万字详文干货：从无盘启动volumio看Linux启动原理

作者：bobyzhang，腾讯 IEG 运营开发工程师

0. 故事的开始

0.1 为什么和做什么

最近家里买了对音响，我需要一个数字播放器。一凡研究后我看上了 volumio（https://volumio.org/）这是一个基于 Debian 二次开发的 HIFI 播放器系统，可以运行下 x86 和树莓派上。

我打算让 volumio 运行在我 2009 年购买的老爷机笔记本上，也让它发挥一点余温热。正常操作是将 volumio 的系统镜像刷到 U 盘上，连接电脑后使用 U 盘启动系统即可。但是家里没有找到合适的 U 盘（穷~~），加上前段时间听了同事关于 linux 内核的分享，感慨自己对系统的理解不够。因此我决定使用无盘启动 volumio 顺便研究一下 linux 启动原理。

目标：无盘启动 volumio 系统

0.2 方案

正常 Linux 启动流程大体如下：

由于我需要从网络启动，过程会变得复杂一些，主要变化如下

0.3 准备工作

无盘启动并不是说完全没有磁盘，只是客户端本身没有磁盘，我们需要在远端给机器提供一种文件存储和磁盘共享的方案。我这里选择的是 iscsi 共享，相比于 NFS 和 samba 共享，它更底层，对系统的兼容性更好。

iSCSI 利用了 TCP/IP 作为沟通的渠道。透过两部计算机之间利用 iSCSI 的协议来交换 SCSI 命令，让计算机可以透过高速的局域网集线来把 SAN 模拟成为本地的储存设备。

关于 iscsi 的配置不是本文重点，这里就不详细描述了，要完成 iscsi 磁盘的挂载需要接信息。

iscsi 服务器地址：我这里是 nas 服务的地址 192.168.3.5

target 名称：这个是服务端用来区分目标的，通常一个 target 服务一个客户端，并关联一块共享存储，例如：iqn.2005-10.org.freenas.ctl:yong-pc.volumio

initiator 名称：这个是客户端名称，用来告诉服务端谁来请求了。

1 BIOS 和 UEFI

准备工作做完，我们先来了解一下计算机的启动原理，这里就要说到 BIOS 和 UEFI，他们是计算机按下电源后最先被执行的程序。

1.1 BIOS (Basic Input/Output System)

上个世纪 70 年代初，"只读内存"（read-only memory，缩写为 ROM）发明，开机程序被刷入 ROM 芯片，计算机通电后，第一件事就是读取它。这块芯片里的程序叫做"基本输入输出系统"（Basic Input/Output System），简称为 BIOS。

BIOS 程序首先检查，计算机硬件能否满足运行的基本条件，这叫做"硬件自检"（Power-On Self-Test），缩写为 POST。硬件自检完成后，BIOS 把控制权转交给下一阶段的启动程序。

这时，BIOS 需要知道，"下一阶段的启动程序"具体存放在哪一个设备。也就是说，BIOS 需要有一个外部储存设备的排序，排在前面的设备就是优先转交控制权的设备。这种排序叫做"启动顺序"（Boot Sequence）。

1.2 UEFI (Unified Extensible Firmware Interface)

不知道大家是否发现，这些年已经很难看到 BIOS 的身影了。

ROM 的存储能力有限，BIOS 能驱动的硬件类型和数量大大受限。导致大量新硬件无法在 PC 启动时被加载。最明显就是你无法在 BIOS 时使用鼠标。此外 BIOS 的代码历史悠久难以维护。

在 2005 年年中时候，包括 BIOS 供应商、OS 供应商、系统制造商以及芯片生产公司在内的行业参与者统一建立了统一的 EFI 联盟（UEFI，Unified Extensible Firmware Interface）并在 2006 年一月发行了 UEFI 规范 2.0。

