Capítulo 3. A inicialização do sistema

Índice

3.1. Uma visão geral do processo de arranque
3.1.1. Estágio 1: a BIOS
3.1.2. Estágio 2: o gestor de arranque
3.1.3. Estágio 3: o mini-sistema Debian
3.1.4. Estágio 4: o sistema Debian normal
3.2. Systemd init
3.2.1. O nome da máquina
3.2.2. O sistema de ficheiros
3.2.3. Inicialização da interface de rede
3.2.4. A mensagem do kernel
3.2.5. A mensagem do sistema
3.2.6. System management under systemd
3.2.7. Customizing systemd
3.3. O sistema udev
3.3.1. A inicialização de módulos do kernel

É inteligente para si como o administrador do sistema ter uma ideia como o sistema Debian é arranca e é configurado. Apesar dos detalhes exactos estarem nos ficheiros de código-fonte dos pacotes instalados e nas suas documentações, é um pouco exagerado para a maioria de nós.

Eu fiz o meu melhor para disponibilizar uma visão geral breve dos pontos chave do sistema Debian a da sua configuração para sua referência, baseando-me em conhecimentos actuais e anteriores meus e de outros. Como o sistema Debian é um alvo em movimento, a situação sobre o sistema pode ter mudado. Antes da fazer quaisquer alterações ao sistema, você deve consultar a documentação mais recente de cada pacote.

[Dica] Dica

bootup(7) describes the system bootup process based on systemd . (Recent Debian)

[Dica] Dica

boot(7) describes the system bootup process based on UNIX System V Release 4. (Older Debian)

O sistema do computador passa por várias fases de processos de arranque desde o ligar da energia até que oferece, ao utilizador, o sistema operativo (SO) totalmente funcional.

Para simplicidade, eu limito a discussão à plataforma PC típico com a instalação por omissão.

O processo típico de arranque é como um foguete de quatro etapas. Cada etapa do foguete entrega o controle do sistema à próxima etapa.

É claro que, estes podem ser configurados de modo diferente. Por exemplo, se você compilou o seu próprio kernel, você pode estar a saltar o passo com o mini sistema Debian. Portanto por favor não assuma que é este o caso para o seu sistema até que o verifique por si próprio.

[Nota] Nota

Para uma plataforma de PC não-legacy como o sistema SUN ou o Macintosh, a BIOS em ROM e o particionamento do disco podem ser bastante diferentes (Secção 9.5.2, “Configuração das partições do disco”). Por favor procure noutro lado a documentação específica da plataforma para tais casos.

A BIOS é o 1ª etapa do processo de arranque que é iniciado com o evento de ligar a energia. A BIOS que reside na read only memory (ROM) é executada a partir de um endereço de memória particular no qual o contador de programa da CPU é inicializado pelo evento de ligar a energia.

Esta BIOS executa a inicialização básica do hardware (POST: power on self test) e entrega o controle do sistema ao próximo passo que você disponibiliza. A BIOS é normalmente disponibilizada com o hardware.

O ecrã de arranque da BIOS geralmente indica que tecla(s) pressionar para entrar no ecrã de configuração da BIOS para configurar o comportamento da BIOS. As teclas populares são F1, F2, F10, Esc, Ins, e Del. Se o seu ecrã de arranque da BIOS está escondido por um vistoso ecrã gráfico, você pode pressionar algumas teclas como a Esc para o desactivar. Estas teclas dependem fortemente do hardware.

A localização do hardware e prioridade do código iniciado pela BIOS pode ser seleccionado no ecrã de configuração da BIOS. Tipicamente, os primeiros poucos sectores do primeiro dispositivo seleccionado encontrado (disco rígido, disquete, CD-ROM, ...) são carregados para a memória e este código inicial é executado. Este código inicial pode ser um dos seguintes:

  • O código do gestor de arranque

  • O código de kernel do SO da idade da pedra como o FreeDOS

  • O código do kernel do SO de destino se ele couber neste pequeno espaço

Tipicamente, o sistema é arrancado a partir da partição especificada das partições do disco rígido principal. Os primeiros 2 sectores do disco rígido em PCs legacy contêm o master boot record (MBR). A informação de partições do disco incluindo a selecção de arranque é gravada no final deste MBR. O código do primeiro gestor de arranque executado pela BIOS ocupa o resto deste MBR.

