101.2 Leçon 1

Les procédures exécutées par les machines x86 pour lancer le chargeur de démarrage diffèrent en fonction de l’utilisation du BIOS ou de l’UEFI. Le BIOS, abréviation de Basic Input/Output System, est un programme stocké dans une puce de mémoire non volatile attachée à la carte mère, exécuté à chaque fois que l’ordinateur est mis sous tension. Ce type de programme est appelé firmware et son emplacement de stockage est distinct des autres périphériques de stockage que le système peut avoir. Le BIOS part du principe que les 440 premiers octets du premier périphérique de stockage — suivant l’ordre défini dans l’interface de configuration du BIOS — constituent la première phase du chargeur de démarrage (également appelée bootstrap ou amorçage). Les 512 premiers octets d’un périphérique de stockage sont appelés le MBR (Master Boot Record) pour les périphériques de stockage qui utilisent le schéma de partition DOS standard et, en plus de la première phase du chargeur de démarrage, contiennent la table de partitions. Si le MBR ne contient pas de données correctes, le système ne pourra pas démarrer, à moins qu’une méthode alternative ne soit utilisée.

D’une manière générale, les étapes préopératoires pour amorcer un système équipé d’un BIOS sont les suivantes :

L’UEFI, abréviation de Unified Extensible Firmware Interface, se distingue du BIOS sur plusieurs points essentiels. Tout comme le BIOS, l’UEFI est également un micrologiciel, mais il est capable d’identifier des partitions et de lire un grand nombre de systèmes de fichiers qui s’y trouvent. L’UEFI ne s’appuie pas sur le MBR et ne prend en compte que les seuls paramètres stockés dans sa mémoire non volatile (NVRAM) attachée à la carte mère. Ces définitions indiquent l’emplacement des programmes compatibles UEFI, appelés applications EFI, qui seront exécutés automatiquement ou invoqués à partir d’un menu de démarrage. Les applications EFI peuvent être des chargeurs d’amorçage, des sélecteurs de systèmes d’exploitation, des outils de diagnostic et de réparation système, etc. Ils doivent figurer dans une partition classique de périphérique de stockage et dans un système de fichiers compatible. Les systèmes de fichiers standard compatibles sont le FAT12, le FAT16 et le FAT32 pour les dispositifs en bloc et l’ISO-9660 pour les supports optiques. Cette approche permet le déploiement d’outils beaucoup plus sophistiqués que ceux qui sont possibles avec le BIOS.

La partition qui contient les applications EFI est appelée EFI System Partition ou simplement ESP. Cette partition ne doit en aucun cas être partagée avec d’autres systèmes de fichiers du système comme le système de fichiers racine ou les systèmes de fichiers contenant les données des utilisateurs. Le répertoire EFI dans la partition ESP contient les applications référencées par les entrées enregistrées dans la NVRAM.

D’une manière générale, les étapes préopératoires pour amorcer un système avec UEFI sont les suivantes :

La norme UEFI comprend également une option appelée Secure Boot, qui autorise uniquement l’exécution des applications EFI signées, c’est-à-dire des applications EFI autorisées par le fabricant du matériel. Cette fonctionnalité renforce la protection contre les malwares, mais peut entraver l’installation de systèmes d’exploitation non couverts par la garantie du fabricant.

Le chargeur de démarrage le plus populaire pour Linux dans l’architecture x86 est GRUB (Grand Unified Bootloader). Dès qu’il est appelé par le BIOS ou par l’UEFI, GRUB affiche une liste de systèmes d’exploitation disponibles au démarrage. Il peut arriver que la liste n’apparaisse pas automatiquement, mais elle peut être invoquée en appuyant sur Maj pendant que GRUB est appelé par le BIOS. Avec les systèmes UEFI, la touche Échap doit être utilisée à la place.

Depuis le menu GRUB, il est possible de choisir lequel des noyaux installés doit être chargé ainsi que de transmettre de nouveaux paramètres à celui-ci. La plupart des paramètres du noyau suivent le schéma option=valeur. Voici quelques-uns des paramètres les plus pertinents du noyau :

La modification des paramètres du noyau n’est pas nécessaire en général, mais elle peut s’avérer utile pour détecter et résoudre les problèmes liés au système d’exploitation. Les paramètres du noyau doivent être ajoutés au fichier /etc/default/grub à la ligne GRUB_CMDLINE_LINUX pour les rendre persistants après chaque redémarrage. Un nouveau fichier de configuration pour le chargeur d’amorçage doit être généré à chaque fois que /etc/default/grub change, ce qui est effectué par la commande grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg. Une fois que le système d’exploitation tourne, les paramètres du noyau utilisés pour le chargement de la session en cours sont disponibles en lecture dans le fichier /proc/cmdline.

En dehors du noyau, le système d’exploitation dépend d’autres composants qui fournissent les fonctionnalités voulues. Un grand nombre de ces composants sont chargés au cours du processus d’initialisation du système et vont du simple script shell au programme de service plus complexe. Les scripts sont souvent utilisés pour effectuer des tâches éphémères qui s’exécutent et se terminent pendant le processus d’initialisation du système. Les services, également connus sous le nom de démons, sont susceptibles d’être actifs en permanence car ils peuvent être responsables des aspects intrinsèques du système d’exploitation.

