Linux-Boot. Lutz Schäfer, Jan Zabel. November 3, 2016

Transkript

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2 Linux-Boot Lutz Schäfer, Jan Zabel November 3, 2016

3 Übersicht Datenträger Darstellungsweisen von Datenträgern Partitonierung LVM Dateisysteme MBR vs GPT Boot der Hardware Legacy EFI/UEFI Boot des Kernel Kernel / initramfs Kernelmodule Init-Systeme SysV-Init Openrc systemd

4 Darstellung von Datenträgern Physikalischer Aufbau (Begriffsklärung) Spuren

5 Darstellung von Datenträgern Physikalischer Aufbau (Begriffsklärung) Spuren Zonen auf magnetisierter Platte beeinflussen sich beim Flusswechsel

6 Darstellung von Datenträgern Physikalischer Aufbau (Begriffsklärung) Spuren Zonen auf magnetisierter Platte beeinflussen sich beim Flusswechsel Wie Spurrillen einer Schallplatte

7 Darstellung von Datenträgern Physikalischer Aufbau (Begriffsklärung) Spuren Zonen auf magnetisierter Platte beeinflussen sich beim Flusswechsel Wie Spurrillen einer Schallplatte Zylinder

8 Darstellung von Datenträgern Physikalischer Aufbau (Begriffsklärung) Spuren Zonen auf magnetisierter Platte beeinflussen sich beim Flusswechsel Wie Spurrillen einer Schallplatte Zylinder übereinanderliegende Spuren Addressierung über Plattenköpfe

9 Darstellung von Datenträgern Physikalischer Aufbau (Begriffsklärung) Spuren Zonen auf magnetisierter Platte beeinflussen sich beim Flusswechsel Wie Spurrillen einer Schallplatte Zylinder übereinanderliegende Spuren Addressierung über Plattenköpfe Sektoren

10 Darstellung von Datenträgern Physikalischer Aufbau (Begriffsklärung) Spuren Zonen auf magnetisierter Platte beeinflussen sich beim Flusswechsel Wie Spurrillen einer Schallplatte Zylinder übereinanderliegende Spuren Addressierung über Plattenköpfe Sektoren kleinste ansprechbare physische Einheit

11 Darstellung von Datenträgern Physikalischer Aufbau (Begriffsklärung) Spuren Zonen auf magnetisierter Platte beeinflussen sich beim Flusswechsel Wie Spurrillen einer Schallplatte Zylinder übereinanderliegende Spuren Addressierung über Plattenköpfe Sektoren kleinste ansprechbare physische Einheit Festplatten 512 Byte CD-ROMs 2 Kilobyte

12 Darstellung von Datenträgern Logischer Aufbau Blocks kleinste anprechbare logische Einheit

13 Darstellung von Datenträgern Logischer Aufbau Blocks kleinste anprechbare logische Einheit entspricht mindestens der Sektorgrösse

14 Darstellung von Datenträgern Logischer Aufbau Blocks kleinste anprechbare logische Einheit entspricht mindestens der Sektorgrösse immer ein Vielfaches einer Zweierpotenz

15 Darstellung von Datenträgern Logischer Aufbau Blocks kleinste anprechbare logische Einheit entspricht mindestens der Sektorgrösse immer ein Vielfaches einer Zweierpotenz Addressierung mittels Logical Block Addressing LBA = (C HPC + H) SPT + (S 1)

16 Darstellung von Datenträgern Logischer Aufbau Blocks kleinste anprechbare logische Einheit entspricht mindestens der Sektorgrösse immer ein Vielfaches einer Zweierpotenz Addressierung mittels Logical Block Addressing LBA = (C HPC + H) SPT + (S 1) Partitionen Eine Partition besteht aus Start-, Endaddresse und Sectorzahl

17 Darstellung von Datenträgern Logischer Aufbau Blocks kleinste anprechbare logische Einheit entspricht mindestens der Sektorgrösse immer ein Vielfaches einer Zweierpotenz Addressierung mittels Logical Block Addressing LBA = (C HPC + H) SPT + (S 1) Partitionen Eine Partition besteht aus Start-, Endaddresse und Sectorzahl Die Partitionstabelle ist eine Liste von Partitionsdefinitionen

