Linux系统启动过程及其修复过程简析

Linux组成

Linux: kernel+rootfs

kernel: 进程管理、内存管理、网络管理、驱动程序、文件系统、安全功能

rootfs:程序和glibc

库：函数集合, function, 调用接口（头文件负责描述）

过程调用：procedure，无返回值

函数调用：function

程序：二进制执行文件

内核设计流派：

单内核(monolithic kernel)：Linux

把所有功能集成于同一个程序

微内核(micro kernel)：Windows, Solaris

每种功能使用一个单独子系统实现

内核

Linux内核特点：

支持模块化：.ko（内核对象）

如：文件系统，硬件驱动，网络协议等

支持内核模块的动态装载和卸载

组成部分：

核心文件：/boot/vmlinuz-VERSION-release

ramdisk：辅助的伪根系统

CentOS 5: /boot/initrd-VERSION-release.img

CentOS6,7: /boot/initramfs-VERSION-release.img

模块文件：/lib/modules/VERSION-release

示例：Linux的核心文件

CentOS 6的启动流程

1.加载BIOS的硬件信息，获取第一个启动设备

2.读取第一个启动设备MBR的引导加载程序(grub)的启动信息

3.加载核心操作系统的核心信息，核心开始解压缩，并尝试驱动所有的硬件设备

4.核心执行init程序，并获取默认的运行信息

5.init程序执行/etc/rc.d/rc.sysinit文件

6.启动核心的外挂模块

7.init执行运行的各个批处理文件(scripts)

8.init执行/etc/rc.d/rc.local

9.执行/bin/login程序，等待用户登录

10.登录之后开始以Shell控制主机

Linux启动流程

1、POST：Power-On-Self-Test，加电自检，是BIOS功能的一个主要部分。负责完成对CPU、主板、内存RAM、硬盘子系统、显示子系统、串并行接口、键盘、CD-ROM光驱等硬件情况的检测。

ROM：BIOS，Basic Input and Output System，保存着有关计算机系统最重要的基本输入输出程序，系统信息设置、开机加电自检程序和系统启动自举程序等。

RAM：CMOS互补金属氧化物半导体，保存各项参数的设定按次序查找引导设备，第一个有引导程序的设备为本次启动设备

2、MBR:

其中Bootloader占据446字节，分区表占据64字节，magic num占据2字节。MBR将加载Bootloader去开始后边的工作。

3、bootloader: 引导加载器，引导程序

Linux：功能丰富，提供菜单，允许用户选择要启动系统或不同的内核版本；把用户选定的内核装载到内存中的特定空间中，解压、展开，并把系统控制权移交给内核

LILO：Linux Loader

Bootloader（内核加载器）位于第0磁道第0扇区的446字节是最前边的446字节！Bootloader的工作机制：bootloader可以访问文件系统，而内核则作为文件而存在。所以bootloader可以访问内核文件，深入的说bootloader访问内核文件时，是将内核文件Vmlinz所在的整个分区当作根去访问的，如访问/Vmlinz而根"/"本身的存在位置是由内核文件自己决定。（因为每个文件必须要有一个自己的起始路径）现代我们常用的内核加载器是grub（Grand Unified Bootloader）以此grub来加载内核。加载内核之前grub所做的工作

4、GRUB:就是MBR中的前 446 个字节，是BooTLoader的一种，它的作用是要选择要启动的内核

primary boot loader : 1st stage，1.5 stage

secondary boot loader ：2nd stage，分区文件

/boot/grub文件夹里面有各种启动的文件备份

主要是由device.map，menulst，stage1,stage2,以及一系列的stage1_5组成。

device.map：存放的是内核文件的根分区

grub.conf：就是菜单列表。里面设置了可以选择的内核菜单，存放于stage2中。

stage：用于grub引导程序过大，所以分2段引导，第一段存放在MBR中，第二段存放于内核文件系统中，第一段引导完成后可以找到第二段。但是，第二段是存放于内核文件系统中的，此时还没有格式化文件系统，如何可以访问到第二段的 menu.lst 呢？？就需要借助于中间层 stage1_5，有它来协助 stage1 段来访问 stage2 段。stage1_5通常位于 stage1 字段后的 63 个扇区。由于stage2 在内存中存放可以使用的文件系统不确定，所以这就是有多个 stage1_5 的原因了。

示例:grub.conf文件

5、kernel：

自身初始化：

探测可识别到的所有硬件设备

加载硬件驱动程序（可能借助于ramdisk加载驱动）

以只读方式挂载根文件系统

运行用户空间的第一个应用程序：/sbin/init

系统启动流程

init程序的类型：

SysV: init, CentOS 5之前

配置文件：/etc/inittab

Upstart: init,CentOS6

配置文件：/etc/inittab ， /etc/init/*.conf

Systemd：systemd, CentOS 7

配置文件：/usr/lib/systemd/system ，/etc/systemd/system

ramdisk：

内核中的特性之一：使用缓冲和缓存来加速对磁盘上的文件访问

ramdisk--> ramfs提高速度

CentOS 5: initrd, 工具程序：mkinitrd

CentOS 6: initramfs，工具程序：mkinitrd, dracut

系统初始化：

POST --> BootSequence(BIOS) --> Bootloader(MBR) --> kernel(ramdisk) --> rootfs(只读) --> init（systemd）