O gestor de arranque é o 2º estágio do processo de arranque que é iniciado pela BIOS. Ele carrega a imagem de kernel do sistema e a imagem initrd para a memória e passa o controle para eles. Esta imagem initrd é a imagem do sistema de ficheiros raiz e o seu suporte depende do gestor de arranque utilizado.

O sistema Debian normalmente usa o kernel Linux como kernel predefinido do sistema. A imagem initrd para o kernel Linux 2.6/3.x actual é tecnicamente a initramfs (sistema de ficheiros de RAM inicial). A imagem initramfs é um arquivo de ficheiros cpio gzipado no sistema de ficheiros raiz.

[Atenção] Atenção

O que está em cima não é mais verdadeiro com a initramfs de multi-segmentos. Veja Bug #790100.

A instalação predefinida do sistema Debian coloca código da primeira etapa do gestor de arranque GRUB no MBR para a plataforma PC. Existem muitos gestores de arranque e opções de configuração disponíveis.


[Atenção] Atenção

Do not play with boot loaders without having bootable rescue media (USB memory stick, CD or floppy) created from images in the grub-rescue-pc package. It makes you boot your system even without functioning bootloader on the hard disk.

Para o GRUB Legacy, o ficheiro de configuração do menu está localizado em "/boot/grub/menu.lst". Por exemplo, tem entradas como a seguinte.

title           Debian GNU/Linux
root            (hd0,2)
kernel          /vmlinuz root=/dev/hda3 ro
initrd          /initrd.img

Para o GRUB 2, o ficheiro de configuração do menu está localizado em "/boot/grub/grub.cfg". É gerado automaticamente pelo "/usr/sbin/update-grub" utilizando modelos de "/etc/grub.d/*" e definições de "/etc/default/grub". Por exemplo, tem entradas como as que se seguem:

menuentry "Debian GNU/Linux" {
        set root=(hd0,3)
        linux /vmlinuz root=/dev/hda3
        initrd /initrd.img
}

Para estes exemplos, estes parâmetros do GRUB significam o seguinte.


[Nota] Nota

O valor do número de partição utilizado pelo programa GRUB legacy é menos um que o normal usado pelo kernel Linux e ferramentas utilitárias. O programa GRUB 2 corrige este problema.

[Dica] Dica

Pode ser utilizado o UUID (veja Secção 9.5.3, “Aceder a partição usando UUID”) para identificar um dispositivo especial de bloco em vez do seu nome de ficheiro como "/dev/hda3", ex. "root=UUID=81b289d5-4341-4003-9602-e254a17ac232 ro".

[Dica] Dica

Se for usado o GRUB, o parâmetro de arranque do kernel é definido em /boot/grub/grub.cfg. No sistema Debian, não se deve editar o /boot/grub/grub.cfg directamente. Deve editar o valor de GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT em /etc/default/grub e correr update-grub(8) para actualizar o /boot/grub/grub.cfg.

[Dica] Dica

Você pode iniciar um gestor de arranque a partir de outro gestor de arranque utilizando técnicas chamadas chain loading.

Veja "info grub" e grub-install(8).

O mini-sistema Debian é o 3º estágio do processo de arranque que é iniciado pelo gestor de arranque. Corre o kernel do sistema com o seu sistema de ficheiros raiz na memória. Este é um estágio preparatório opcional do processo de arranque.

[Nota] Nota

O termo "mini-sistema Debian" é cunhado pelo autor para descrever este 3º estágio do processo de arranque para este documento. Este sistema é geralmente referido como o initrd ou sistema initramfs. É utilizado pelo Instalador de Debian um sistema semelhante em memória .

The "/init" program is executed as the first program in this root filesystem on the memory. It is a program which initializes the kernel in user space and hands control over to the next stage. This mini-Debian system offers flexibility to the boot process such as adding kernel modules before the main boot process or mounting the root filesystem as an encrypted one.