18 Darstellung von Datenträgern Logischer Aufbau Blocks kleinste anprechbare logische Einheit entspricht mindestens der Sektorgrösse immer ein Vielfaches einer Zweierpotenz Addressierung mittels Logical Block Addressing LBA = (C HPC + H) SPT + (S 1) Partitionen Eine Partition besteht aus Start-, Endaddresse und Sectorzahl Die Partitionstabelle ist eine Liste von Partitionsdefinitionen Partitionen sind im Filesystem als Blockdevices sichtbar zb /dev/sda1 /dev/mmcblk0p15

19 Darstellung von Datenträgern Logischer Aufbau Blocks kleinste anprechbare logische Einheit entspricht mindestens der Sektorgrösse immer ein Vielfaches einer Zweierpotenz Addressierung mittels Logical Block Addressing LBA = (C HPC + H) SPT + (S 1) Partitionen Eine Partition besteht aus Start-, Endaddresse und Sectorzahl Die Partitionstabelle ist eine Liste von Partitionsdefinitionen Partitionen sind im Filesystem als Blockdevices sichtbar zb /dev/sda1 /dev/mmcblk0p15 direkt auf der logischen Platte oder virtuell mittels LVM

20 Erstellen von Partitionen Direkt: mittels fdisk, gdisk, gparted (graphisch)

21 Erstellen von Partitionen Direkt: mittels fdisk, gdisk, gparted (graphisch) man programm

22 Erstellen von Partitionen Direkt: mittels fdisk, gdisk, gparted (graphisch) man programm erstellen ist einfach

23 Erstellen von Partitionen Direkt: mittels fdisk, gdisk, gparted (graphisch) man programm erstellen ist einfach ABER: Verändern nur an Partitionsgrenzen

24 Erstellen von Partitionen Direkt: mittels fdisk, gdisk, gparted (graphisch) man programm erstellen ist einfach ABER: Verändern nur an Partitionsgrenzen Demonstration?

25 Erstellen von Partitionen Logical Volume Manager weitere Abstraktionsebene

26 Erstellen von Partitionen Logical Volume Manager weitere Abstraktionsebene notwendig bei Partitionen innerhalb verschlüsselter Festplatten

27 Erstellen von Partitionen Logical Volume Manager weitere Abstraktionsebene notwendig bei Partitionen innerhalb verschlüsselter Festplatten Phys Device (LBA) Volume Group Volumes

28 Erstellen von Partitionen Volume Group (VG)

29 Erstellen von Partitionen Volume Group (VG) Zuweisung von logischen/physikalischen Platten

30 Erstellen von Partitionen Volume Group (VG) Zuweisung von logischen/physikalischen Platten einzelne Festplatten, Partitionen, Raids

31 Erstellen von Partitionen Volume Group (VG) Zuweisung von logischen/physikalischen Platten einzelne Festplatten, Partitionen, Raids Volume

32 Erstellen von Partitionen Volume Group (VG) Zuweisung von logischen/physikalischen Platten einzelne Festplatten, Partitionen, Raids Volume sind die eigentlichen Partitionen

33 Erstellen von Partitionen Volume Group (VG) Zuweisung von logischen/physikalischen Platten einzelne Festplatten, Partitionen, Raids Volume sind die eigentlichen Partitionen MUSS innerhalb einer VG liegen

34 Erstellen von Partitionen Volume Group (VG) Zuweisung von logischen/physikalischen Platten einzelne Festplatten, Partitionen, Raids Volume sind die eigentlichen Partitionen MUSS innerhalb einer VG liegen Grössenänderung wärend des laufenden Betriebs möglich

35 Erstellen von Partitionen Volume Group (VG) Zuweisung von logischen/physikalischen Platten einzelne Festplatten, Partitionen, Raids Volume sind die eigentlichen Partitionen MUSS innerhalb einer VG liegen Grössenänderung wärend des laufenden Betriebs möglich zum löschen/umbenennen Volume aushängen

