Linux 内核及系统启动流程

Posted 2021-02-05 cook

    kernel的功能：
        进程管理
        文件系统
        硬件驱动
        内存管理
        安全功能：SELinux
        网络子系统


        标准库：glibc

        调用：返回
            利用别的组件的功能，完成某特定事务
            返回值

    内核设计流派：
        单内核体系：
            Linux
                支持模块化
                模块还可以动态装载或卸载

            Linux内核：核心 + 外围模块
                核心：/boot/vmlinux-VERSION-release
                模块：/lib/modules/VERSION-release
                    .ko: kernel object
                ramdisk: /boot/initramfs-VERSION-release.img
                    在内核启动过程中装载根文件系统时有用；

        微内核体系：
            Windows
            Solaris

    Linux系统启动流程：X86（PC）

        POST：加电自检
            ROM+RAM
                ROM：CMOS （Bios）
                RAM：
                        EFI（）

            引导次序：按次序找引导设备，第一个有引导程序的设备即为启动PC server所用到的设备；
                1st boot: 
                2nd boot:
                3rd boot:

        MBR：Master Boot Record
            1st sector：512bytes
                446: bootloader
                64: partation table
                2: 5A

        bootloader: 选择要启动的内核（在当前磁盘的某或某些分区上）

            LILO: LInux LOader
                0-1023范围内的柱面构成的分区的内核文件
            GRUB: GRand Unified Bootloader
                CentOS 5,6 Grub 0.97
                CentOS 7, Grub2 1.96

        kernel: 
            自身初始化
                探测所有能识别的硬件
                装载驱动程序
                以只读方式装载根文件系统（rootfs）
                /sbin/init

            CentOS 5: SysV, init
            CentOS 6: upstart, init
            CentOS 7: systemd, init

            CentOS 5 SysV, init, /etc/inittab --> /etc/rc.d/rc.sysinit
            CentOS 6 Upstart, /etc/init/*.conf （/etc/inittab）--> /etc/rc.d/rc.sysinit
                chkconfig
            CentOS 7 Systemd, 
                /usr/lib/systemd/system/

        CentOS 5: init
            kernel ==> /sbin/init (/etc/inittab) 
                设定系统默认运行级别
                    0-6: 7个级别
                        0：关机
                        1: single user mode, s, S, single
                        2: multi user mode, 不支持NFS功能
                        3：完全多用户模式，文本接口
                        4：未使用，预留级别
                        5：完全多用户械，图形接口
                        6: 重启

                    切换级别：init #

                进一步初始化系统
                    /etc/rc.d/rc.sysinit

                启动指定的默认级别的默认为启动的服务，停止指定的级别下默认为关闭的服务；
                    /etc/rc.d/rc#.d
                        S##: 启动的服务
                        K##：停止的服务

                        ##：01-99，数字越小，越优先启动或关闭；

                    脚本如果期望能够被chkconfig命令使用，要在脚本中添加如下行
                        # chkconfig: - 85 15
                            -：当此脚本由chkconfig控制时，默认哪些级别就是开启的，
                            85：启动优先级
                            15: 关闭优先级

                        # chkconfig --add SRV_SCRIPT
                        # chkconfig --del SRV_SCRIPT
                        # chkconfig SRV_SCRIPT {on|off}
                            默认为2345级别；
                            --level ######

                        /etc/rc.d/rc.local (/etc/rc.local): 是一个脚本，通常为系统启动完成的最后运行一个脚本；

                    定义一些组合键的功能：通常是Ctrl+Alt+Delete

                    初始化字符终端

                    如果有需要，启动图形终端

            CentOS 5: /etc/inittab
                每一行定义一种action和对应的程序；
                    id:runlevels:action:process
                    例如
                    si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

                    action: respwan, wait, initdefault
                    l3:3:wait:/etc/rc.d/rc 3

            CentOS 6: /etc/inittab
                由/etc/init/*.conf 一类的配置文件定义init的初始化动作
                    由upstart调用，程序为/sbin/init

    /etc/rc.d/rc.sysinit: 系统初始化脚本
        设定主机名：读取/etc/sysconfig/network文件中的HOSTNAME参数，并以之设定主机名
        打印文本欢迎信息
        激活SELinux和udev
        挂载/etc/fstab文件中定义的其它文件系统
        激活swap
        检测根文件系统，并以读写方式重新挂载；
        设置系统时钟
        根据/etc/sysctl.conf设置内核参数
        激活LVM和RAID设备；
        加载额外设备的驱动程序；
        清理操作

