Временная корневая файловая система в Linux: initrd и initramfs

Введение

Временная корневая файловая система загружается на ранних этапах загрузки операционной системы Linux.

В системах Linux initrd (initial ramdisk – первоначальный RAM-диск) – это механизм загрузки временной корневой файловой системы в память для использования в процессе запуска Linux. Initrd и initramfs (от INITial RAM File System – начальная файловая система в оперативной памяти) представляют собой два различных способа реализации этой задачи. Оба обычно используются для выполнения подготовительных операций перед монтированием реальной корневой файловой системы.

Обоснование

Многие дистрибутивы Linux поставляют одно общее образ ядра Linux, которое разработчики дистрибутива создают специально для загрузки на широком спектре аппаратного обеспечения. Драйверы устройств для этого общего образа ядра включены в виде загружаемых модулей ядра, поскольку статическая компиляция множества драйверов в одно ядро приводит к значительному увеличению размера образа, возможно, слишком большому для загрузки на компьютерах с ограниченной памятью, или в некоторых случаях вызывает сбои при загрузке или другие проблемы из-за поиска несуществующего или конфликтующего оборудования. Такой подход со статической компиляцией ядра также оставляет неиспользуемые или ненужные модули в памяти ядра и создает проблему обнаружения и загрузки модулей, необходимых для монтирования корневой файловой системы при загрузке, или, по сути, определения местоположения и типа корневой файловой системы. Чтобы еще больше усложнить ситуацию, корневая файловая система может располагаться на программном RAID-массиве, LVM, NFS (на дисковых станциях) или на зашифрованном разделе. Для их монтирования требуется специальная подготовка. Дополнительное усложнение вносит поддержка ядра функции гибернации, которая переводит компьютер в режим ожидания на диске, сохраняя образ всего содержимого памяти в раздел подкачки или обычный файл, а затем выключает питание. При следующей загрузке этот образ должен быть доступен, прежде чем его можно будет загрузить обратно в память. Чтобы избежать необходимости жесткого кодирования обработки стольких специальных случаев в ядре, используется начальный этап загрузки с временной корневой файловой системой, теперь называемой ранним пользовательским пространством. Эта корневая файловая система может содержать вспомогательные программы пользовательского пространства, которые выполняют обнаружение оборудования, загрузку модулей и обнаружение устройств, необходимые для монтирования реальной корневой файловой системы. После завершения работы ядро предполагает, что реальная корневая файловая система смонтирована, и начинает обычный процесс загрузки пользовательского пространства. В схеме initramfs (доступной начиная с ядра Linux 2.6.13) образ может представлять собой архив cpio (опционально сжатый). Ядро распаковывает этот архив в специальный экземпляр tmpfs, который становится первоначальной корневой файловой системой. Преимущество этой схемы заключается в том, что не требуется компилировать промежуточную файловую систему или блочные драйверы в ядро. Некоторые системы используют пакет dracut для создания образа initramfs. В схеме initramfs ядро выполняет первый процесс, который не должен завершаться. В зависимости от того, какие алгоритмы были статически скомпилированы в него, ядро может распаковывать образы initrd/initramfs, сжатые с помощью gzip, bzip2, LZMA, XZ, LZO, LZ4 и zstd.

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.

Другие применения

Инсталляторы для дистрибутивов Linux обычно полностью работают из initramfs, так как им необходимо обеспечить работу интерфейса установщика и вспомогательных инструментов до настройки какого-либо постоянного хранилища. Tiny Core Linux и Puppy Linux могут работать полностью из initrd.

Сходство с другими операционными системами

С Windows Vista, Windows может загружаться с диска из файла образа WIM, формат которого является открытым. Он похож на формат ZIP, но поддерживает жесткие ссылки, дедуплицированные блоки и использует поблочное сжатие. В этом случае весь файл WIM сначала загружается в оперативную память, после чего происходит инициализация ядра. Затем загруженный WIM становится доступен как SystemRoot с назначенной буквой диска. Установщик Windows использует это, загружаясь с BOOT.WIM, а затем применяет INSTALL.WIM в качестве набора файлов Windows для установки. Windows Preinstallation Environment (Windows PE) также использует этот подход, служа основой для отдельных загрузочных версий некоторых антивирусных программ и средств резервного копирования/восстановления после сбоев. Также можно настроить Windows на постоянную загрузку с файла WIM или VHD, расположенного на физическом диске. Однако это встречается редко, поскольку загрузчик Windows способен самостоятельно загружать файлы sys для модулей ядра во время загрузки, что в Linux выполняет initrd.