loader : 1st stage，1.5 stage
secondary boot loader ：2nd stage，分区文件

kernel：
自身初始化：
探测可识别到的所有硬件设备
加载硬件驱动程序（可能借助于ramdisk加载驱动）
以只读方式挂载根文件系统
运行用户空间的第一个应用程序：/sbin/init
9
系统启动流程

init程序的类型：
SysV: init, CentOS 5之前
配置文件：/etc/inittab
Upstart: init,CentOS6
配置文件：/etc/inittab, /etc/init/*.conf
Systemd：systemd, CentOS 7
配置文件：/usr/lib/systemd/system
/etc/systemd/system

ramdisk：
内核中的特性之一：使用缓冲和缓存来加速对磁盘上的文件访问
ramdisk–> ramfs提高速度
CentOS 5: initrd, 工具程序：mkinitrd
CentOS 6: initramfs，工具程序：mkinitrd, dracut
系统初始化：
POST –> BootSequence(BIOS) –> Bootloader(MBR) –> kernel(ramdisk) –> rootfs(只读) –> init（systemd）

启动流程
/sbin/initCentOS6之前
运行级别：为系统运行或维护等目的而设定；0-6：7个级别
0：关机
1：单用户模式(root自动登录), single, 维护模式
2: 多用户模式，启动网络功能，但不会启动NFS；维护模式
3：多用户模式，正常模式；文本界面
4：预留级别；可同3级别
5：多用户模式，正常模式；图形界面
6：重启
默认级别：3, 5
切换级别：init#
查看级别：runlevel; who -r

init初始化
init读取其初始化文件：/etc/inittab
初始运行级别(RUN LEVEL)
系统初始化脚本
对应运行级别的脚本目录
捕获某个关键字顺序
定义UPS电源终端/恢复脚本
在虚拟控制台生成getty
在运行级别5初始化X

CentOS5的inittab文件
配置文件：/etc/inittab
每一行定义一种action以及与之对应的process
id:runlevel:action:process
action:
wait: 切换至此级别运行一次
respawn：此process终止，就重新启动之
initdefault：设定默认运行级别；process省略
sysinit：设定系统初始化方式，此处一般为指定
/etc/rc.d/rc.sysinit
ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now
id:3:initdefault:
si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit
l0:0:wait:/etc/rc.d/rc0
l1:1:wait:/etc/rc.d/rc1…
l6:6:wait:/etc/rc.d/rc6

CentOS6 /etc/inittab和相关文件
/etc/inittab
设置系统默认的运行级别
id:3:initdefault:
/etc/init/control-alt-delete.conf
/etc/init/tty.conf
/etc/init/start-ttys.conf
/etc/init/rc.conf
/etc/init/prefdm.conf

启动流程
/etc/rc.d/rc.sysinit: 系统初始化脚本
(1) 设置主机名
(2) 设置欢迎信息
(3) 激活udev和selinux
(4) 挂载/etc/fstab文件中定义的文件系统
(5) 检测根文件系统，并以读写方式重新挂载根文件系统
(6) 设置系统时钟
(7) 激活swap设备
(8) 根据/etc/sysctl.conf文件设置内核参数
(9) 激活lvm及software raid设备
(10) 加载额外设备的驱动程序
(11) 清理操作

启动流程
说明：rcN –> 意味着读取/etc/rc.d/rcN.d/
K*: K##*：##运行次序；数字越小，越先运行；数字越小的服务，通常为依赖到别的服务
S*: S##*：##运行次序；数字越小，越先运行；数字越小的服务，通常为被依赖到的服务
for srvin /etc/rc.d/rcN.d/K*; do
$srvstop
done
for srvin /etc/rc.d/rcN.d/S*; do
$srvstart
done

chkconfig命令
chkconfig命令
查看服务在所有级别的启动或关闭设定情形：
chkconfig[–list] [name]
添加：
SysV的服务脚本放置于/etc/rc.d/init.d(/etc/init.d)
chkconfig–add name
#!/bin/bash
#LLLL 表示初始在哪个级别下启动，-表示都不启动
# chkconfig: LLLL nnnn
删除：
chkconfig–del name
修改指定的链接类型
chkconfig[–level levels] name <on|off|reset>
–level LLLL: 指定要设置的级别；省略时表示2345
ntsysv命令

xinetd管理的服务
service 命令：手动管理服务
service 服务start|stop|restart
service –status-all
瞬态（Transient）服务被xinetd进程所管理
进入的请求首先被xinetd代理
配置文件：/etc/xinetd.conf、/etc/xinetd.d/<service>
与libwrap.so文件链接
用chkconfig控制的服务：
chkconfigtftpon