36 Erstellen von Partitionen Volume Group (VG) Zuweisung von logischen/physikalischen Platten einzelne Festplatten, Partitionen, Raids Volume sind die eigentlichen Partitionen MUSS innerhalb einer VG liegen Grössenänderung wärend des laufenden Betriebs möglich zum löschen/umbenennen Volume aushängen Vorteile: Flexibilität im Layout Snapshots konsistente Backups, Systemrecovery kein Rollback ala Timemachine aber manuell

37 Erstellen von Partitionen Volume Group (VG) Zuweisung von logischen/physikalischen Platten einzelne Festplatten, Partitionen, Raids Volume sind die eigentlichen Partitionen MUSS innerhalb einer VG liegen Grössenänderung wärend des laufenden Betriebs möglich zum löschen/umbenennen Volume aushängen Vorteile: Flexibilität im Layout Snapshots konsistente Backups, Systemrecovery kein Rollback ala Timemachine aber manuell Nachteile: viele zueinander inkompatible Lösungen aufwendige Migration von direkten Partitionen GRUB2 oder EFI als Bootloader

38 Erstellen von Partitionen Erstellen eines LVM: laden des Device-Mapper Moduls dm-mod

39 Erstellen von Partitionen Erstellen eines LVM: laden des Device-Mapper Moduls dm-mod pvcreate erzeugen der physikalische Disk[s] für ein LVM

40 Erstellen von Partitionen Erstellen eines LVM: laden des Device-Mapper Moduls dm-mod pvcreate erzeugen der physikalische Disk[s] für ein LVM vgcreate erstellen einer Volumegroup

41 Erstellen von Partitionen Erstellen eines LVM: laden des Device-Mapper Moduls dm-mod pvcreate erzeugen der physikalische Disk[s] für ein LVM vgcreate erstellen einer Volumegroup lvcreate restellen eines Volumes in VG

42 Erstellen von Partitionen Erstellen eines LVM: laden des Device-Mapper Moduls dm-mod pvcreate erzeugen der physikalische Disk[s] für ein LVM vgcreate erstellen einer Volumegroup lvcreate restellen eines Volumes in VG in /etc/mkinitcpioconf unter HOOKS udev und lvm2 vor filesystems

43 Erstellen von Partitionen Erstellen eines LVM: laden des Device-Mapper Moduls dm-mod pvcreate erzeugen der physikalische Disk[s] für ein LVM vgcreate erstellen einer Volumegroup lvcreate restellen eines Volumes in VG in /etc/mkinitcpioconf unter HOOKS udev und lvm2 vor filesystems bei Snapshots dm-snapshot ins MODULE array eintragen

44 Erstellen von Partitionen Erstellen eines LVM: laden des Device-Mapper Moduls dm-mod pvcreate erzeugen der physikalische Disk[s] für ein LVM vgcreate erstellen einer Volumegroup lvcreate restellen eines Volumes in VG in /etc/mkinitcpioconf unter HOOKS udev und lvm2 vor filesystems bei Snapshots dm-snapshot ins MODULE array eintragen mit mkinitcpio Kernel neubauen

45 Erstellen von Partitionen

46 Filesystems Abbildung Block Devices indizierbares Wörterbuch

47 Filesystems Abbildung Block Devices indizierbares Wörterbuch EFI Partition muss FAT32 sein

48 Filesystems Abbildung Block Devices indizierbares Wörterbuch EFI Partition muss FAT32 sein ext4 robustes journaling filesystem

49 Filesystems Abbildung Block Devices indizierbares Wörterbuch EFI Partition muss FAT32 sein ext4 robustes journaling filesystem btrfs atomares copy-on-write filessystem (snapshots)

50 Filesystems Abbildung Block Devices indizierbares Wörterbuch EFI Partition muss FAT32 sein ext4 robustes journaling filesystem btrfs atomares copy-on-write filessystem (snapshots) xfs schnell binäres journaling

51 Filesystems Abbildung Block Devices indizierbares Wörterbuch EFI Partition muss FAT32 sein ext4 robustes journaling filesystem btrfs atomares copy-on-write filessystem (snapshots) xfs schnell binäres journaling zfs orginales btrfs