  • The "/init" program is a shell script program if initramfs was created by initramfs-tools. You can interrupt this part of the boot process to gain root shell by providing "break=init" etc. to the kernel boot parameter. See the "/init" script for more break conditions. This shell environment is sophisticated enough to make a good inspection of your machine's hardware. Commands available in this mini-Debian system are stripped down ones and mainly provided by a GNU tool called busybox(1).

  • The "/init" program is a binary systemd program if initramfs was created by dracut. ** Commands available in this mini-Debian system are stripped down systemd(1) environment.

[Cuidado] Cuidado

Você precisa de utilizar a opção "-n" para o comando mount quando está no sistema de ficheiros raiz apenas de leitura.

O sistema Debian normal é o 4º estágio do processo de arranque que é iniciado pelo mini-sistema Debian. O kernel do sistema para o mini-sistema Debian continua a correr no seu ambiente. O sistema de ficheiros raiz é mudado daquele em memória para o que está no sistema de ficheiros do disco rígido real.

O programa init é executado como o primeiro programa com PID=1 para executar o processo de arranque principal de arrancar muitos programas. O caminho de ficheiro predefinido para o programa init é "/sbin/init" mas pode ser alterado pelo parâmetro de arranque do kernel como "init=/path/to/init_program".

O programa de iniciação predefinido tem sido alterado:

  • Debian antes de squeeze a iniciação de estilo SysV simples.

  • Debian wheezy melhora a iniciação de estilo SysV ao ordenar a sequência de arranque com cabeçalho LSB e arrancando scripts de arranque em paralelo.

  • Debian jessie muda o seu init predefinido para o systemd para a inicialização em paralelo e gerida por eventos.

[Dica] Dica

O comando de iniciação actual do seu sistema pode ser verificado pelo comando "ps --pid 1 -f"

[Dica] Dica

"/sbin/init" is symlinked to "/lib/systemd/systemd" after Debian jessie.

Tabela 3.3. Lista de utilitários de arranque para o sistema Debian

pacote popcon tamanho descrição
systemd V:703, I:805 11933 daemon de eventos baseado em init(8) para a concorrência (alternativa a sysvinit)
systemd-sysv V:684, I:798 112 the manual pages and links needed for systemd to replace sysvinit
systemd-cron V:0, I:1 133 systemd units to provide cron daemon and anacron functionality
init-system-helpers V:704, I:826 129 helper tools for switching between sysvinit and systemd
initscripts V:284, I:667 205 scripts para inicializar e desligar o sistema
sysvinit-core V:13, I:17 225 utilitários de init(8) estilo System-V
sysv-rc V:477, I:673 123 mecanismo de mudança de runlevel estilo System-V
sysvinit-utils V:791, I:999 110 utilitários estilo System-V (startpar(8), bootlogd(8), …)
lsb-base V:877, I:999 49 Linux Standard Base funcionalidade de script de init 3.2
insserv V:539, I:660 140 ferramenta para organizar a sequência de arranque usando dependências dos scripts init.d LSB
uswsusp V:4, I:11 699 ferramentas disponibilizadas pelo Linux para utilizar a suspensão de software no espaço de utilizador
kexec-tools V:1, I:8 270 ferramenta kexec para re-arranques kexec(8) (re-arranque a quente)
systemd-bootchart V:0, I:0 122 analisador de performance do processo de arranque
bootchart2 V:0, I:1 94 analisador de performance do processo de arranque
pybootchartgui V:0, I:1 177 analisador de performance do processo de arranque (visualização)
mingetty V:0, I:3 35 getty(8) apenas de consola
mgetty V:0, I:1 301 substituto inteligente de modem getty(8)

[Dica] Dica

Veja Debian wiki: BootProcessSpeedup para as dicas mais recentes em como acelerar o processo de arranque.

This section describes how system is started by the systemd(1) program with PID=1 (i.e., init process).