启动流程
注意：正常级别下，最后启动一个服务S99local没有链接至/etc/rc.d/init.d一个服务脚本，而是指向了/etc/rc.d/rc.local脚本
不便或不需写为服务脚本放置于/etc/rc.d/init.d/目录，且又想开机时自动运行的命令，可直接放置于/etc/rc.d/rc.local文件中
/etc/rc.d/rc.local在指定运行级别脚本后运行
可以根据情况，进行自定义修改

启动流程
1:2345:respawn:/usr/sbin/mingettytty1
2:2345:respawn:/usr/sbin/mingettytty2
…
6:2345:respawn:/usr/sbin/mingettytty6
mingetty会自动调用login程序
x:5:respawn:/etc/X11/prefdm -nodaemon

破解root口令
总结：/sbin/init–> (/etc/inittab) –> 设置默认运行级别–> 运行系统初始脚本、完成系统初始化–> (关闭对应下需要关闭的服务)启动需要启动服务–> 设置登录终端
CentOS 6 init程序为: upstart, 其配置文件：
/etc/inittab, /etc/init/*.conf，配置文件的语法遵循upstart配置文件语法格式，和CentOS5不同

grub legacy
CentOS 6启动流程：
POST –> Boot Sequence(BIOS) –> Boot Loader –> Kernel(ramdisk) –> rootfs–> switchroot–> /sbin/init–>(/etc/inittab, /etc/init/*.conf) –> 设定默认运行级别–> 系统初始化脚本rc.sysinit–> 关闭或启动对应级别的服务–> 启动终端
grub: GRandUnified Bootloader
grub 0.x: grub legacy
grub 1.x: grub2
grub legacy:
stage1: mbr
stage1_5: mbr之后的扇区，让stage1中的bootloader能识别stage2所在的分区上的文件系统
stage2：磁盘分区(/boot/grub/)

grub legacy
配置文件：/boot/grub/grub.conf<–/etc/grub.conf
stage2及内核等通常放置于一个基本磁盘分区
功用：
(1) 提供启动菜单、并提供交互式接口
a：内核参数
e: 编辑模式，用于编辑菜单
c: 命令模式，交互式接口
(2) 加载用户选择的内核或操作系统
允许传递参数给内核
可隐藏启动菜单
(3) 为菜单提供了保护机制
为编辑启动菜单进行认证
为启用内核或操作系统进行认证

grub legacy
grub的命令行接口
help: 获取帮助列表
help KEYWORD: 详细帮助信息
find (hd#,#)/PATH/TO/SOMEFILE：
root (hd#,#)
kernel /PATH/TO/KERNEL_FILE: 设定本次启动时用到的内核文件；额外还可添加许多内核支持使用的cmdline参数
例如：max_loop=100 selinux=0init=/path/to/init
initrd/PATH/TO/INITRAMFS_FILE: 设定为选定的内核提供额外文件的ramdisk；
boot: 引导启动选定的内核
cat /proc/cmdline 内核参数
内核参数文档:/usr/share/doc/kernel-doc-2.6.32/Documentation/kernel-parameters.txt

grub legacy
识别硬盘设备：
(hd#,#)
hd#: 磁盘编号，用数字表示；从0开始编号
#: 分区编号，用数字表示; 从0开始编号
(hd0,0) 第一块硬盘，第一个分区
手动在grub命令行接口启动系统：
grub> root (hd#,#)
grub> kernel /vmlinuz-VERSION-RELEASE roroot=/dev/DEVICE
grub> initrd/initramfs-VERSION-RELEASE.img
grub> boot