从此你可以愉快地在 PC 启动初期使用鼠标，甚至像苹果一样加载网络，实现联网下载并安装操作系统。

UEFI 的启动流程和 BIOS 的启动流程不同，由于我 2009 年购买的老爷机还是 BIOS 结构，这里不详细展开，简单提一下。

2. PXE

回到我的 BIOS 老爷机，上电自检完成后 BIOS 按照设置的启动顺序应该交棒磁盘，但是但是但是这个机器没有硬盘，也没有插入 U 盘，找不到任何启动设备的 BIOS 将控制权交给了网卡，BIOS 光荣退场进入了 PXE 阶段。

预启动执行环境（Preboot eXecution Environment，PXE，也被称为预执行环境) 提供了一种使用网络接口启动计算机的机制。这种机制让计算机的启动可以不依赖本地数据存储设备（如硬盘）或本地已安装的操作系统。

2.1 PXE 原理

我用的是这种方案

2.2 iPXE

上面说到了启动文件，普通的 pxe 启动文件功能有限，通常只能从 tftp 服务器上获取文件，不支持 HTTP 协议和其他共享协议，更别说我们要支持的 iscsi 磁盘挂载了。这里推荐一个高端开源 pxe 启动文件：iPXE（https://ipxe.org/）。它支持从 HTTP、iscsi SAN、 Fibre Channel SAN、AoE SAN 等多种方式启动，甚至还支持无线网卡。此外它还可以定制一个启动脚本和菜单。

iPXE 需要根据自己硬件对应的平台进行编译，编译前需要搞清楚几个要点：

注意：如果使用 64 位固件需要保证后续所有环节使用兼容 64 位的软件，我就遇到了 SysLinux 不支持 64 位，导致卡死的问题。

使用如下命令编译（更多细节见：https://ipxe.org/appnote/buildtargets）：

git clone git://git.ipxe.org/ipxe.git

make [platform]/[driver].[extension]

Platform 支持如下：按照上面说的启动方式、平台、CPU 情况选择。

Driver：主要选择支持的网卡驱动类型，一般选 ipxe（表示所有支持的网卡，但可能导致生成的启动文件过大，如果过大可以酌情选其它）

Boot type：和启动方式、启动介质有关，参考下表：

编译时添加 EMBED={脚本名称} 可以关联一个启动脚本。推荐一个大佬做好的脚本 http://boot.netboot.xyz/menu.ipxe 可以直接使用。

我最终命令如下：

git clone git://git.ipxe.org/ipxe.git

cd ./ipxe/src

wget http://boot.netboot.xyz/menu.ipxe

make bin-i386-pcbios/ipxe.pxe EMBED=menu.ipxe

完成之后在/data/ipxe/src/bin-i386-pcbios/ipxe.pxe 可以拿到最终的启动文件。

2.3 DHCP、TFTP 配置

如何配置 DHCP 和 TFTP 服务器不是本文重点，如果需要命令行方式配置可以参考这篇文章的前半部分https://blog.51cto.com/dyc2005/2068188

如今大部分高端路由器或开源路由器固件都内置了 DHCP 和 TFTP 配置功能。我家的 LEDE 路由器配置界面如下。

是在路由器上的路径，可以放在 u 盘挂上去，也可以直接放在路由器存储的目录

拷贝之前编译好的 ipxe.pxe 和 menu.ipxe 文件到/www/pxe/目录下，并设置网络启动镜像为：ipxe.pxe

配置正确，启动后就可以看到如下选择界面了：

3. 分区：MBR 和 GPT

ipxe 完成使命后，正式交棒给磁盘，如果你是硬盘启动，可以直接跳过第 2 部分，直接到这一步。这一阶段系统需要从磁盘上找到启动文件并加载。在说如何找到启动文件前，先要说说硬盘是如何划分区块的，主要有两大方式 MBR 和 GPT。我们先来聊一下机械硬盘的工作原理。