La variété des procédés permettant d’intégrer dans une distribution Linux des scripts de démarrage et des démons présentant les caractéristiques les plus diverses est énorme, ce qui a historiquement entravé le développement d’une solution unique répondant aux attentes des mainteneurs et des utilisateurs de toutes les distributions Linux. Ceci étant dit, n’importe quel outil choisi par les mainteneurs des distributions pour remplir cette fonction sera au moins capable de démarrer, d’arrêter et de redémarrer les services du système. Ces actions sont souvent effectuées par le système lui-même après une mise à jour logicielle, par exemple, mais l’administrateur du système devra presque toujours redémarrer manuellement le service après avoir apporté des modifications à son fichier de configuration.

Il est également pratique pour un administrateur système de pouvoir activer un ensemble particulier de démons en fonction du contexte. Il devrait être possible, par exemple, de ne faire tourner que le strict minimum de services pour effectuer des tâches de maintenance du système.

L’initialisation du système d’exploitation commence lorsque le chargeur de démarrage charge le noyau dans la RAM. Ensuite, le noyau prend en charge le CPU et commence à détecter et à configurer les aspects fondamentaux du système d’exploitation comme la configuration matérielle de base et l’adressage de la mémoire.

Le noyau ouvre alors le disque mémoire initial (initial RAM filesystem ou initramfs). L’initramfs est une archive qui contient un système de fichiers utilisé comme système de fichiers racine temporaire lors du processus de démarrage. Le rôle principal d’un fichier initramfs est de fournir les modules nécessaires pour que le noyau puisse accéder au "vrai" système de fichiers racine du système d’exploitation.

Dès que le système de fichiers racine est disponible, le noyau monte tous les systèmes de fichiers configurés dans /etc/fstab et exécute ensuite le premier programme, un utilitaire nommé init. Le programme init est responsable de l’exécution de tous les scripts d’initialisation et des démons du système. Il existe des implémentations distinctes de ces initialiseurs de système en dehors de l’init traditionnel, comme systemd et Upstart. Une fois que le programme init est chargé, l’initramfs est retiré de la RAM.

Il peut y avoir des erreurs au cours du processus de démarrage, mais elles ne sont pas forcément critiques au point de provoquer l’arrêt complet du système d’exploitation. Néanmoins, ces erreurs peuvent compromettre le comportement attendu du système. Toutes les erreurs génèrent des messages qui peuvent être utilisés pour de futures investigations, car ils contiennent des informations précieuses sur le moment et la manière dont l’erreur s’est produite. Même lorsqu’aucun message d’erreur n’est généré, les informations recueillies pendant le processus de démarrage peuvent être utiles à des fins de réglage et de configuration.

L’espace mémoire où le noyau stocke ses messages, y compris les messages de démarrage, est appelé le tampon circulaire du noyau (kernel ring buffer). Les messages sont conservés dans le tampon circulaire même lorsqu’ils ne sont pas affichés pendant le processus d’initialisation, comme lorsqu’une animation est affichée à la place. Cependant, le tampon circulaire du noyau perd tous les messages lorsque le système est éteint ou lorsque la commande dmesg --clear est exécutée. Invoquée sans options, la commande dmesg affiche les messages actuels dans le tampon circulaire du noyau :

La sortie de dmesg peut compter des centaines de lignes, et le listing ci-dessus ne contient donc que l’extrait qui montre le noyau en train d’appeler le gestionnaire de services systemd. Les valeurs au début de chaque ligne correspondent au nombre de secondes par rapport à l’instant où le noyau a commencé à être chargé.

Dans les systèmes basés sur systemd, la commande journalctl affichera les messages d’initialisation avec les options -b, --boot, -k ou --dmesg. La commande journalctl --list-boots affiche une liste de numéros de démarrage relatifs au démarrage en cours, leur empreinte d’identification et l’horodatage du premier et du dernier message correspondant :

Les journaux d’initialisation précédents sont également conservés dans les systèmes basés sur systemd, de sorte que les messages des sessions précédentes du système d’exploitation peuvent toujours être inspectés. Si les options -b 0 ou --boot=0 sont fournies, alors les messages pour le démarrage en cours seront affichés. Les options -b -1 ou --boot=-1 afficheront les messages de la précédente initialisation. Les options -b -2 ou --boot=-2 montreront les messages de l’avant-dernière initialisation, et ainsi de suite. L’extrait suivant montre le noyau en train d’appeler le gestionnaire de services systemd pour le dernier processus d’initialisation :

Les messages d’initialisation ainsi que les autres messages émis par le système d’exploitation sont stockés dans des fichiers à l’intérieur du répertoire /var/log/. Si une erreur critique se produit et que le système d’exploitation est incapable de poursuivre le processus d’initialisation après le chargement du noyau et de l’initramfs, un support de démarrage alternatif pourrait être utilisé pour démarrer le système et accéder au système de fichiers correspondant. Ensuite, les fichiers en dessous de /var/log/ peuvent être examinés pour déterminer les raisons possibles de l’interruption du processus de démarrage. Les options -D ou --directory de la commande journalctl peuvent être utilisées pour lire les logs dans des répertoires autres que /var/log/journal/, qui est l’emplacement par défaut des messages de journalisation de systemd. Étant donné que les messages du journal de systemd ne sont pas stockés au format texte brut, la commande journalctl est indispensable pour les lire.