grub legacy配置文件
配置文件：/boot/grub/grub.conf
default=#: 设定默认启动的菜单项；落单项(title)编号从0开始
timeout=#：指定菜单项等待选项选择的时长
splashimage=(hd#,#)/PATH/TO/XPM_FILE：菜单背景图片文件路径
hiddenmenu：隐藏菜单
password [–md5] STRING: 启动菜单编辑认证
title TITLE：定义菜单项“标题”, 可出现多次
root (hd#,#)：grub查找stage2及kernel文件所在设备分区；为grub“根”
kernel /PATH/TO/VMLINUZ_FILE [PARAMETERS]：启动的内核
initrd/PATH/TO/INITRAMFS_FILE: 内核匹配的ramfs文件
password [–md5] STRING: 启动选定的内核或操作系统时进行认证

grub加密
grub-md5-crypt命令
破解root口令：
启动系统时，设置其运行级别1
进入单用户模式：
(1) 编辑grub菜单(选定要编辑的title，而后使用e命令);
(2) 在选定的kernel后附加
1, s, S或single都可以；
(3) 在kernel所在行，键入“b”命令

grub安装
安装grub：
(1) grub-install
安装grub stage1和stage1_5到/dev/DISK磁盘上，并复制GRUB相关文件到DIR/boot目录下
grub-install –root-directory=DIR /dev/DISK
(2) grub
grub> root (hd#,#)
grub> setup (hd#)

自制linux系统
分区并创建文件系统
fdisk/dev/sdb
分两个必要的分区
/dev/sdb1对应/boot /dev/sdb2对应根/
mkfs.ext4 /dev/sdb1
挂载boot
mkdir/mnt/boot
mount /dev/sdb1 /mnt/boot
安装grub
grub-install –root-directory=/mnt/dev/sdb

自制linux系统
恢复内核和initramfs文件
cp/boot/vmlinuz-2.6.32-642.el6.x86_64 /mnt/boot/
cp/boot/initramfs-2.6.32-642.el6.x86_64.img /mnt/boot
建立grub.conf文件
Vim /mnt/boot/grub.conf
kernel /vmlinuz-2.6.32-642.el6.x86_64 root=/dev/sda2 selinux=0 init=/bin/bash
chroot/mnt/sysroot

自制linux系统
创建一级目录
mkdir/mnt/sysroot
mount /dev/sdb2 /mnt/sysroot
mkdir–pv/mnt/sysroot/{etc,lib,lib64,bin,sbin,tmp,var,usr,sys,proc,opt,home,root,boot,dev,mnt,media}
复制bash和相关库文件

救援环境
在根文件系统无法使用时需要，如/bin/mount删除
对系统没有特殊要求
从光盘引导（boot.iso或者安装光盘#1）
从USB盘（由boot.iso制作）引导

救援环境
文件系统重组
Anaconda将会询问是否应该挂载文件系统
/mnt/sysimage/*
/mnt/stage2
$PATH包括硬盘的目录
文件系统节点
提供系统特定的设备文件
mknod了解major/minor #’s

系统配置文件丢失修复
系统在引导期间，很重要的一个过程就是init进程读取其配置文件/etc/inittab，启动系统基本服务程序及默认运行级别的服务程序完成系统引导，如果/etc/inittab误删除或修改错误，Linux将无法正常启动。此时，只有通过救援模式才可以解决此类问题。
有备份文件的回复方法
没有备份文件的恢复办法

系统配置文件丢失修复
有备份文件的恢复办法：
进入救援模式，执行chroot命令后，如果有此文件的备份（强烈建议系统中的重要数据目录，如/etc、/boot等要进行备份），直接将备份文件拷贝回去，退出重启即可。如果是配置文件修改错误，如比较典型的/boot/grub/grub.conf及/etc/passwd的文件修改错误，也可以直接修正恢复。假设有备份文件/etc/inittab.bak，则在救援模式下执行：
sh-3.1# chroot/mnt/sysimage
sh-3.1# cp /etc/inittab.bak /etc/inittab