机械硬盘由坚硬金属材料制成的涂以磁性介质的盘片，盘片两面称为盘面或扇面。

假设磁头不动，硬盘旋转，那么磁头就会在磁盘表面画出一个圆形轨迹并将之磁化，数据就保存在这些磁化区中，称之为磁道，将每个磁道分段，一个弧段就是一个扇区。一个硬盘可以包含多个扇面，扇面同轴重叠放置，每个盘面磁道数相同，具有相同周长的磁道所形成的圆柱称之为柱面，柱面数与磁道数相等。如下图：

最初的寻址方式称为 CHS，所谓 CHS 即柱面（cylinder），磁头（header），扇区（sector），通过这三个变量描述磁盘地址。

3.1 MBR

说了这么多还是没说明白到底计算机怎么从磁盘上找到引导程序。答案是:它被固定写死在了 0 柱面，0 磁头，1 扇区的位置通常是 512byte，这个位置被称为主扇区（Master Boot Record， MBR）。

MBR 主要包含如下数据：

Bootloader：这部分记录了一段较小引导代码，用于去启动硬盘其他分区位置上更大的引导文件，例如 linux 操作系统的 grub 目录。

我们知道一个硬盘的每个分区的第一个扇区叫做 boot sector，这个扇区存放的就是操作系统的 loader。如上图，第一个分区的 boot sector 存放着 windows 的 loader，第二个分区放着 Linux 的 loader，第三个第四个由于没有安装操作系统所以空着。至于 MBR 的 bootloader 是干嘛呢， bootloader 有三个功能：

Disk Partition table:这一部分 64 字节大小被均分为 4 份，每份大小 16 字节，每当我们在硬盘上创建出一个新的主分区或者扩展分区时，便会占用 1 个 16 字节的大小用于记录这个分区的相关信息（例如起始和截止柱面位置、分区文件系统类型等等）。这就是为什么 mbr 分区模式最多只能有 4 个主分区的原因。

MBR 的局限：

如今我家的硬盘都 4T 了，MBR 早就不能满足需求了。你也不能怪 MBR，毕竟人家 1983 年就提出了，比我的年纪还大。

3.2 GPT

为了解决 MBR 的问题，GPT 分区诞生，GPT 全称 Globally Unique Identifier Partition Table，也叫 GUID 分区表，它是 UEFI 规范的一部分（但这并不是说它只支持 UEFI，它也支持 BIOS 方式的引导）。

GPT 分区结构如下：

3.3 Bootloader 写入

使用 dd 命令结合 hexdump 可以输出 MBR 信息

dd if=~/Desktop/volumio-2.799-2020-07-16-x86.img ibs=512 count=1 | hexdump -C

同样的使用 dd 命令可以拷贝 MBR 信息从 img 文件到物理磁盘。（之前我是分分区写入到磁盘的，导致 MBR 信息丢失无法引导）

dd if=~/Desktop/volumio-2.799-2020-07-16-x86.img ibs=512 count=1 of=/dev/sda

也可以使用下载的 syslinux 中的 mbr.bin 写入

dd bs=440 count=1 conv=notrunc if=/usr/lib/syslinux/bios/mbr.bin of=/dev/sda //MBR分区表

dd bs=440 count=1 conv=notrunc if=/usr/lib/syslinux/bios/gptmbr.bin of=/dev/sda //GPT分区表

4. 引导加载程序：Syslinux 和 GRUB

前文说到 MBR 的 bootloader 主要功能是交棒内核，但是 bootloader 不会直接拉起 linux 内核，400K 太小，它没有能力将 linux 内核直接加载到内存。这时需要引导加载程序登场，它的主要目的就是将系统内核镜像和 initrd 镜像加载到内存并将控制权交给它们。目前常用的有两种 Syslinux 和 GRUB：

对于普通用户来说他们有什么用呢？它可以提供选单选择 Linux 内核版本，此外加载程序使得我们可以向 Linux 内核传递参数。这点很重要，在我的案例中 volumio 就是通过 Syslinux 向内核传递启动参数的。

Syslinux 已经不支持 bios64 位系统了，目前使用 GRUB2 的比较多。由于 volumio 使用的是 Syslinux 我没有对 GRUB 展开研究。

