Linux жүйесінде бастапқы файлдық жүйенің уақытша құрылуы

Кіріспе

Linux операциялық жүйесінің алғашқы жүктелу кезінде уақытша түбірлік файл жүйесі жүктеледі.

Linux жүйелерінде initrd (бастапқы RAM дискісі) – Linux іске қосылу процесінің бір бөлігі ретінде пайдаланылатын, жадқа уақытша түбірлік файл жүйесін жүктеудің әдісі. initrd және initramfs (INITial RAM File System) осы мақсатқа жетудің екі әртүрлі тәсілін білдіреді. Екеуі де нақты түбірлік файл жүйесі орнатылардан бұрын дайындық жұмыстарын жүргізу үшін кеңінен қолданылады.

Негізгі себептері

Көптеген Linux дистрибутивтері бір жалпы Linux ядросының бейнесін қамтиды, оны дистрибутивтің әзірлеушілері әртүрлі аппараттық құралдарда іске қосу үшін арнайы жасайды. Бұл жалпы ядролық бейнеге арналған құрылғы драйверлері жүктелетін ядролық модульдер түрінде қосылады, себебі көптеген драйверлерді бір ядроға статикалық түрде компиляциялау ядролық бейненің тым үлкен болуына, әсіресе жады шектеулі компьютерлерде іске қосуға мүмкін емес болуына немесе кейбір жағдайларда іске қосылу кезінде қателерге немесе болмаған немесе қақтығыс тудыратын аппараттық құралдарды іздеуге байланысты проблемаларға әкелуі мүмкін. Бұл статикалық компиляцияланған ядро тәсілі сонымен қатар енді қолданылмаған немесе қажет емес модульдерді ядро жадында қалдырады және жүктелу кезінде түбірлік файл жүйесін орнату үшін қажетті модульдерді анықтау және жүктеу, сондай-ақ түбірлік файл жүйесінің қайда немесе қандай екенін анықтау мәселесін тудырады. Жағдайды одан әрі күрделендіретін фактор, түбірлік файл жүйесі бағдарламалық RAID томында, LVM, NFS (дискі жоқ жұмыс станцияларында) немесе шифрланған бөлімде орналасуы мүмкін. Бұлардың барлығын орнату үшін арнайы дайындықтар қажет. Тағы бір қиындық – күйді сақтау үшін ядроның мүмкіндігі, ол компьютерді дискке жадының толық мазмұнын алмастыру бөліміне немесе әдеттегі файлға көшіру арқылы тоқтатып, содан кейін қуатты өшіреді. Келесі іске қосылуда бұл кескін жадыға қайта жүктелу алдында қолжетімді болуы керек. Ядроға осы көптеген ерекше жағдайларды қатты кодтау қажеттігінен аулақ болу үшін уақытша түбірлік файл жүйесімен бастапқы іске қосылу кезеңі пайдаланылады, ол қазір «ерте пайдаланушы кеңістігі» деп аталады. Бұл түбірлік файл жүйесі нақты түбірлік файл жүйесін орнату үшін қажетті аппараттық құралды анықтау, модульдерді жүктеу және құрылғыларды іздеу үшін пайдаланушы кеңістігіндегі көмекші құралдарды қамтуы мүмкін. Ол шыққанда, ядро нақты түбірлік файл жүйесі орнатылған деп есептейді және қалыпты пайдаланушы кеңістігіндегі іске қосылу процесін бастау үшін орындалады. Initramfs схемасында (Linux ядросының 2.6.13 нұсқасынан бастап қол жетімді) кескін cpio архиві (қажет болған жағдайда сығылған) болуы мүмкін. Архив ядромен арнайы tmpfs мысалына ашылады, ол бастапқы түбірлік файл жүйесіне айналады. Бұл схеманың артықшылығы – аралық файл жүйесі немесе блок драйверлерін ядроға компиляциялау қажеттігінің жоқтығы. Кейбір жүйелер initramfs кескінін жасау үшін dracut пакетін пайдаланады. Initramfs схемасында ядро өз жұмысын аяқтамайтын алғашқы процесс ретінде орындалады. Оған статикалық түрде компиляцияланған алгоритмдерге байланысты, ядро gzip, bzip2, LZMA, XZ, LZO, LZ4 және zstd арқылы сығылған initrd/initramfs кескіндерін аша алады.