The systemd init process spawns processes in parallel based on the unit configuration files (see systemd.unit(5)) which are written in declarative style instead of SysV-like procedural style. These are loaded from a set of paths (see systemd-system.conf(5)) as follows:

  • "/lib/systemd/system": OS default configuration files

  • "/etc/systemd/system": system administrator configuration files which override the OS default configuration files

  • "/run/systemd/system": run-time generated configuration files which override the installed configuration files

Their inter-dependencies are specified by the directives "Wants=", "Requires=", "Before=", "After=", … (see "MAPPING OF UNIT PROPERTIES TO THEIR INVERSES" in systemd.unit(5)). The resource controls are also defined (see systemd.resource-control(5)).

The suffix of the unit configuration file encodes their types as:

  • *.service describes the process controlled and supervised by systemd. See systemd.service(5).

  • *.device describes the device exposed in the sysfs(5) as udev(7) device tree. See systemd.device(5).

  • *.mount describes the file system mount point controlled and supervised by systemd. See systemd.mount(5).

  • *.automount describes the file system auto mount point controlled and supervised by systemd. See systemd.automount(5).

  • *.swap describes the swap device or file controlled and supervised by systemd. See systemd.swap(5).

  • *.path describes the path monitored by systemd for path-based activation. See systemd.path(5).

  • *.socket describes the socket controlled and supervised by systemd for socket-based activation. See systemd.socket(5).

  • *.timer describes the timer controlled and supervised by systemd for timer-based activation. See systemd.timer(5).

  • *.slice manages resources with the cgroups(7). See systemd.slice(5).

  • *.scope is created programmatically using the bus interfaces of systemd to manages a set of system processes. See systemd.scope(5).

  • *.target groups other unit configuration files to create the synchronization point during start-up. See systemd.target(5).

Upon system start up (i.e., init), the systemd process tries to start the "/lib/systemd/system/default.target (normally symlinked to "graphical.target"). First, some special target units (see systemd.special(7)) such as "local-fs.target", "swap.target" and "cryptsetup.target" are pulled in to mount the filesystems. Then, other target units are also pulled in by the target unit dependencies. For details, read bootup(7).

systemd offers backward compatibility features. SysV-style boot scripts in "/etc/init.d/rc[0123456S].d/[KS]<name>" are still parsed and telinit(8) is translated into systemd unit activation requests.

[Cuidado] Cuidado

Emulated runlevel 2 to 4 are all symlinked to the same "multi-user.target".

The mount options of normal disk and network filesystems are set in "/etc/fstab". See fstab(5) and Secção 9.5.7, “Optimização do sistema de ficheiros por opções de montagem”.

The configuration of the encrypted filesystem is set in "/etc/crypttab". See crypttab(5)

The configuration of software RAID with mdadm(8) is set in "/etc/mdadm/mdadm.conf". See mdadm.conf(5).

[Atenção] Atenção

Após montar todos os sistemas de ficheiros, os ficheiros temporários em "/tmp", "/var/lock", e "/var/run" são limpos para cada arranque.

The systemd offers not only init system but also generic system management functionalities such as journal logging, login management, time management, network management. etc..

The systemd(1) is managed by several commands:

  • the systemctl(1) command controls the systemd system and service manager (CLI),

  • the systemsdm(1) command controls the systemd system and service manager (GUI),

  • the journalctl(1) command queries the systemd journal,

  • the loginctl(1) command controls the systemd login manager, and

  • the systemd-analyze(1) analyzes system boot-up performance.

Here are a list of typical systemd management command snippets. For the exact meanings, please read the pertinent manpages.

