101.2 Lección 1

Los procedimientos ejecutados por las máquinas x86 para ejecutar el gestor de arranque son diferentes si usa BIOS o UEFI. El BIOS, abreviatura de Basic Input/Output System, es un programa almacenado en un chip de memoria no volátil conectado a la placa base, que se ejecuta cada vez que se enciende la computadora. Este tipo de programa se llama firmware y su ubicación de almacenamiento es independiente de los otros dispositivos de almacenamiento que pueda tener el sistema. El BIOS supone que los primeros 440 bytes en el primer dispositivo corresponden a almacenamiento, siguiendo el orden definido en la utilidad de configuración del BIOS, la primera etapa del cargador de arranque (también llamado bootstrap). Los primeros 512 bytes de un dispositivo de almacenamiento se denominan MBR (Master Boot Record), en dispositivos de almacenamiento que utilizan el esquema de partición estándar de DOS y, además de la primera etapa del gestor de arranque, contiene la tabla de particiones. Si el MBR no contiene los datos correctos, el sistema no podrá arrancar, a menos que se emplee un método alternativo.

En términos generales, los pasos previos a la operación para iniciar un sistema equipado con BIOS son:

El UEFI, abreviatura de Unified Extensible Firmware Interface, difiere del BIOS en algunos puntos claves. Como BIOS, el UEFI también es un firmware, pero puede identificar particiones y leer muchos sistemas de archivos que se encuentran en ellas. El UEFI no se basa en el MBR, teniendo en cuenta solo la configuración almacenada en su memoria no volátil (NVRAM) conectada a la placa base. Estas definiciones indican la ubicación de los programas compatibles con UEFI, llamados EFI applications, que se ejecutarán automáticamente o se llamarán desde un menú de arranque. Las aplicaciones EFI pueden ser gestores de arranque, selectores de sistema operativo, herramientas para el diagnóstico y reparación del sistema, etc. Deben estar en una partición de dispositivo de almacenamiento convencional y en un sistema de archivos compatible. Los sistemas de archivos compatibles estándar son FAT12, FAT16 y FAT32 para dispositivos de bloque e ISO-9660 para medios ópticos. Este enfoque permite la implementación de herramientas mucho más sofisticadas que las posibles con BIOS.

La partición que contiene las aplicaciones EFI se llama EFI System Partition o simplemente ESP. Esta partición no debe compartirse con otros sistemas de archivos del sistema, como el sistema de archivos raíz o los sistemas de archivos de datos del usuario. El directorio EFI en la partición ESP contiene las aplicaciones señaladas por las entradas guardadas en la NVRAM.

En términos generales, los pasos de arranque del sistema preoperativo en un sistema con UEFI son:

El estándar UEFI también admite una característica llamada Secure Boot, que solo permite la ejecución de aplicaciones EFI firmadas, es decir, aplicaciones EFI autorizadas por el fabricante del hardware. Esta característica aumenta la protección contra software malicioso, pero puede dificultar la instalación de sistemas operativos no cubiertos por la garantía del fabricante.

El gestor de arranque más popular para Linux en la arquitectura x86 es GRUB (Grand Unified Bootloader). Tan pronto como lo llame el BIOS o el UEFI, GRUB muestra una lista de los sistemas operativos disponibles para arrancar. A veces, la lista no aparece automáticamente, pero se puede invocar presionando Shift mientras el BIOS está llamando a GRUB. En los sistemas UEFI, la tecla Esc debería usarse en su lugar.

Desde el menú GRUB es posible elegir cuál de los núcleos instalados debe cargarse y pasarle los parámetros. La mayoría de los parámetros del núcleo siguen el patrón option=value. Algunos de los parámetros del núcleo de Linux más útiles son:

Por lo general, no es necesario cambiar los parámetros del núcleo de Linux, pero puede ser útil para detectar y resolver problemas relacionados con el sistema operativo. Los parámetros del núcleo del sistema operativo deben agregarse al archivo /etc/default/grub en la línea GRUB_CMDLINE_LINUX para que sean persistentes durante los reinicios. Se debe generar un nuevo archivo de configuración para el gestor de arranque cada vez que /etc/default/grub cambie, lo cual se logra mediante el comando grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg. Una vez que el sistema operativo se está ejecutando, los parámetros del núcleo utilizados para cargar la sesión actual están disponibles en el archivo /proc/cmdline.

Además del núcleo, el sistema operativo depende de otros componentes que proporcionan las características esperadas. Muchos de estos componentes se cargan durante el proceso de inicialización del sistema, que varía desde simples scripts de consola hasta programas de servicio más complejos. Las secuencias de comandos a menudo se utilizan para realizar tareas de corta duración que se ejecutarán y finalizarán durante el proceso de inicialización del sistema. Los servicios, también conocidos como demonios, pueden estar activos todo el tiempo, ya que pueden ser responsables de los aspectos intrínsecos del sistema operativo.

