Среда предварительного загрузочного исполнения (PXE)

Введение

Стандарт загрузки с сервера, эпизод анимационного сериала «Время приключений».

В области вычислительной техники спецификация Preboot eXecution Environment, PXE (чаще всего произносится как /'//p//I//k//s//i:/ pixie, часто называемая PXE Boot/pixie boot) описывает стандартизированную клиент-серверную среду, которая загружает программный комплекс, полученный из сети, на клиентах с поддержкой PXE. На стороне клиента требуется только сетевой интерфейс (NIC) с поддержкой PXE и используется небольшой набор отраслевых стандартных сетевых протоколов, таких как DHCP и TFTP. Концепция PXE возникла в первые дни протоколов BOOTP/DHCP/TFTP, и с 2015 года она является частью стандарта Unified Extensible Firmware Interface (UEFI). В современных центрах обработки данных PXE является наиболее часто используемым способом загрузки, установки и развертывания операционных систем.

Обзор

С момента появления компьютерных сетей существовала постоянная потребность в клиентских системах, способных загружать соответствующие образы программного обеспечения с соответствующими параметрами конфигурации, получаемыми во время загрузки с одного или нескольких сетевых серверов. Для достижения этой цели клиенту необходимо использовать набор служб предварительной загрузки, основанных на отраслевых стандартных сетевых протоколах. Кроме того, программа Network Bootstrap Program (NBP), которая первоначально загружается и выполняется, должна быть разработана с использованием уровня клиентской прошивки (на устройстве, которое будет загружено через PXE), обеспечивая аппаратно-независимый стандартизированный способ взаимодействия с окружением сетевой загрузки. В этом случае доступность и соответствие стандартам являются ключевым фактором, необходимым для обеспечения совместимости системы сетевой загрузки. Одной из первых попыток в этом направлении была загрузка с использованием стандарта TFTP RFC 906, опубликованного в 1984 году, который установил стандарт Trivial File Transfer Protocol (TFTP) RFC 783, опубликованный в 1981 году, в качестве стандартного протокола передачи файлов для загрузки. Вскоре после этого последовал стандарт Bootstrap Protocol RFC 951 (BOOTP), опубликованный в 1985 году, который позволял дисковому клиенту обнаруживать свой собственный IP-адрес, адрес TFTP-сервера и имя NBP, которые должны быть загружены в память и выполнены. Сложности реализации BOOTP, среди прочих причин, в конечном итоге привели к разработке стандарта Dynamic Host Configuration Protocol RFC 2131 (DHCP), опубликованного в 1997 году. Пионерский подход TFTP/BOOTP/DHCP оказался недостаточным, поскольку в то время он не определял необходимую стандартизированную клиентскую часть среды подготовки. Preboot Execution Environment (PXE) была представлена как часть платформы Wired for Management компанией Intel и описана в спецификации, опубликованной Intel и SystemSoft. Версия PXE 2.0 была выпущена в декабре 1998 года, а обновление 2.1 было опубликовано в сентябре 1999 года. Среда PXE использует несколько стандартных протоколов клиент-сервер, включая DHCP и TFTP (в настоящее время определены RFC 1350, опубликованным в 1992 году). В схеме PXE клиентская сторона процесса подготовки является неотъемлемой частью стандарта PXE и реализуется либо в виде расширения BIOS сетевой карты (NIC), либо в виде текущих устройств в коде UEFI. Этот уникальный уровень прошивки предоставляет клиенту функции базового универсального сетевого интерфейса устройства (UNDI), минималистичного стека UDP/IP, клиентского модуля предварительной загрузки (DHCP) и клиентского модуля TFTP, которые вместе образуют интерфейсы прикладного программирования PXE (API), используемые NBP при взаимодействии с сервисами, предоставляемыми серверной частью среды PXE. Низкая пропускная способность TFTP, особенно при использовании по каналам связи с высокой задержкой, была первоначально смягчена опцией Blocksize для TFTP RFC 2348, опубликованной в мае 1998 года, а затем опцией Windowsize для TFTP RFC 7440, опубликованной в январе 2015 года, что позволило потенциально увеличить размер передаваемых данных и, таким образом, повысить пропускную способность.

