20220927 19. 开机流程、模块管理与 Loader

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19.1 Linux 的开机流程分析

19.1.1 开机流程一览

系统开机的经过可以汇整成下面的流程的：

1. 载入 BIOS 的硬件信息与进行自我测试，并依据设置取得第一个可开机的设备；

2. 读取并执行第一个开机设备内 MBR 的 boot Loader （亦即是 grub2, spfdisk 等程序）；

3. 依据 boot loader 的设置载入 Kernel ，Kernel 会开始侦测硬件与载入驱动程序；

4. 在硬件驱动成功后，Kernel 会主动调用 systemd 程序，并以 default.target 流程开机；

   • systemd 执行 sysinit.target 初始化系统及 basic.target 准备操作系统；

   • systemd 启动 multi-user.target 下的本机与服务器服务；

   • systemd 执行 multi-user.target 下的 /etc/rc.d/rc.local 文件；

   • systemd 执行 multi-user.target 下的 getty.target 及登陆服务；

   • systemd 执行 graphical 需要的服务

19.1.2 BIOS, boot loader 与 kernel 载入

专有名词

• BIOS：不论传统 BIOS 还是 UEFI BIOS 都会被简称为 BIOS；

• MBR：虽然分区表有传统 MBR 以及新式 GPT，不过 GPT 也有保留一块相容 MBR 的区 块，因此，下面的说明在安装 boot loader 的部份， 鸟哥还是简称为 MBR 喔！总之， MBR 就代表该磁盘的最前面可安装 boot loader 的那个区块就对了！

BIOS, 开机自我测试与 MBR/GPT

系统去载入 BIOS （Basic Input Output System），并通过 BIOS 程序去 载入 CMOS 的信息，并且借由 CMOS 内的设置值取得主机的各项硬件设置

BIOS 还会进行开机自我测试 （Power-on Self Test, POST）

BIOS 会指定开机的设备好让我们可以读取 磁盘中的操作系统核心文件。 但由于不同的操作系统他的文件系统格式不相同，因此我们必 须要以一个开机管理程序来处理核心文件载入 （load） 的问题， 因此这个开机管理程序就被 称为 Boot Loader 了。那这个 Boot Loader 程序安装在哪里呢？就在开机设备的第一个扇区 （sector） 内，也就是我们一直谈到的 MBR （Master Boot Record, 主要开机记录区）

Boot Loader 的功能

• 提供菜单：使用者可以选择不同的开机项目，这也是多重开机的重要功能！

• 载入核心文件：直接指向可开机的程序区段来开始操作系统；

• 转交其他 loader：将开机管理功能转交给其他 loader 负责。

BIOS 与 boot loader 及核心载入流程示意图

在核心完整的载入后，您的主机应该就开始正确的运行了，接下来，就是要开始执行系统的 第一支程序： systemd ！

19.1.3 第一支程序 systemd 及使用 default.target 进入开机程 序分析

systemd 最主要的功能 就是准备软件执行的环境，包括系统的主机名称、网络设置、语系处理、文件系统格式及其 他服务的启动等。

而所有的动作都会通过 systemd 的默认启动服务集合，亦即是 /etc/systemd/system/default.target 来规划。

另外， systemd 已经舍弃沿用多年的 system V 的 runlevel 了喔！

常见的操作环境 target 与相容于 runlevel 的等级

可以作为默认的操作环境 （default.target） 的主要项目有： multi-user.target 以及 graphical.target 这两个。当然还有某些比较特殊的操作环境， 包括在第十七章里面谈到的 rescue.target, emergency.target, shutdown.target 等

过去的 systemV 使用的是一个称为 runlevel （执行等级） 的概念来启动系统的， systemd 为了相容于旧式的 systemV 操作行为， 所以也将 runlevel 与操作环境做个结合

# 查询两者间的对应
ll -d /usr/lib/systemd/system/runlevel*.target

SystemV	systemd
init 0	systemctl poweroff
init 1	systemctl rescue
init [234]	systemctl isolate multi-user.target
init 5	systemctl isolate graphical.target
init 6	systemctl reboot

systemd 的处理流程

CentOS 7.x 的 systemd 开机流程大约是这样：

1. local-fs.target + swap.target：这两个 target 主要在挂载本机 /etc/fstab 里面所规范的文 件系统与相关的内存交换空间。