La diversidad de formas en que los scripts de inicio y los demonios con las características más diferentes se pueden integrar en una distribución de Linux es enorme, un hecho que históricamente obstaculizó el desarrollo de una solución única que cumpliera con las expectativas de los mantenedores y usuarios de todas las distribuciones de Linux. Sin embargo, cualquier herramienta que los encargados de la distribución hayan elegido para realizar esta función al menos podrá iniciar, detener y reiniciar los servicios del sistema. El sistema mismo suele realizar estas acciones después de una actualización de software, por ejemplo, pero el administrador del sistema casi siempre necesitará reiniciar manualmente el servicio después de realizar modificaciones en su archivo de configuración.

También es conveniente que un administrador del sistema pueda activar un conjunto particular de demonios, dependiendo de las circunstancias. Debería ser posible, por ejemplo, ejecutar solo un conjunto mínimo de servicios para realizar tareas de mantenimiento del sistema.

La inicialización del sistema operativo comienza cuando el gestor de arranque carga el núcleo en la RAM. Luego, el núcleo se hará cargo de la CPU y comenzará a detectar y configurar los aspectos fundamentales del sistema operativo, como la configuración básica de los dispositivos y el direccionamiento de la memoria.

El núcleo del sistema operativo abrirá el initramfs (initial RAM filesystem). Initramfs es un archivo que contiene un sistema de archivos utilizado como un sistema de archivos raíz temporal durante el proceso de arranque. El objetivo principal de un archivo initramfs es proporcionar los módulos necesarios para que el núcleo pueda acceder al sistema de archivos raíz "real" del sistema operativo.

Tan pronto como el sistema de archivos raíz esté disponible, el núcleo montará todos los sistemas de archivos configurados en /etc/fstab y luego ejecutará el primer programa, una utilidad llamada init. El programa init es responsable de ejecutar todos los scripts de inicialización y demonios del sistema. Existen implementaciones distintas de tales iniciadores de sistemas aparte del init tradicional, como systemd y Upstart. Una vez que se carga el programa init, initramfs se elimina de la RAM.

Pueden ocurrir errores durante el proceso de arranque, pero pueden no ser tan críticos para detener completamente el sistema operativo. No obstante, estos errores pueden comprometer el comportamiento esperado del sistema. Todos los errores dan como resultado mensajes que pueden usarse para futuras investigaciones, ya que contienen información valiosa sobre cuándo y cómo ocurrió el error. Incluso cuando no se generan mensajes de error, la información recopilada durante el proceso de arranque puede ser útil para fines de ajuste y configuración.

El espacio de memoria donde el kernel almacena sus mensajes, incluidos los mensajes de arranque, se llama kernel ring buffer. Los mensajes se guardan en el búfer del anillo del núcleo incluso cuando no se muestran durante el proceso de inicialización, como cuando se muestra una animación en su lugar. Sin embargo, el buffer del anillo del núcleo pierde todos los mensajes cuando el sistema está apagado o al ejecutar el comando dmesg --clear. Sin opciones, el comando dmesg muestra los mensajes actuales en el búfer del núcleo:

La salida de dmesg puede tener cientos de líneas, por lo que la lista anterior contiene solo el extracto que muestra el núcleo que llama al administrador del servicio systemd. Los valores al comienzo de las líneas son la cantidad de segundos relativos al inicio de la carga del núcleo.

En sistemas basados en systemd, el comando journalctl mostrará los mensajes de inicialización con las opciones -b, --boot,-k o --dmesg. El comando journalctl --list-boots muestra una lista de números de arranque relativos al arranque actual, su hash de identificación y las marcas de tiempo del primer y último mensaje correspondientes:

Los registros de inicialización anteriores también se mantienen en sistemas basados en systemd, por lo que los mensajes de sesiones anteriores del sistema operativo aún se pueden inspeccionar. Si se proporcionan las opciones -b 0 o --boot=0, se mostrarán los mensajes para el arranque actual. Las opciones -b -1 o --boot=-1 mostrarán mensajes de la inicialización anterior. Las opciones -b -2 o --boot=-2 mostrarán los mensajes de la inicialización antes de eso y así sucesivamente. El siguiente extracto muestra el llamado del sistema operativo al administrador del servicio systemd para el último proceso de inicialización:

La inicialización y otros mensajes emitidos por el sistema operativo se almacenan en archivos dentro del directorio /var/log/. Si ocurre un error crítico y el sistema operativo no puede continuar el proceso de inicialización después de cargar el kernel y el initramfs, se podría usar un medio de arranque alternativo para iniciar el sistema y acceder al sistema de archivos correspondiente. Luego, los archivos almacendos en /var/log/ pueden buscarse por posibles razones que causan la interrupción del proceso de arranque. Las opciones -D o --directory del comando journalctl se pueden usar para leer mensajes de registro en directorios que no sean /var/log/journal/, que es la ubicación predeterminada para los mensajes de registro de systemd. Como los mensajes de registro de systemd se almacenan en texto sin formato, se requiere el comando journalctl para leerlos.