101.2 Урок 1

Процедури, які виконуються комп’ютерами x86 для запуску завантажувача, відрізняються незалежно від того, використовують вони BIOS чи UEFI. BIOS, скорочення від Basic Input/Output System, — це програма, що зберігається в мікросхемі енергонезалежної пам’яті, приєднаній до материнської плати, і вона виконується щоразу, коли комп’ютер увімкнено. Цей тип програми називається прошивка (firmware) і вона зберігається окремо від інших пристроїв зберігання даних, які може мати система. BIOS припускає, що перші 440 байт у першому запам’ятовуючому пристрої, відповідно до порядку, визначеного в утиліті налаштування BIOS, є місцем зберігання завантажувача (також званого bootstrap). Перші 512 байт запам’ятовуючого пристрою називаються MBR (Master Boot Record) пристроїв зберігання даних за стандартною схемою розділів DOS і, на додаток до першої частини завантажувача, містять таблицю розділів. Якщо MBR не містить правильних даних, система не зможе завантажитися без використання альтернативного методу.

Кроки перед запуском для завантаження системи з BIOS наступні:

UEFI, скорочення від Unified Extensible Firmware Interface, відрізняється від BIOS у деяких ключових моментах. Як і BIOS, UEFI також є мікропрограмою, але вона може ідентифікувати розділи та читати багато файлових систем, знайдених у них. UEFI не покладається на MBR, враховуючи лише налаштування, що зберігаються в його енергонезалежній пам’яті (NVRAM), підключеній до материнської плати. Ці визначення вказують на розташування сумісних з UEFI програм, які називаються EFI застосунками, що будуть виконуватися автоматично або викликатися з меню завантаження. Програми EFI можуть бути завантажувачами, селекторами операційної системи, інструментами для діагностики та відновлення системи тощо. Вони мають бути розташовані на звичайному розділі пристрою зберігання даних і в сумісній файловій системі. Стандартні сумісні файлові системи FAT12, FAT16 і FAT32 для блочних пристроїв і ISO-9660 для оптичних носіїв. Цей підхід дозволяє реалізувати набагато складніші інструменти, ніж ті, які можливі з BIOS.

Розділ, що містить застосунки EFI, називається Системним розділом EFI або просто ESP (EFI System Partition). Цей розділ не можна спільно використовувати з іншими системними файловими системами, такими як коренева файлова система або файлові системи даних користувача. Каталог EFI в розділі ESP містить застосунки, на які вказують записи, збережені в NVRAM.

Попередні етапи завантаження системи перед операційною системою з UEFI наступні:

Стандарт UEFI також підтримує функцію під назвою Безпечне завантаження (Secure Boot), яка дозволяє виконувати лише підписані програми EFI, тобто програми EFI, авторизовані виробником обладнання. Ця функція підвищує захист від шкідливого програмного забезпечення, але може ускладнити встановлення операційних систем, на які не поширюється гарантія виробника.

Найпопулярнішим завантажувачем для Linux в архітектурі x86 є GRUB (Grand Unified Bootloader). Щойно його викликає BIOS або UEFI, GRUB відображає список операційних систем, доступних для завантаження. Іноді список не з’являється автоматично, але його можна викликати, натиснувши Shift, коли BIOS викликає GRUB. У системах UEFI для цього слід використовувати клавішу Esc.

З меню GRUB можна вибрати, яке з встановлених ядер потрібно завантажити, і передати йому нові параметри. Більшість параметрів ядра відповідають шаблону option=value. Деякі з найбільш корисних параметрів ядра:

Зміна параметрів ядра зазвичай не потрібна, але це може бути корисно для виявлення та вирішення проблем, пов’язаних з операційною системою. Параметри ядра необхідно додати до файлу /etc/default/grub у рядку GRUB_CMDLINE_LINUX, щоб зробити їх постійними під час перезавантажень. Новий файл конфігурації для завантажувача має генеруватися щоразу, коли змінюється /etc/default/grub, що виконується командою grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg. Після запуску операційної системи параметри ядра, які використовуються для завантаження поточного сеансу, доступні для читання у файлі /proc/cmdline.

Крім ядра, операційна система залежить від інших компонентів, які забезпечують очікувані функції. Багато з цих компонентів завантажуються під час процесу ініціалізації системи — від простих сценаріїв оболонки до більш складних сервісних програм. Скрипти часто використовуються для виконання короткочасних завдань, які запускаються та завершуються під час ініціалізації системи. Служби, також відомі як демони, можуть бути активними весь час, оскільки вони в цей час відповідають за внутрішні аспекти операційної системи.