52 MBR/Legacy/MS-DOS Am Anfang: 4 Felder für Partitionseinträge (primary)

53 MBR/Legacy/MS-DOS Am Anfang: 4 Felder für Partitionseinträge (primary) Möglichkeit zu erweiterten Partitionen: logische Partitionen, die weitere enthalten

54 MBR/Legacy/MS-DOS Am Anfang: 4 Felder für Partitionseinträge (primary) Möglichkeit zu erweiterten Partitionen: logische Partitionen, die weitere enthalten Gleichzeitig auch Bootloader

55 GPT Beliebig viele Partitionen

56 GPT Beliebig viele Partitionen Jede Partition wird durch eine UUID identifiziert (auch GUID genannt, daher GUID Partition Table)

57 GPT Beliebig viele Partitionen Jede Partition wird durch eine UUID identifiziert (auch GUID genannt, daher GUID Partition Table) Enthält dort, wo unter Legacy der MBR wäre, einen Protective MBR, damit kein Partitionierungstool freien Speicher sieht

58 GPT Beliebig viele Partitionen Jede Partition wird durch eine UUID identifiziert (auch GUID genannt, daher GUID Partition Table) Enthält dort, wo unter Legacy der MBR wäre, einen Protective MBR, damit kein Partitionierungstool freien Speicher sieht Möglichkeit, statt einem protektiven MBR Partitioen sowohl im MBR as auch in der GPT zu definieren Bei einer Änderung muss beides geändert werden

59 GPT Beliebig viele Partitionen Jede Partition wird durch eine UUID identifiziert (auch GUID genannt, daher GUID Partition Table) Enthält dort, wo unter Legacy der MBR wäre, einen Protective MBR, damit kein Partitionierungstool freien Speicher sieht Möglichkeit, statt einem protektiven MBR Partitioen sowohl im MBR as auch in der GPT zu definieren Bei einer Änderung muss beides geändert werden GPT hat am Ende einen zweiten Eintrag (Backup)

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61 Legacy MBR enthält: Code, der vom BIOS ausgeführt wird, nachdem es sich selbst initialisiert hat

62 Legacy MBR enthält: Code, der vom BIOS ausgeführt wird, nachdem es sich selbst initialisiert hat Startpunkt für Betriebssysteme Boot loader

63 Legacy MBR enthält: Code, der vom BIOS ausgeführt wird, nachdem es sich selbst initialisiert hat Startpunkt für Betriebssysteme Boot loader LILO Alles im MBR Der Code, der im MBR steht, bootet den Kernel

64 Legacy MBR enthält: Code, der vom BIOS ausgeführt wird, nachdem es sich selbst initialisiert hat Startpunkt für Betriebssysteme Boot loader LILO Alles im MBR Der Code, der im MBR steht, bootet den Kernel GRUB1 Viel Code, passt nicht in den MBR Stage 1: im MBR, enthält den Sprungbefehl zur Stage2 Stage 2: zwischen MBR und der ersten Partition

65 Legacy MBR enthält: Code, der vom BIOS ausgeführt wird, nachdem es sich selbst initialisiert hat Startpunkt für Betriebssysteme Boot loader LILO Alles im MBR Der Code, der im MBR steht, bootet den Kernel GRUB1 Viel Code, passt nicht in den MBR Stage 1: im MBR, enthält den Sprungbefehl zur Stage2 Stage 2: zwischen MBR und der ersten Partition GRUB2 Stage 1,5: Enthält Dateisystemtreiber, um die auf der Bootpartition befindliche Stage2 zu laden Stage 2: Liegt auf dem Boot-Dateisystem und kann vieles, da sie beliebig groß sein kann