Tabela 3.5. List of typical systemd management command snippets

Operation Type Command snippets
GUI for service manager GUI "systemadm" (systemd-ui package)
List all target unit configuration Unit "systemctl list-units --type=target"
List all service unit configuration Unit "systemctl list-units --type=service"
List all unit configuration types Unit "systemctl list-units --type=help"
List all socket units in memory Unit "systemctl list-sockets"
List all timer units in memory Unit "systemctl list-timers"
Start "$unit" Unit "systemctl start $unit"
Stop "$unit" Unit "systemctl stop $unit"
Reload service-specific configuration Unit "systemctl reload $unit"
Stop and start all "$unit" Unit "systemctl restart $unit"
Start "$unit" and stop all others Unit "systemctl isolate $unit"
Switch to "graphical" (GUI system) Unit "systemctl isolate graphical"
Switch to "multi-user" (CLI system) Unit "systemctl isolate multi-user"
Switch to "rescue" (single user CLI system) Unit "systemctl isolate rescue"
Send kill signal to "$unit" Unit "systemctl kill $unit"
Send kill signal to "$unit" Unit "systemctl kill $unit"
Check if "$unit" service is active Unit "systemctl is-active $unit"
Check if "$unit" service is failed Unit "systemctl is-failed $unit"
Check status of "$unit|$PID|device" Unit "systemctl status $unit|$PID|$device"
Show properties of "$unit|$job" Unit "systemctl show $unit|$job"
Reset failed "$unit" Unit "systemctl reset-failed $unit"
List dependency of all unit services Unit "systemctl list-dependencies --all"
List unit files installed on the system Unit file "systemctl list-unit-files"
Enable "$unit" (add symlink) Unit file "systemctl enable $unit"
Disable "$unit" (remove symlink) Unit file "systemctl disable $unit"
Unmask "$unit" (remove symlink to "/dev/null") Unit file "systemctl unmask $unit"
Mask "$unit" (add symlink to "/dev/null") Unit file "systemctl mask $unit"
Get default-target setting Unit file "systemctl get-default"
Set default-target to "graphical" (GUI system) Unit file "systemctl set-default graphical"
Set default-target to "multi-user" (CLI system) Unit file "systemctl set-default multi-user"
Show job environment Environment "systemctl show-environment"
Set job environment "variable" to "value" Environment "systemctl set-environment variable=value"
Unset job environment "variable" Environment "systemctl unset-environment variable"
Reload all unit files and daemons Lifecycle "systemctl daemon-reload"
Shut down the system System "systemctl poweroff"
Shut down and reboot the system System "systemctl reboot"
Suspend the system System "systemctl suspend"
Hibernate the system System "systemctl hibernate"
View job log of "$unit" Journal "journalctl -u $unit"
View job log of "$unit" ("tail -f" style) Journal "journalctl -u $unit -f"
Show time spent for each initialization steps Analyze "systemd-analyze time"
List of all units by the time to initialize Analyze "systemd-analyze blame"
Load and detect errors in "$unit" file Analyze "systemd-analyze verify $unit"
Track boot process by the cgroups(7) Cgroup "systemd-cgls"
Track boot process by the cgroups(7) Cgroup "ps xawf -eo pid,user,cgroup,args"
Track boot process by the cgroups(7) Cgroup Read sysfs under "/sys/fs/cgroup/systemd/"

Here, "$unit" in the above examples may be a single unit name (suffix such as .service and .target are optional) or, in many cases, multiple unit specifications (shell-style globs "*", "?", "[]" using fnmatch(3) which will be matched against the primary names of all units currently in memory).

System state changing commands in the above examples are typically preceded by the "sudo" to attain the required administrative privilege.

The output of the "systemctl status $unit|$PID|$device" uses color of the dot ("●") to summarize the unit state at a glance.

  • White "●" indicates an "inactive" or "deactivating" state.

  • Red "●" indicates a "failed" or "error" state.

  • Green "●" indicates an "active", "reloading" or "activating" state.

With default installation, many network services (see Capítulo 6, Aplicações de rede) are started as daemon processes after network.target at boot time by systemd. The "sshd" is no exception. Let's change this to on-demand start of "sshd" as a customization example.

First, disable system installed service unit.

 $ sudo systemctl stop sshd.service
 $ sudo systemctl mask sshd.service

The on-demand socket activation system of the classic Unix services was through the indetd superserver. Under systemd, the equivalent can be enabled by adding *.socket and *.service unit configuration files.

sshd.socket for specifying a socket to listen on

[Unit]
Description=SSH Socket for Per-Connection Servers

[Socket]
ListenStream=22
Accept=yes

[Install]
WantedBy=sockets.target

sshd@.service as the matching service file of sshd.socket

[Unit]
Description=SSH Per-Connection Server

[Service]
ExecStart=-/usr/sbin/sshd -i
StandardInput=socket

Then reload.