2. sysinit.target：这个 target 主要在侦测硬件，载入所需要的核心模块等动作。

3. basic.target：载入主要的周边硬件驱动程序与防火墙相关任务

4. multi-user.target 下面的其它一般系统或网络服务的载入

5. 图形界面相关服务如 gdm.service 等其他服务的载入

19.1.4 systemd 执行 sysinit.target 初始化系统、basic.target 准备系统

systemctl list-dependencies sysinit.target

sysinit.target 有很多相 依的服务

• 特殊文件系统设备的挂载：包括 dev-hugepages.mount dev-mqueue.mount 等挂载服 务，主要在挂载跟巨量内存分页使用与讯息伫列的功能。 挂载成功后，会在 /dev 下面创 建 /dev/hugepages/, /dev/mqueue/ 等目录；

• 特殊文件系统的启用：包括磁盘阵列、网络磁盘 （iscsi）、LVM 文件系统、文件系统对 照服务 （multipath） 等等，也会在这里被侦测与使用到！

• 开机过程的讯息传递与动画执行：使用 plymouthd 服务搭配 plymouth 指令来传递动画与 讯息

• 日志式登录文件的使用：就是 systemd-journald 这个服务的启用啊！

• 载入额外的核心模块：通过 /etc/modules-load.d/*.conf 文件的设置，让核心额外载入管 理员所需要的核心模块！

• 载入额外的核心参数设置：包括 /etc/sysctl.conf 以及 /etc/sysctl.d/*.conf 内部设置！

• 启动系统的乱数产生器：乱数产生器可以帮助系统进行一些密码加密演算的功能

• 设置终端机 （console） 字形

• 启动动态设备管理员：就是 udevd 这个家伙！用在动态对应实际设备存取与设备文件名 对应的一个服务！相当重要喔！也是在这里启动的！

sysinit.target 在初始化系 统，而这个 basic .target 则是一个最简单的操作系统了！

basic.target 的阶段主要启动 的服务

• 载入 alsa 音效驱动程序：这个 alsa 是个音效相关的驱动程序，会让你的系统有音效产生 啰；

• 载入 firewalld 防火墙：CentOS 7.x 以后使用 firewalld 取代 iptables 的防火墙设置，虽然 最终都是使用 iptables 的架构， 不过在设置上面差很多喔！

• 载入 CPU 的微指令功能；

• 启动与设置 SELinux 的安全本文：如果由 disable 的状态改成 enable 的状态，或者是管 理员设置强制重新设置一次 SELinux 的安全本文， 也在这个阶段处理喔！

• 将目前的开机过程所产生的开机信息写入到 /var/log/dmesg 当中

• 由 /etc/sysconfig/modules/*.modules 及 /etc/rc.modules 载入管理员指定的模块！

• 载入 systemd 支持的 timer 功能；

在这个阶段完成之后，你的系统已经可以顺利的运行！就差一堆你需要的登陆服务、网络服 务、本机认证服务等等的 service 类别啰！

19.1.5 systemd 启动 multi-user.target 下的服务

在载入核心驱动硬件后，经过 sysinit.target 的初始化流程让系统可以存取之后，加上 basic.target 让系统成为操作系统的基础， 之后就是服务器要顺利运行时，需要的各种主机服 务以及提供服务器功能的网络服务的启动了。

这些服务的启动则大多是附挂在 multi-user.target 这个操作环境下面， 你可以到 /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/ 里头 去瞧瞧默认要被启动的服务喔！

一般来说服务的启动脚本设置都是放在下面的目录内：

• /usr/lib/systemd/system （系统默认的服务启动脚本设置）

• /etc/systemd/system （管理员自己开发与设置的脚本设置）

而使用者针对主机的本机服务与服务器网络服务的各项 unit 若要 enable 的话，就是将它放到 /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/ 这个目录下面做个链接～ 这样就可以在开机的 时候去启动他。

[root@study ~]# systemctl disable vsftpd.service 
rm '/etc/systemd/system/multi-user.target.wants/vsftpd.service' 

[root@study ~]# systemctl enable vsftpd.service 
ln -s '/usr/lib/systemd/system/vsftpd.service' '/etc/systemd/system/multi-user.target.wants/vsftpd.service'

这些程序除非在脚本设置里面原本就有规范服务的相依性， 这 样才会有顺序的启动之外，大多数的服务都是同时启动的！这就是 systemd 的多任务

相容 systemV 的 rc-local.service

过去用过 Linux 的朋友大概都知道，当系统完成开机后，还想要让系统额外执行某些 程序的话，可以将该程序指令或脚本的绝对路径名称写入到 /etc/rc.d/rc.local 这个文件去！