系统配置文件丢失修复
没有备份文件的恢复办法
如果一些配置文件丢失或软件误删除，且无备份，可以通过重新安装软件包来恢复，首先查找到/etc/inittab属于哪一个RPM包# chroot/mnt/sysimage
# rpm -qf/etc/inittab
initscripts-9.03.49-1.el6.centos.x86_64
退出chroot模式：
# exit
挂载存放RPM包的安装光盘（在救援模式下，光盘通常挂载在/mnt/source目录下）：

系统配置文件丢失修复
# mount /dev/sr0 /mnt/source
CentOS6系统的RPM包存放在光盘Package目录下，另外，因为要修复的硬盘系统的根目录在/mnt/sysimage下，需要使用–root选项指定其位置。覆盖安装/etc/inittab文件所在的RPM包：
# rpm -ivh –replacepkgs | force /mnt/source/Packages/
initscripts-9.03.49-1.el6.centos.x86_64.rpm
其中的rpm命令选项“–replacepkgs”表示覆盖安装，执行完成后，即已经恢复了此文件。

系统配置文件丢失修复
如果想只提取RPM包中的/etc/inittab文件进行恢复，可以在进入救援模式后，执行命令：
# rpm2cpio /mnt/source/Packages/initscripts-9.03.49-1.el6.centos.x86_64.rpm|
cpio-idv./etc/inittab
# cpetc/inittab/mnt/sysimage/etc
注意此命令执行时不能将文件直接恢复至/etc目录，只能提取到当前目录下，且恢复的文件名称所在路径要写完整的路径。提取文件成功后，将其复制到根分区所在的/mnt/sysimage目录下相应位置即可

内核编译
单内核体系设计、但充分借鉴了微内核设计体系的优点，为内核引入模块化机制。
内核组成部分：
kernel: 内核核心，一般为bzImage，通常在/boot目录下，名称为vmlinuz-VERSION-RELEASE；
kernel object: 内核对象，一般放置于/lib/modules/VERSION-RELEASE/
[ ]: N
[M]: M
[*]: Y
辅助文件：ramdisk
initrd
initramfs

内核版本
运行中的内核：
uname命令：
uname-print system information
uname[OPTION]…
-n: 显示节点名称；
-r: 显示VERSION-RELEASE;
-a:显示所有信息

内核模块命令
lsmod命令：
显示由核心已经装载的内核模块
显示的内容来自于: /proc/modules文件
modinfo命令：
显示模块的详细描述信息
modinfo[ -k kernel ] [ modulename|filename… ]
-n: 只显示模块文件路径
-p: 显示模块参数
-a: author
-d: description
-l: license
lsmod|grep xfs;modinfoxfs

内核模块管理
modprobe命令：
装载或卸载内核模块
modprobe[ -C config-file ] [ modulename] [ module parame-ters… ]
配置文件：/etc/modprobe.conf, /etc/modprobe.d/*.conf
modprobe[ -r ] modulename…

内核模块管理
depmod命令：
内核模块依赖关系文件及系统信息映射文件的生成工具
装载或卸载内核模块：
insmod命令：指定模块文件，不自动解决依赖模块
insmod[ filename ] [ module options… ]
insmod`modinfo–n exportfs`
lnsmod`modinfo–n xfs`
rmmod
rmmod[ modulename]
rmmodxfs
rmmodexportfs

/proc目录
/proc目录：
内核把自己内部状态信息及统计信息，以及可配置参数通过proc伪文件系统加以输出
参数：只读：输出信息
可写：可接受用户指定“新值”来实现对内核某功能或特性的配置
/proc/sys
(1) sysctl命令用于查看或设定此目录中诸多参数
sysctl-w path.to.parameter=VALUE
sysctl-w kernel.hostname=mail.magedu.com
(2) echo命令通过重定向方式也可以修改大多数参数的值
echo “VALUE” > /proc/sys/path/to/parameter
echo “websrv” > /proc/sys/kernel/hostname

sysctl命令
sysctl命令：
默认配置文件：/etc/sysctl.conf
(1) 设置某参数
sysctl-w parameter=VALUE
(2) 通过读取配置文件设置参数
sysctl-p [/path/to/conf_file]
内核中的路由转发：
/proc/sys/net/ipv4/ip_forward
常用的几个参数：
net.ipv4.ip_forward
net.ipv4.icmp_echo_ignore_all
vm.drop_caches