 $ sudo systemctl daemon-reload

Para o kernel Linux 2.6 e mais recentes, o sistema udev disponibiliza um mecanismo para a descoberta automática de hardware e sua inicialização (veja udev(7)). Após a descoberta de cada dispositivo pelo kernel, o sistema udev arranca um processo de utilizador que usa informação a partir do sistema de ficheiros sysfs (veja Secção 1.2.12, “procfs e sysfs”), carrega os módulos de kernel necessários para o suportar usando o programa modprobe(8) (veja Secção 3.3.1, “A inicialização de módulos do kernel”), e cria os nós correspondentes do dispositivo.

[Dica] Dica

Se "/lib/modules/<versão-de-kernel>/modules.dep" não foi gerado de modo apropriado pelo depmod(8) por alguma razão, os módulos podem não carregar como esperado pelo sistema udev. Execute "depmod -a" para o corrigir.

Os nomes dos nós de dispositivos podem ser configurados pelos ficheiros de regras do udev em "/etc/udev/rules.d/". As regras predefinidas actuais tentem a criar nomes gerados dinamicamente resultando em nomes de dispositivos não estáticos excepto para dispositivos de cd e de rede. Ao adicionar os seus ficheiros personalizados de modo semelhante ao que é feito pelos dispositivos de cd e rede, você também pode gerar nomes estáticos para dispositivos para outros dispositivos como pens USB de memória. Veja "Escrever regras do udev" ou "/usr/share/doc/udev/writing_udev_rules/index.html".

Como o sistema udev é de certa forma um alvo em movimento, eu deixo os detalhes para outras documentações e descrevo a informação mínima aqui.

[Dica] Dica

Para regras de montagem em "/etc/fstab", os nós de dispositivo não precisam de ser os estáticos. Você pode usar o UUID para montar os dispositivos em vez dos nomes de dispositivo como "/dev/sda". Veja Secção 9.5.3, “Aceder a partição usando UUID”.

O programa modprobe(8) permite-nos configurar o kernel Linux em execução a partir do processo de utilizador ao adicionar e remover módulos do kernel. O sistema udev (veja Secção 3.3, “O sistema udev”) automatiza a sua invocação para ajudar na inicialização dos módulos de kernel.

Existem módulos de não-hardware e módulos driver de hardware especial como os seguintes que precisam de ser pré-carregados ao listá-los no ficheiro "/etc/modules" (veja modules(5)).

Os ficheiros de configuração para o programa modprobe(8) estão localizados sob o directório "/etc/modprobes.d/" como explicado em modprobe.conf(5). (Se você deseja evitar que alguns módulos do kernel sejam carregados automaticamente, considere metê-los em lista negra no ficheiro "/etc/modprobes.d/blacklist".)

O ficheiro "/lib/modules/<version>/modules.dep" gerado pelo programa depmod(8) descreve as dependências dos módulos usados pelo programa modprobe(8).

[Nota] Nota

Se tiver problemas com o carregamento de módulos durante o arranque ou com o modprobe(8), "depmod -a" pode resolver esses problemas ao reconstruir "modules.dep".

O programa modinfo(8) mostra informação sobre um módulo do kernel Linux.

O programa lsmod(8) formata lindamente o conteúdo de "/proc/modules", e mostra que módulos do kernel que estão actualmente carregados.

[Dica] Dica

Você pode identificar o hardware exacto no seu sistema. Veja Secção 9.4.3, “Identificação do hardware”.

[Dica] Dica

Você pode configurar o hardware durante o arranque para activar as funcionalidades esperadas do hardware. Veja Secção 9.4.4, “Configuração do hardware”.

[Dica] Dica

Você pode provavelmente adicionar suporte para o seu dispositivo especial ao recompilar o kernel. Veja Secção 9.9, “O kernel”.