新 的 systemd 机制中，它建议直接写一个 systemd 的启动脚本配置文件到 /etc/systemd/system 下面，然后使用 systemctl enable 的方式来设置启用它，而不要直接使用 rc.local 这个文件 啦！

systemd 仍然支持之前的机制，那就是 rc-local.service 这个服务的功能了！

# 1\. 先看一下 /etc/rc.d/rc.local 的权限，然后检查 multi-user.target 有没有这个服务
[root@study ~]# ll /etc/rc.d/rc.local

[root@study ~]# systemctl status rc-local.service

# 2\. 加入可执行权限后，再看一下 rc-local 是否可被启用！
[root@study ~]# chmod a+x /etc/rc.d/rc.local; ll /etc/rc.d/rc.local
[root@study ~]# systemctl daemon-reload
[root@study ~]# systemctl list-dependencies multi-user.target | grep rc-local

提供 tty 界面与登陆的服务

在 multi-user.target 下面还有个 getty.target 的操作界面项目喔！

能不能提供适当的登陆服务也是 multi-user.target 下面的内容！包括 systemd-logind.service, systemd-user-sessions.service 等服务。

由于服务都是同步运行，不一定哪个服务先启动完毕。如果 getty 服务先 启动完毕时，你会发现到有可用的终端机尝试让你登陆系统了。 问题是，如果 systemd- logind.service 或 systemd-user-sessions.service 服务尚未执行完毕的话，那么你还是无法登 陆系统的。

19.1.6 systemd 启动 graphical.target 下面的服务

如果你的 default.target 是 multi-user.target 的话，那么这个步骤就不会进行。反之，如果是 graphical.target 的话，那么 systemd 就会开始载入用户管理服务与图形界面管理员 （window display manager, DM） 等，启动图形界面来让用户以图形界面登陆系统喔！

[root@VM-72-146-centos ~]# systemctl list-dependencies graphical.target
graphical.target
● ├─display-manager.service
● ├─irqaffinity.service
● ├─mysqld.service
● ├─network.service
● ├─redis.service
● ├─systemd-update-utmp-runlevel.service
● └─multi-user.target
●   ├─acpid.service
●   ├─atd.service    
    ...
    ...

比 multi-user.target 多出的这些服务，大多数都是图形界面帐号管理的功能，至于实 际让用户可以登陆的服务，倒是那个 gdm.service

去瞧瞧 gdm.service 的内容， 就会发现最重要的可执行文件是 /usr/sbin/gdm

到此为止，systemd 就已经完整的处理完毕，你可以使用图形界面或文字界面的方式来登陆 系统，系统也顺利的开机完毕， 也能够将你写入到 /etc/rc.d/rc.local 的脚本实际执行一次啰。

19.1.7 开机过程会用到的主要配置文件

关于模块

有两 个地方可以处理模块载入的问题，包括：

• /etc/modules-load.d/*.conf：单纯要核心载入模块的位置；

• /etc/modprobe.d/*.conf：可以加上模块参数的位置

我们可能需要修改防火墙设置，其中一个针对 FTP 很重要的防火墙模块 为 nf_conntrack_ftp， 因此，你可以将这个模块写入到系统开机流程中，例如：

[root@study ~]# vim /etc/modules-load.d/vbird.conf 
nf_conntrack_ftp

一个模块 （驱动程序） 写一行～然后，上述的模块基本上是针对默认 FTP 端口，亦即 port 21 所设置的，如果需要调整到 port 555 的话， 得要外带参数才行！模块外加参数的设置方式 得要写入到另一个地方喔！

[root@study ~]# vim /etc/modprobe.d/vbird.conf 
options nf_conntrack_ftp ports=555

之后重新开机就能够顺利的载入并且处理好这个模块了。不过，如果你不想要开机测试，想 现在处理呢？

[root@study ~]# lsmod | grep nf_conntrack_ftp

[root@study ~]# systemctl restart systemd-modules-load.service
[root@study ~]# lsmod | grep nf_conntrack_ftp

/etc/sysconfig/*

• authconfig： 这个文件主要在规范使用者的身份认证的机制，包括是否使用本机的 /etc/passwd, /etc/shadow 等， 以及 /etc/shadow 密码记录使用何种加密演算法，还有是 否使用外部密码服务器提供的帐号验证 （NIS, LDAP） 等。 系统默认使用 SHA512 加 密演算法，并且不使用外部的身份验证机制；另外，不建议手动修改这个文件喔！你应 该使用“ authconfig-tui ”指令来修改较佳！

• cpupower： 如果你有启动 cpupower.service 服务时，他就会读取这个配置文件。主要是 Linux 核心如何操作 CPU 的原则。 一般来说，启动 cpupower.service 之后，系统会让 CPU 以最大性能的方式来运行，否则默认就是用多少算多少的模式来处理的。

• firewalld, iptables-config, iptables-config, ebtables-config： 与防火墙服务的启动外带的 参数有关