66 Legacy MBR enthält: Code, der vom BIOS ausgeführt wird, nachdem es sich selbst initialisiert hat Startpunkt für Betriebssysteme Boot loader LILO Alles im MBR Der Code, der im MBR steht, bootet den Kernel GRUB1 Viel Code, passt nicht in den MBR Stage 1: im MBR, enthält den Sprungbefehl zur Stage2 Stage 2: zwischen MBR und der ersten Partition GRUB2 Stage 1,5: Enthält Dateisystemtreiber, um die auf der Bootpartition befindliche Stage2 zu laden Stage 2: Liegt auf dem Boot-Dateisystem und kann vieles, da sie beliebig groß sein kann SysLinux: bootet wie GRUB2

67 EFI/UEFI Kann direkt (EFI-fähige) Kernel booten, die auf einer bestimmten Partition liegen

68 EFI/UEFI Kann direkt (EFI-fähige) Kernel booten, die auf einer bestimmten Partition liegen die FAT32-formatiert und als EFI-System markiert ist!!!

69 EFI/UEFI Kann direkt (EFI-fähige) Kernel booten, die auf einer bestimmten Partition liegen die FAT32-formatiert und als EFI-System markiert ist!!! Bei Linux: /boot

70 EFI/UEFI Kann direkt (EFI-fähige) Kernel booten, die auf einer bestimmten Partition liegen die FAT32-formatiert und als EFI-System markiert ist!!! Bei Linux: /boot Hat native Applikationen (wie Bootloader, Shell)

71 EFI/UEFI Kann direkt (EFI-fähige) Kernel booten, die auf einer bestimmten Partition liegen die FAT32-formatiert und als EFI-System markiert ist!!! Bei Linux: /boot Hat native Applikationen (wie Bootloader, Shell) Braucht für normale Funktionen keinen Boot Loader

72 EFI/UEFI Kann direkt (EFI-fähige) Kernel booten, die auf einer bestimmten Partition liegen die FAT32-formatiert und als EFI-System markiert ist!!! Bei Linux: /boot Hat native Applikationen (wie Bootloader, Shell) Braucht für normale Funktionen keinen Boot Loader Erweiterung Secure Boot: Nur digital Signiertes wird geladen

73 Boot auf Kernel-Seite Kernel initialisiert sich selbst und grundlegende Speicherverwaltung und die Hardware, gemäß seiner Treiber

74 Boot auf Kernel-Seite Kernel initialisiert sich selbst und grundlegende Speicherverwaltung und die Hardware, gemäß seiner Treiber Kernel startet einen festlegbaren Prozess

75 Boot auf Kernel-Seite Kernel initialisiert sich selbst und grundlegende Speicherverwaltung und die Hardware, gemäß seiner Treiber Kernel startet einen festlegbaren Prozess in aller Regel ein Initsystem, das den Systemstart ab dort übernimmt und überwacht

76 Boot auf Kernel-Seite Kernel initialisiert sich selbst und grundlegende Speicherverwaltung und die Hardware, gemäß seiner Treiber Kernel startet einen festlegbaren Prozess in aller Regel ein Initsystem, das den Systemstart ab dort übernimmt und überwacht Für Wartungsaufgaben kann man auch eine Shell starten

77 Kernelmodule Codeteile welche zur Laufzeit geladen werden können

78 Kernelmodule Codeteile welche zur Laufzeit geladen werden können zb Gerätetreiber

79 Kernelmodule Codeteile welche zur Laufzeit geladen werden können zb Gerätetreiber kein reboot bei Änderungen

80 Kernelmodule Codeteile welche zur Laufzeit geladen werden können zb Gerätetreiber kein reboot bei Änderungen kein kompletter Systemabsturz bei Fehlverhalten

81 Kernelmodule lsmod Anzeigen geladener Module

82 Kernelmodule lsmod Anzeigen geladener Module modinfo Informationen über ein Modul

83 Kernelmodule lsmod Anzeigen geladener Module modinfo Informationen über ein Modul systool Optionen eines Moduls

84 Kernelmodule lsmod Anzeigen geladener Module modinfo Informationen über ein Modul systool Optionen eines Moduls modprobe Laden/Entladen von Modulen

85 Kernelmodule lsmod Anzeigen geladener Module modinfo Informationen über ein Modul systool Optionen eines Moduls modprobe Laden/Entladen von Modulen /etc/modules-loadd/ default-konfiguration