Since the beginning of computer networks, there has been a persistent need for client systems which can boot appropriate software images, with appropriate configuration parameters, both retrieved at boot time from one or more network servers. This goal requires a client to use a set of pre boot services, based on industry standard network protocols. Additionally, the Network Bootstrap Program (NBP) which is initially downloaded and run must be built using a client firmware layer (at the device to be bootstrapped via PXE) providing a hardware independent standardized way to interact with the surrounding network booting environment. In this case the availability and subjection to standards are a key factor required to guarantee the network boot process system interoperability. One of the first attempts in this regard was bootstrap loading using TFTP standard RFC 906, published in 1984, which established the 1981 published Trivial File Transfer Protocol (TFTP) standard RFC 783 to be used as the standard file transfer protocol for bootstrap loading. It was followed shortly after by the Bootstrap Protocol standard RFC 951 (BOOTP), published in 1985, which allowed a diskless client machine to discover its own IP address, the address of a TFTP server, and the name of an NBP to be loaded into memory and executed. BOOTP implementation difficulties, among other reasons, eventually led to the development of the Dynamic Host Configuration Protocol standard RFC 2131 (DHCP) published in 1997. The pioneering TFTP/BOOTP/DHCP approach fell short, as at the time, it did not define the required standardized client side of the provisioning environment. The Preboot Execution Environment (PXE) was introduced as part of the Wired for Management framework by Intel and is described in the specification published by Intel and SystemSoft. PXE version 2.0 was released in December 1998, and the update 2.1 was made public in September 1999. The PXE environment makes use of several standard client‑server protocols including DHCP and TFTP (now defined by the 1992 published RFC 1350). Within the PXE schema the client side of the provisioning equation is an integral part of the PXE standard and it is implemented either as a Network Interface Card (NIC) BIOS extension or current devices in UEFI code. This distinctive firmware layer makes available at the client the functions of a basic Universal Network Device Interface (UNDI), a minimalistic UDP/IP stack, a Preboot (DHCP) client module and a TFTP client module, together forming the PXE application programming interfaces (APIs) used by the NBP when needing to interact with the services offered by the server counterpart of the PXE environment. TFTP's low throughput, especially when used over high latency links, has been initially mitigated by the TFTP Blocksize Option RFC 2348 published in May 1998, and later by the TFTP Windowsize Option RFC 7440 published in January 2015, allowing potentially larger payload deliveries and thus improving throughput.