下图是 volumio 的默认 syslinux 配置。

LINUX 命令

INITRD 命令

APPEND 命令

这里指定了 imgpart，bootpart 的 uuid 用于挂载分区，imgfile 名字用于确定当前真实 root 分区的文件名，还有 loglvevel、USE_KMSG 等参数。

5. 内核：vmlinuz 和 initrd

引导加载程序交棒之后系统进入内核引导阶段。这一步会在内存中运行系统内核和根文件系统。之后根目录下的 init shell 会被调用执行，完成进一步的初始化操作。

5.1 vmlinuz 和 initrd

vmlinuz 是可引导的、压缩的内核。“vm”代表“Virtual Memory”。Linux 能够使用硬盘空间作为虚拟内存，因此得名“vm”。vmlinuz 是可执行的 Linux 内核。

initrd 是“initial ramdisk”的简写。initrd 一般被用来临时的引导硬件到实际内核 vmlinuz 能够接管并继续引导的状态。initrd 字面上的意思就是"boot loader initialized RAM disk"，换言之，这是一块特殊的 RAM disk，在载入 Linux kernel 前，由 boot loader 予以初始化，启动过程会优先执行 initrd 的 init 程序，initrd 完成阶段性目标后，kernel 会挂载真正的 root file system ，并执行/sbin/init 程序。

采用这种分离的方式，使得我们有机会在内核引导阶段做一些我们自己的事情。简单读了 volumio.initrd 中的 init shell 发现它至少做了几件事情：

5.2 initrd 编辑

由于 linux 内核启动后，之前 ipxe 对应的环境已经退出，因此之前挂载的 iscsi 磁盘也无法访问，需要在 initrd 的 init shell 中重新挂载 iscsi 磁盘。因此我需要在上文的 4 步骤之前挂载 iscsi 磁盘，修改如下：

可以使用如下方式编辑已经生成好的 initrd 文件。

mount -o loop,offset=1048576 ./wrt/Build/Volumio2.799-2020-09-29-x86.img ./vboot/ //挂载img镜像的boot分区到目录

cp ../vboot/volumio.initrd volumio.initrd.gz //拷贝initrd文件，重命名一下

gunzip ./volumio.initrd.gz //解压gz文件

cpio -ivmd < volumio.initrd //展开initrd文件，在当前目录就可以看到整个rom disk的内容了

vim init //编辑init shell

find . | cpio -c -o > ../volumio.initrd.img //重新打包成新的initrd

gzip volumio.initrd.img

mv volumio.initrd.img.gz volumio.initrd

还有另外一种方案，由于 volumio 是开源项目，编译 volumio 的脚本在 github 开源。我可以编辑编译脚本，直接修改 init 之后编译成新的 initrd 文件。

git clone https://github.com/volumio/Build.git

ls -la scripts/initramfs/init-x86

ls -la scripts/x86config.sh

首先处理 x86config.sh 脚本，我们需要在 initrd 中添加 iscsi 客户端下图中：193-195 行安装 iscsi 客户端 231-232 行向 initrd 中添加 iscsi 模块

之后处理 init-x86，在 118 行左右的位置，脚本读取了配置在/proc/cmdline 中的根目录 uuid 并在之后挂载磁盘。这里的 cmdline 就是之前说到的在 syslinux 阶段向内核传递的参数。所以我们要在挂载磁盘前加载网卡驱动、启动网络、启动 iscsi 客户端、挂载 iscsi 磁盘。

修改如下图：

这里要说一下 ibft 这是一种将 iscsi 配置信息传递到系统的方式，我们在 iPxe 阶段已经配置网络信息、iscsi 服务器地址、iscsi target 等信息了，这里可以使用 ibft 直接读取并使用。当然你也可以在这里再次手动启用 DHCP，手动初始化 iscsi 客户端。