    初始化流程：POST --> （BIOS）boot sequence --> MBR(bootloader) --> kernel + ramdisk(initrd, initramfs) --> mount rootfs (ro) --> /sbin/init (CentOS 5: /etc/inittab, CentOS6 /etc/init/*.conf) 
        设定默认运行级别 --> 使用/etc/rc.d/rc.sysinit初始化系统 --> 分别启动并关闭指定服务 --> Ctrl+Alt+Delete组合键 --> 启动字符终端 --> 启动图形终端


    GRUB: GRand Unified Bootloader
        grub程序由两段组成：
            stage1: MBR (0柱面 0磁道 1扇区)
            stage1_5: MBR随后的扇区
            stage2: 读取grub.conf配置文件，并实现引导功能的扩展

        grub的功能：
            1、提供菜单，并提供交互式接口
                e: 进入编辑模式
            2、选择要启动的内核或系统
                允许传递引导参数给内核
                选择界面可隐藏
            3、为编辑功能提供保护机制
                启用内核文件：
                    选择运行指定的内核得先输入密码
                传递参数：
                    使用e命令得先输入密码

        grub命令行接口：
            root：指定哪个分区为接下来要启动的系统或内核文件所在的分区
                root （DEVICE）
                    所有硬盘都识别为hd
                    不同的硬盘基于数字标识：如hd0, hd1等
                    同一个硬盘上的不同分区，也使用数字标识，如hd0,0  hd1,5

                    root (hd0,0)

                find (DEVICE)/path/to/file

                kernel: 指定要运行的内核文件
                initrd: 为要运行的内核指定其可用的ramdisk文件

                boot: 启动此前配置好的内核或系统

        grub.conf：
            参数：
                default=: 选择第几个title配置的内核或系统，各title从0开始编号
                timeout=#: 菜单显示的超时时长；
                splashimage=/path/to/some_image_file：指定菜单的背景图片；此图片只能为14bits色，xpm格式，gzip压缩；
                hiddenmenu: 隐藏菜单
                title TILTE STRING：显示于菜单中的标题
                    root
                    kernel
                    initrd

        grub保护机制：
            1、生成密码：
                # grub-md5-crypt
            2、保护编辑功能，则需要title之外的添加
                password --md5 密码串
            3、保护使用某内核，则需要内核对应的title之下添加
                password --md5 密码串

        安装grub的方式：
            1、使用grub-install命令
                # grub-install [--root-directory=/path/to/somewhere] DEVICE

                --root-directory=/path/to/somewhere
                    /path/to/somewhere：内核及initrd文件所在的分区的挂载点的父目录，且此挂载点必须叫boot
                        例如：/dev/sdb1: /mnt/boot
                        # grub-install --root-directory=/mnt /dev/sdb



总结：
　　系统启动流程
    POST --> 引导次序（BIOS）--> BootLoader(MBR) --> kernel + ramdisk (临时根) --> 根切换 (rootfs) --> /sbin/init (配置文件)

    配置文件：设置默认运行级别 --> 指定系统初始化脚本进行系统初始化 --> 启动服务（关闭服务）(/etc/rc.d/rc#.d, /etc/rc.d/init.d/) --> /etc/rc.d/rc.local -> 设置CtrlAltDel组合的功用 --> 启动终端（mingetty），并在终端附加登录程序(login) --> 如果级别为5, 则要启动 X server

    login: root
    password: mageedu

    nsswitch: 检查用户帐是否存在，并且如果存在，还能将其解析为UID；
        库（API），而非服务
        /usr/lib64/libnss*
        /lib64/libnss*
    pam: pluggable authentication module, 做用户认证
        库 (API)
        /lib64/security/*


    ramdisk
        centos5: initrd
            ram disk: 块设备
        centos6: initramfs
            ram fs:

    配置文件：
        c5: sysv init, /etc/inittab
        c6: upstart, /etc/inittab + /etc/init/*.conf
            chkconfig --add, --del, --list, --level
        c7: systemd, /usr/lib/systemd/

    X-Window: Client --> Server
        X protocol
        twm
        Desktop: GNome, KDE, Xfce

    GRUB: GRand Unified Bootloader
        stage1
        stage1_5
        stage2

        命令行接口：
        grub>

        配置文件：
        /boot/grub/grub.conf

        编辑模式：

    Linux内核：单内核，模块化
        内核的某些功能：
            编译进内核本体  [*]
            编译成内核模块  [M]
            不选择使用        [ ]

        内核的组成部分：
            /boot/vmlinuz-VERSION
            /lib/modules/VERSION/
                *.ko: kernel object
                模块间有可能存在依赖关系

内核的模块管理

lsmod: 显示内核已装载模块

 动态装卸载模块：
       卸载：modprobe -r MOD_NAME
       装载：modprobe MOD_NAME

       装载：insmod /path/to/module_file
       卸载：rmmod MOD_NAME

  查看某模块的详细信息：
       modinfo MOD_NAME

  检查并生成模块间依赖关系的命令：
       depmod