Подробности

Окружающая среда PXE базируется на сочетании общепринятых интернет-протоколов, а именно UDP/IP, DHCP и TFTP. Эти протоколы были выбраны благодаря простоте их реализации в прошивке сетевой карты (NIC) клиента, что позволяет создавать стандартизированные PXE ROM с небольшим размером. Стандартизация, малый размер образов прошивки PXE и их низкое потребление ресурсов – одни из ключевых целей разработки, обеспечивающие идентичную реализацию клиентской части стандарта PXE на широком спектре систем, от мощных клиентских компьютеров до одноплатных компьютеров (SBC) с ограниченными ресурсами и систем на кристалле (SoC). DHCP используется для предоставления соответствующих сетевых параметров клиенту и, в частности, местоположения (IP-адреса) TFTP-сервера, на котором размещены, готовые к загрузке, начальная загрузочная программа (NBP) и дополнительные файлы. Для запуска сеанса загрузки PXE, компонент DHCP прошивки PXE клиента отправляет DHCPDISCOVER-пакет, содержащий специфические для PXE опции, на порт 67/UDP (порт DHCP-сервера); он запрашивает необходимую сетевую конфигурацию и параметры сетевой загрузки. Специфические опции PXE идентифицируют инициированную транзакцию DHCP как транзакцию PXE. Обычные DHCP-серверы (без поддержки PXE) смогут ответить стандартным DHCPOFFER, содержащим сетевую информацию (например, IP-адрес), но не специфические параметры PXE. Клиент PXE не сможет загрузиться, если получит ответ только от DHCP-сервера, не поддерживающего PXE. После обработки DHCPOFFER от DHCP-сервера с поддержкой PXE, клиент сможет установить собственный сетевой IP-адрес, маску подсети и т.д., а также указать на сетевые ресурсы загрузки, основываясь на полученном IP-адресе TFTP-сервера и имени NBP. Затем клиент передает NBP в свою оперативную память (RAM) с использованием TFTP, возможно, проверяет его (например, с помощью UEFI Secure Boot) и, наконец, загружается с него. NBP – это лишь первое звено в цепочке загрузки, и обычно они запрашивают через TFTP небольшой набор дополнительных файлов для запуска минималистичного окружения ОС (например, WindowsPE или базовое ядро Linux + initrd). Это минималистичное окружение ОС загружает свои собственные сетевые драйверы и стек TCP/IP. На этом этапе оставшиеся инструкции, необходимые для загрузки или установки полноценной ОС, предоставляются не через TFTP, а с использованием надежного протокола передачи данных (такого как HTTP, CIFS или NFS).

The PXE environment relies on a combination of industry standard Internet protocols, namely UDP/IP, DHCP and TFTP. These protocols have been selected because they are easily implemented in the client's NIC firmware, resulting in standardized small footprint PXE ROMs. Standardization, small size of PXE firmware images and their low use of resources are some of the primary design goals, allowing the client side of the PXE standard to be identically implemented on a wide variety of systems, ranging from powerful client computers to resource limited single board computers (SBC) and system on a chip (SoC) computers. DHCP is used to provide the appropriate client network parameters and specifically the location (IP address) of the TFTP server hosting, ready for download, the initial bootstrap program (NBP) and complementary files. To initiate a PXE bootstrap session the DHCP component of the client's PXE firmware broadcasts a DHCPDISCOVER packet containing PXE specific options to port 67/UDP (DHCP server port); it asks for the required network configuration and network booting parameters. The PXE specific options identify the initiated DHCP transaction as a PXE transaction. Standard DHCP servers (non PXE enabled) will be able to answer with a regular DHCPOFFER carrying networking information (i. e. IP address) but not the PXE specific parameters. A PXE client will not be able to boot if it only receives an answer from a non PXE enabled DHCP server. After parsing a PXE enabled DHCP server DHCPOFFER, the client will be able to set its own network IP address, IP Mask, etc., and to point to the network located booting resources, based on the received TFTP Server IP address and the name of the NBP. The client next transfers the NBP into its own random access memory (RAM) using TFTP, possibly verifies it (i. e. UEFI Secure Boot), and finally boots from it. NBPs are just the first link in the boot chain process and they generally request via TFTP a small set of complementary files in order to get running a minimalistic OS executive (i. e. WindowsPE, or a basic Linux kernel+initrd). The small OS executive loads its own network drivers and TCP/IP stack. At this point, the remaining instructions required to boot or install a full OS are provided not over TFTP, but using a robust transfer protocol (such as HTTP, CIFS, or NFS).

Семья

Microsoft создала неперекрывающееся расширение среды PXE с помощью своего уровня согласования загрузочной информации (BINL). BINL реализован как серверная служба и является ключевым компонентом их стратегий служб удаленной установки (RIS) и служб развертывания Windows (WDS). Он включает в себя определенные процессы подготовки и сетевой протокол, который можно рассматривать как расширение DHCP, разработанное Microsoft. BINL – это запатентованная технология Microsoft, использующая стандартную клиентскую прошивку PXE. В настоящее время публично доступной спецификации BINL не существует.