/sys目录
/sys目录：
sysfs：为用户使用的伪文件系统，输出内核识别出的各硬件设备的相关属性信息，也有内核对硬件特性的设定信息；有些参数是可以修改的，用于调整硬件工作特性。
udev通过此路径下输出的信息动态为各设备创建所需要设备文件，udev是运行用户空间程序
专用工具：udevadmin, hotplug
udev为设备创建设备文件时，会读取其事先定义好的规则文件，一般在/etc/udev/rules.d及/usr/lib/udev/rules.d目录下

ramdisk管理
ramdisk文件的制作：
(1) mkinitrd命令
为当前正在使用的内核重新制作ramdisk文件
mkinitrd/boot/initramfs-$(uname-r).img$(uname-r)
(2) dracut命令
为当前正在使用的内核重新制作ramdisk文件
dracut/boot/initramfs-$(uname-r).img$(uname-r)

编译内核
前提：
(1) 准备好开发环境
(2) 获取目标主机上硬件设备的相关信息
(3) 获取目标主机系统功能的相关信息
例如:需要启用相应的文件系统
(4) 获取内核源代码包
www.kernel.org

开发环境准备
包组(CentOS 6)：
Server Platform Development
Development Tools
目标主机硬件设备相关信息：
CPU：
#cat /proc/cpuinfo
#x86info -a
#lscpu

硬件设备
PCI设备：
lspci
-v
-vv
lsusb
-v
-vv
lsblk块设备
了解全部硬件设备信息
hal-device

内核编译安装系统
安装开发包组
下载源码文件
.config：准备文本配置文件
make menuconfig：配置内核选项
make [-j #]
make modules_install：安装模块
make install ：安装内核相关文件
安装bzImage为/boot/vmlinuz-VERSION-RELEASE
生成initramfs文件
编辑grub的配置文件

编译安装内核实例
tar xf linux-3.10.67.tar.xz -C /usr/src
cd /usr/src
ln -sv linux-3.10.67 linux
cd /usr/src/linux
cp /boot/config-$(uname -r) ./.config
make menuconfig
make -j 2
make modules_install
make install
reboot

编译内核
(1) 配置内核选项
支持“更新”模式进行配置：make help
(a) make config：基于命令行以遍历的方式去配置内核中可配置的每个选项
(b) make menuconfig：基于curses的文本窗口界面
(c) make gconfig：基于GTK (GNOME）环境窗口界面
(d) make xconfig：基于QT(KDE)环境的窗口界面
支持“全新配置”模式进行配置
(a) make defconfig：基于内核为目标平台提供的“默认”配置进行配置
(b) make allyesconfig: 所有选项均回答为“yes“
(c) make allnoconfig: 所有选项均回答为”no“

编译内核
(2) 编译
全编译:make [-j #]
编译内核的一部分功能：
(a) 只编译某子目录中的相关代码：
# cd /usr/src/linux
# make dir/
(b) 只编译一个特定的模块：
# cd /usr/src/linux
# make dir/file.ko
例如：只为e1000编译驱动：
#make drivers/net/ethernet/intel/e1000/e1000.ko

编译内核
如何交叉编译内核：
编译的目标平台与当前平台不相同；
# make ARCH=arch_name
要获取特定目标平台的使用帮助
# make ARCH=arch_namehelp
# make ARCH=arm help

内核编译
在已经执行过编译操作的内核源码树做重新编译：
需要事先清理操作：
# make clean：清理大多数编译生成的文件，但会保留config文件等
# make mrproper: 清理所有编译生成的文件、config及某些备份文件
# make distclean：mrproper、patches以及编辑器备份文件