Many Linux distributions ship a single, generic Linux kernel image one that the distribution's developers create specifically to boot on a wide variety of hardware. The device drivers for this generic kernel image are included as loadable kernel modules because statically compiling many drivers into one kernel causes the kernel image to be much larger, perhaps too large to boot on computers with limited memory, or in some cases to cause boot time crashes or other problems due to probing for nonexistent or conflicting hardware. This static compiled kernel approach also leaves modules in kernel memory which are no longer used or needed, and raises the problem of detecting and loading the modules necessary to mount the root file system at boot time, or for that matter, deducing where or what the root file system is. To further complicate matters, the root file system may be on a software RAID volume, LVM, NFS (on diskless workstations), or on an encrypted partition. All of these require special preparations to mount. Another complication is kernel support for hibernation, which suspends the computer to disk by dumping an image of the entire contents of memory to a swap partition or a regular file, then powering off. On next boot, this image has to be made accessible before it can be loaded back into memory. To avoid having to hardcode handling for so many special cases into the kernel, an initial boot stage with a temporary root file system – now dubbed early user space – is used. This root file system can contain user space helpers which do the hardware detection, module loading and device discovery necessary to get the real root file system mounted. when it exits, the kernel assumes that the real root file system has been mounted and executes to begin the normal user space boot process. In the initramfs scheme (available since the Linux kernel 2.6.13), the image may be a cpio archive (optionally compressed). The archive is unpacked by the kernel into a special instance of a tmpfs that becomes the initial root file system. This scheme has the advantage of not requiring an intermediate file system or block drivers to be compiled into the kernel. Some systems use the dracut package to create an initramfs image. In the initramfs scheme, the kernel executes as its first process that is not expected to exit. Depending on which algorithms were compiled statically into it, the kernel can unpack initrd/initramfs images compressed with gzip, bzip2, LZMA, XZ, LZO, LZ4, and zstd.

Басқа қолданыстар

Linux дистрибутивтеріне арналған орнатушылар әдетте толыққанды initramfs-тен жұмыс істейді, себебі олар кез келген тұрақты жад құрылғысы орнатылғанға дейін орнатушы интерфейсі мен қосалқы құралдарды іске қосуға мүмкіндік беруі керек. Tiny Core Linux және Puppy Linux толығымен initrd-ден жұмыс істей алады.

Басқа операциялық жүйелердегі ұқсастықтар

Windows Vista-дан бері Windows WIM диск бейне файлынан жүктеле алады, оның файл форматы жарияланған; ол ZIP форматына ұқсас, бірақ қатты сілтемелерді, дубликатталмаған кескіндерді қолдайды және кескіндер бойынша қысымды қолданады. Бұл жағдайда, бүкіл WIM бастапқыда RAM-ге жүктеледі, содан кейін ядро инициализацияланады. Келесіде, жүктелген WIM тағайындалған диск әрпімен SystemRoot ретінде қолжетімді болады. Windows орнатушысы осыны пайдаланады, сондықтан ол BOOT.WIM-нен жүктеледі, содан кейін INSTALL.WIM-ді орнатылатын Windows файлдары жиынтығы ретінде пайдаланады. Сонымен қатар, Windows Preinstallation Environment (Windows PE) кейбір антивирустық және резервтік көшірме/апатты жағдайдан қалпына келтіру бағдарламалық қамтамасының жеке жүктеу нұсқаларының негізі болып табылады. Windows-ты физикалық дискідегі WIM немесе VHD файлынан әрқашан жүктелетіндей етіп орнатуға да болады. Дегенмен, бұл сирек қолданылады, себебі Windows жүктегіші жүктелу уақытындағы ядро модульдері үшін sys файлдарын өзі жүктей алады, бұл Linux-та initrd қажет ететін міндет.