86 SysV-Init (historisch) serieller Start entsprechend der Runlevel aller Dienste

87 SysV-Init (historisch) serieller Start entsprechend der Runlevel aller Dienste manuelle Konfiguration der Startreihenfolge

88 SysV-Init (historisch) serieller Start entsprechend der Runlevel aller Dienste manuelle Konfiguration der Startreihenfolge alle Dienste laufen im Hintergrund schwierig festzustellen ob ein Prozess noch läuft

89 SysV-Init (historisch) serieller Start entsprechend der Runlevel aller Dienste manuelle Konfiguration der Startreihenfolge alle Dienste laufen im Hintergrund schwierig festzustellen ob ein Prozess noch läuft Runlevel (starre Konfiguration)

90 SysV-Init (historisch) serieller Start entsprechend der Runlevel aller Dienste manuelle Konfiguration der Startreihenfolge alle Dienste laufen im Hintergrund schwierig festzustellen ob ein Prozess noch läuft Runlevel (starre Konfiguration) 0 = poweroff 6 = reboot 3 = multiuser mit netzwerk

91 Openrc vollständig abwärtskompartibel mit SysV-Init

92 Openrc vollständig abwärtskompartibel mit SysV-Init hauptsächliche Verwendung bei Gentooderivaten (aber nicht exclusive)

93 Openrc vollständig abwärtskompartibel mit SysV-Init hauptsächliche Verwendung bei Gentooderivaten (aber nicht exclusive) depscansh baut einen Dependency-tree

94 Openrc vollständig abwärtskompartibel mit SysV-Init hauptsächliche Verwendung bei Gentooderivaten (aber nicht exclusive) depscansh baut einen Dependency-tree weitere Informationen:

95 systemd (System- und Sessionmanger) strickt paralleler Start aller Dienste

96 systemd (System- und Sessionmanger) strickt paralleler Start aller Dienste manuelle Konfiguration der Startreihenfolge entfällt

97 systemd (System- und Sessionmanger) strickt paralleler Start aller Dienste manuelle Konfiguration der Startreihenfolge entfällt Scripte in INI-änlichem Format liegen in /{etc,lib}/systemd/system/

98 systemd (System- und Sessionmanger) strickt paralleler Start aller Dienste manuelle Konfiguration der Startreihenfolge entfällt Scripte in INI-änlichem Format liegen in /{etc,lib}/systemd/system/ Units werden in folgende Typen unterschieden device Legt Gerätedateien an mount Ein- und Aushängen von Dateisystemen automount Automatisches Ein- und Aushängen von Dateisystemen path Startet die Unit via inotify service Für Dienste socket Stellt Verbindungen zwischen Prozessen her target Definiert eine Gruppe von Units timer Für wiederkehrende Aufgaben, ähnlich cron-jobs

99 systemd (System- und Sessionmanger) strickt paralleler Start aller Dienste manuelle Konfiguration der Startreihenfolge entfällt Scripte in INI-änlichem Format liegen in /{etc,lib}/systemd/system/ Units werden in folgende Typen unterschieden device Legt Gerätedateien an mount Ein- und Aushängen von Dateisystemen automount Automatisches Ein- und Aushängen von Dateisystemen path Startet die Unit via inotify service Für Dienste socket Stellt Verbindungen zwischen Prozessen her target Definiert eine Gruppe von Units timer Für wiederkehrende Aufgaben, ähnlich cron-jobs nur service und timer Units sollten vom Benutzer geändert werden

100 Beispiele für Servicefiles [Unit] Description=Foo Documentation=[ Wants= list of dependencys Conflicts= list of units Before=, After= list of units OnFailure= list of units StopWhenUnneeded=[true,false]

101 wichtige Variablen [Service] Type=[simple,forking,oneshot,dbus,notify,idle] ExecStart=/path/to/binary ExecStartPre=, ExecStartPost= ExecReload=, ExecStop=, ExecStopPost= Restart=[no,on-success,on-failure,on-abnormal,on-watchdog,onabort,always] SuccessExitStatus=1 2 8 SIGKILL [Install] WantedBy=multi-usertarget