Різноманітність способів, за допомогою яких сценарії запуску та демони з різними характеристиками можуть бути вбудовані в дистрибутив Linux, величезна, і цей факт історично перешкоджав розробці єдиного рішення, яке відповідає очікуванням розробників і користувачів усіх дистрибутивів Linux. Однак будь-який інструмент, який розповсюджувачі вибрали для виконання цієї функції, принаймні зможе запускати, зупиняти та перезапускати системні служби. Ці дії часто виконує сама система, наприклад, після оновлення програмного забезпечення, але системному адміністратору майже завжди потрібно буде вручну перезапустити службу після внесення змін до її конфігураційного файлу.

Системному адміністратору також зручно активувати певний набір демонів залежно від обставин. Має бути можливість, наприклад, запустити лише мінімальний набір служб для виконання завдань з обслуговування системи.

Ініціалізація операційної системи починається, коли завантажувач завантажує ядро в оперативну пам’ять. Потім ядро бере на себе відповідальність за ЦП і починає виявляти та налаштовувати основні аспекти операційної системи, такі як базова конфігурація обладнання та адресація пам’яті.

Потім ядро відкриває initramfs (початкова файлова система RAM). Initramfs — це архів, що містить файлову систему, яка використовується як тимчасова коренева файлова система під час процесу завантаження. Основна мета файлу initramfs — надати необхідні модулі, щоб ядро могло отримати доступ до «справжньої» кореневої файлової системи операційної системи.

Щойно буде доступна коренева файлова система, ядро змонтує всі файлові системи, налаштовані в /etc/fstab, а потім виконає першу програму, утиліту з назвою init. Програма init відповідає за виконання всіх сценаріїв ініціалізації та системних демонів. Існують різні реалізації таких системних ініціаторів, крім традиційних, подібних до systemd та Upstart. Після завантаження програми init, initramfs видаляється з RAM.

Під час процесу завантаження можливі помилки, але вони можуть бути не такими критичними, щоб повністю зупинити роботу операційної системи. Незважаючи на це, ці помилки можуть поставити під загрозу очікувану поведінку системи. Усі помилки призводять до повідомлень, які можна використовувати для майбутніх досліджень, оскільки вони містять цінну інформацію про те, коли і як сталася помилка. Навіть якщо повідомлення про помилки не генеруються, інформація, зібрана під час процесу завантаження, може бути корисною для коригування та налаштування.

Простір пам’яті, де ядро зберігає свої повідомлення, включно з повідомленнями про завантаження, називається кільцевим буфером ядра (kernel ring buffer). Повідомлення зберігаються в кільцевому буфері ядра, навіть якщо вони не відображаються під час процесу ініціалізації, наприклад, коли замість цього відображається анімація. Однак кільцевий буфер ядра втрачає всі повідомлення, коли систему вимкнено або виконується команда dmesg --clear. Без параметрів команда dmesg відображає поточні повідомлення в кільцевому буфері ядра:

Виведення dmesg може складатися з сотень рядків, тому перелік вище містить лише уривок, що показує ядро, яке викликає менеджер служби systemd. Значення на початку рядків – це кількість секунд з початку завантаження ядра.

У системах на основі systemd команда journalctl покаже повідомлення про ініціалізацію з параметрами -b, --boot, -k або --dmesg. Команда journalctl --list-boots показує список номерів завантаження відносно поточного завантаження, їх ідентифікаційний хеш та позначки часу першого та останнього відповідних повідомлень:

Попередні журнали ініціалізації також зберігаються в системах на основі systemd, тому повідомлення з попередніх сеансів операційної системи все ще доступні для перевірки. Якщо задано параметри -b 0 або --boot=0, то будуть показані повідомлення для поточного завантаження. Параметри -b -1 або --boot=-1 відображатимуть повідомлення з попередньої ініціалізації. Параметри -b -2 або --boot=-2 відображатимуть повідомлення від ініціалізації до цього часу тощо. Наступна інформація показує, як ядро викликає диспетчер служби systemd для останнього процесу ініціалізації:

Ініціалізація та інші повідомлення, які формує операційна система, зберігаються у файлах у каталозі /var/log/. Якщо сталася критична помилка і операційна система не може продовжити процес ініціалізації після завантаження ядра та initramfs, для запуску системи та доступу до відповідної файлової системи можна використовувати альтернативний завантажувальний носій. Потім у файлах у папці /var/log/ можна буде шукати можливі причини, що спричиняють переривання процесу завантаження. Параметри -D або --directory команди journalctl можна використовувати для читання повідомлень журналу в каталогах, відмінних від /var/log/journal/, який є розташуванням за замовчуванням для повідомлень журналу systemd. Оскільки повідомлення журналу systemd не є текстовими файлами, для їх читання потрібна команда journalctl.