修改完成后，iscsi 磁盘就可以像正常本地磁盘一样被挂载，之后的操作就和正常硬盘安装一样了，正常启动进入 volumio 系统。

6. init 进程

内核引导阶段完成以后，系统会挂载真实的 root 分区，执行/sbin/init 程序初始化系统环境。这一阶段已经和是否网络启动没有关系了，不过启动原理都研究到现在了就顺便一起看一下吧。

/sbin/init 会首先确定运行级别，这个配置在/etc/inittab 中，一般 Linux 有 7 种运行级别（0-6）。一般来说，0 是关机，1 是单用户模式（也就是维护模式），6 是重启。运行级别 2-5，各个发行版不太一样，对于 Debian 来说，都是同样的多用户模式（也就是正常模式）。确定运行级别后会访问/etc/rcN.d（这里的 N 就是运行级别）。

这里的文件都采用“字母 S 或 K+两位数字+程序名”的命名方式。其中 S 开头的表示在这个级别需要执行 start 命令，K 开头需要执行 Stop 命令，数字越小越优先执行。系统会依次执行相应的软件和服务，负责用户界面的程序也被启动你就有了 X11 界面，然后是 SSH 服务你就可以使用 ssh 登录。这样系统就完成了启动。

当然啦现在这种方式已经过时了，目前基本使用 systemd 方式用 systemctl 命令管理。篇幅已经很长了，这块有兴趣的同学自己搜索一下。

7. 尾巴

7.1 其他遇到的问题

syslinux 卡死这个问题前面说到了，挂载 iscsi 磁盘后 ipxe 交棒磁盘引导，但是就卡死了。

经过很多的 google 和尝试之后最终发现，我使用了 64 位的 iPxe 引导固件，但是 syslinux 只有 32 位版本导致卡死，更换了 32 位的 iPxe 固件后解决。

可以启动无法关闭这个问题困扰了我很久，系统可以正常启动，但是在关机或者重启时会死机，按键没有任何反应但是系统应该还是活的（大小写灯正常切换）只能强制关机退出。经过排查原因可能是：关机时网络服务会关闭导致网卡关闭，进而导致 iscsi 网盘断开。但是此时系统根分区还没有 umount 导致系统无响应。

我禁用了网络服务的关机关闭，把 K06networking 从 rc0.d 目录中去掉就好了。

Airplay 服务无法找到Volumio 自带 shairport-sync 服务，手机可以通过 airplay 链接 volumio 系统播放音乐，但是在我折腾完以后发现怎么也搜不到。经过排查 shairport-sync 使用 mDns 发布组播告诉局域网内的所有设备自己的地址，使用的是 avahi-daemon 程序。排查日志发现它启动时没有识别到网卡。我猜原因应该是我们的网卡是在内核引导阶段自己拉起的，并不是进入系统后由 networking 服务拉起的，所以 avahi-daemon 无法查找到它对应的 ip。

我没有找到很好的解决方案，还好老爷机还有一块无线网卡，最后使用了无线网卡绑定 shairport-sync 服务。

7.2 最终效果

7.3 总结

总结：为了省掉一块 U 盘，我开始折腾 iscsi 无盘启动没想到这一折腾就是好久，前后研究了好多资料好好的学习了一下 linux 的启动原理。

实际过程并没有文中展现的那么顺利，很多研究的弯路没有在文中一一展现出来。在不同的节点也有很多方案可以选择，比如：iPxe 本可以直接 http 下载 vmlinuz 和 initrd 引导，这样就可以省去 MBR 和 syslinux 引导。但是后来想想都研究了还是整理给大家。再比如 initrd 中 iscsi 客户端的启动和初始化有很多种方式，一开始我都手动初始化网卡，设置 dhcp 和 ip 路由。最后还是觉得太麻烦发现 ibft 的方案最简单，果断选择了它。

水平有限如果发现那里总结的不对欢迎指正。

你都看到这了点个赞再走吧~ 对了前几天 99 公益日同事 10 块钱买了块 U 盘好像挺香的~

参考文献

iSCSI/Boot