• network-scripts/： 至于 network-scripts 里面的文件，则是主要用在设置网卡

19.2 核心与核心模块

在整个开机的过程当中，是否能够成功的驱动我们 主机的硬件配备， 是核心 （kernel） 的工作！而核心一般都是压缩文件，因此在使用核心之 前，就得要将他解压缩后，才能载入内存当中。

为了应付日新月异的硬件，目前的核心都是具有“可读取模块化驱动程序”的功能， 亦 即是所谓的“ modules （模块化）”的功能啦！所谓的模块化可以将他想成是一个“外挂程序”， 该外挂程序可能由硬件开发厂商提供，也有可能我们的核心本来就支持～不过，较新的硬 件， 通常都需要硬件开发商提供驱动程序模块啦！

核心与核心模块放在哪？

• 核心： /boot/vmlinuz 或 /boot/vmlinuz-version；

• 核心解压缩所需 RAM Disk： /boot/initramfs （/boot/initramfs-version）；

• 核心模块： /lib/modules/version/kernel 或 /lib/modules/$(uname -r)/kernel；

• 核心源代码： /usr/src/linux 或 /usr/src/kernels/ （要安装才会有，默认不安装）

如果该核心被顺利的载入系统当中了，那么就会有几个信息纪录下来：

• 核心版本：/proc/version

• 系统核心功能：/proc/sys/kernel/

如果我有个新的硬件，偏偏我的操作系统不支持，该怎么办？

• 重新编译核心，并加入最新的硬件驱动程序源代码；

• 将该硬件的驱动程序编译成为模块，在开机时载入该模块

19.2.1 核心模块与相依性

核心模块的放置处是在 /lib/modules/$(uname -r)/kernel 当中，里面主要还分成几个目录：

• arch ：与硬件平台有关的项目，例如 CPU 的等级等等；

• crypto ：核心所支持的加密的技术，例如 md5 或者是 des 等等；

• drivers ：一些硬件的驱动程序，例如显卡、网卡、PCI 相关硬件等等；

• fs ：核心所支持的 filesystems ，例如 vfat, reiserfs, nfs 等等；

• lib ：一些函数库；

• net ：与网络有关的各项协定数据，还有防火墙模块 （net/ipv4/netfilter/*） 等等；

• sound ：与音效有关的各项模块；

Linux 当然会提供一些模块相依性的解决方案，那就是检 查/lib/modules/$(uname -r)/modules.dep 这个文件

[root@www ~]# depmod [-Ane]
选项与参数：
-A  ：不加任何参数时， depmod 会主动的去分析目前核心的模块，并且重新写入
      /lib/modules/$(uname -r)/modules.dep 当中。若加入 -A 参数时，则 depmod
      会去搜寻比 modules.dep 内还要新的模块，如果真找到新模块，才会升级。
-n  ：不写入 modules.dep ，而是将结果输出到萤幕上(standard out)；
-e  ：显示出目前已加载的不可运行的模块名称

范例一：若我做好一个网络卡驱动程序，档名为 a.ko，该如何升级核心相依性？
[root@www ~]# cp a.ko /lib/modules/$(uname -r)/kernel/drivers/net
[root@www ~]# depmod

我们的 kernel 核心模块扩展名一定是 .ko 结尾的， 当你使用 depmod 之后，该程序会跑到模块标准放置目录 /lib/modules/$(uname -r)/kernel ， 并依据相关目 录的定义将全部的模块捉出来分析，最终才将分析的结果写入 modules.dep 文件中

19.2.2 核心模块的观察

lsmod

使用 lsmod 之后，系统会显示出目前已经存在于核心当中的模块，显示的内容包括有：

• 模块名称（Module）；

• 模块的大小（size）；

• 此模块是否被其他模块所使用 （Used by）

[root@www ~]# modinfo [-adln] [module_name|filename]
选项与参数：
-a  ：仅列出作者名称；
-d  ：仅列出该 modules 的说明 (description)；
-l  ：仅列出授权 (license)；
-n  ：仅列出该模块的详细路径。

范例一：由上个表格当中，请列出 mii 这个模块的相关资讯：
[root@www ~]# modinfo mii

范例二：我有一个模块名称为 a.ko ，请问该模块的资讯为？
[root@www ~]# modinfo a.ko

19.2.3 核心模块的载入与移除

insmod 和 rmmod

modprobe 可以载入和移除模块

详细内容略

19.2.4 核心模块的额外参数设置：/etc/modprobe.d/*conf

重点就是要自己创建扩展名为 .conf 的文件，通过 options 来带入核心模块 参数啰！

19.3 Boot Loader: Grub2

略

19.4 开机过程的问题解决

19.4.1 忘记 root 密码的解决之道

略

19.4.2 直接开机就以 root 执行 bash 的方法

略

19.4.3 因文件系统错误而无法开机

略

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