/sbin/init CentOS 6之前

运行级别：为系统运行或维护等目的而设定；0-6：7个级别

0：关机

1：单用户模式(root自动登录), single, 维护模式

2: 多用户模式，启动网络功能，但不会启动NFS；维护模式

3：多用户模式，正常模式；文本界面

4：预留级别；可同3级别

5：多用户模式，正常模式；图形界面

6：重启

默认级别：3（多用户CLI模式）, 5（图形化模式）

切换级别：init#

查看级别：runlevel; who -r

init读取其初始化文件：/etc/inittab

初始运行级别(RUN LEVEL)

系统初始化脚本

对应运行级别的脚本目录

捕获某个关键字顺序

定义UPS电源终端/恢复脚本

在虚拟控制台生成getty

在运行级别5初始化X

CentOS 5的inittab文件

配置文件：/etc/inittab

每一行定义一种action以及与之对应的process

id:runlevel:action:process

action:

wait: 切换至此级别运行一次

respawn：此process终止，就重新启动之

initdefault：设定默认运行级别；process省略

sysinit：设定系统初始化方式，此处一般为指定

/etc/rc.d/rc.sysinit

ca::ctrlaltdel:/sbin/shutdown -t3 -r now

id:3:initdefault:

si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit

l0:0:wait:/etc/rc.d/rc0

l1:1:wait:/etc/rc.d/rc1...

l6:6:wait:/etc/rc.d/rc6

CentOS 6 /etc/inittab和相关文件

/etc/inittab

设置系统默认的运行级别

id:3:initdefault:

/etc/init/control-alt-delete.conf

/etc/init/tty.conf

/etc/init/start-ttys.conf

/etc/init/rc.conf

/etc/init/prefdm.conf

示例:CentOS6的/etc/inittab文件。如果需要设置为图形化启动，把3改成5即可

/etc/rc.d/rc.sysinit: 系统初始化脚本

(1) 设置主机名

(2) 设置欢迎信息

(3) 激活udev和selinux

(4) 挂载/etc/fstab文件中定义的文件系统

(5) 检测根文件系统，并以读写方式重新挂载根文件系统

(6) 设置系统时钟

(7) 激活swap设备

(8) 根据/etc/sysctl.conf文件设置内核参数

(9) 激活lvm及software raid设备

(10) 加载额外设备的驱动程序

(11) 清理操作

说明：rcN --> 意味着开机读取/etc/rc.d/rcN.d/

K*: K##*：##运行次序；数字越小，越先运行；数字越小的服务，通常为依赖到别的服务

S*: S##*：##运行次序；数字越小，越先运行；数字越小的服务，通常为被依赖到的服务

启动服务的脚本：

for srvin /etc/rc.d/rcN.d/K*; do

$srv stop

done

for srvin /etc/rc.d/rcN.d/S*; do

$srv start

done

示例：属于init3开机级别的服务进程文件

chkconfig命令 -- 查看服务在所有级别的启动或关闭设定情形：

chkconfig [--list] [name]

添加：

SysV的服务脚本放置于/etc/rc.d/init.d(/etc/init.d)

chkconfig --add name

#!/bin/bash

#LLLL 表示初始在哪个级别下启动，-表示都不启动

# chkconfig: LLLL nnnn

删除：

chkconfig --del name

修改指定的链接类型

chkconfig [--level levels] name <on|off|reset>

--level LLLL: 指定要设置的级别；省略时表示2345

ntsysv命令：图形化的chkconfig命令

示例:制作一个模拟服务进程，并启动它。

#chkconfig:2345表示能被这几个级别的init程序运行，88表示启动优先级，22表示关闭优先级

把脚本复制到/etc/init.d/目录下面

添加脚本到服务里面，可以看见脚本默认的启动级别了，这个是根据脚本里面来定义的

可以关闭某些运行的级别

可以查看到/etc/rc.d/rcN.d/文件夹下面的各种K和S打头的testservice文件

可以用chkconfig --level N SERVICE on | off 修改服务的开机默认开启状态

可以看见，其实/etc/rc.d/rcN.d/下面的K和S打头的文件就是一个软链接而已~

至于为什么这些只是一个软链接的文件，大家可以参考/etc/rc.d/rc的脚本里面可以看到

例如这里定义K开头的服务，这里只是rc脚本的一部分。

测试此服务开启，关闭

守护进程：xinetd管理的服务（很多的服务依赖于此服务）

service 命令：手动管理服务

service 服务start|stop|restart

service --status-all

瞬态（Transient）服务被xinetd进程所管理

进入的请求首先被xinetd代理

配置文件：/etc/xinetd.conf、/etc/xinetd.d/<service>

与libwrap.so文件链接

用chkconfig控制的服务：

chkconfigtftpon

注意：正常级别下，最后启动一个服务S99local没有链接至/etc/rc.d/init.d一个服务脚本，而是指向了/etc/rc.d/rc.local脚本

不便或不需写为服务脚本放置于/etc/rc.d/init.d/目录，且又想开机时自动运行的命令，可直接放置于/etc/rc.d/rc.local文件中

/etc/rc.d/rc.local在指定运行级别脚本后运行

可以根据情况，进行自定义修改

总结：/sbin/init--> (/etc/inittab) --> 设置默认运行级别--> 运行系统初始脚本、完成系统初始化--> (关闭对应下需要关闭的服务)启动需要启动服务--> 设置登录终端

CentOS 6 init程序为: upstart, 其配置文件：

/etc/inittab, /etc/init/*.conf，配置文件的语法遵循upstart配置文件语法格式，和CentOS5不同

示例：破解CentOS5和6的root口令

首先，在进入菜单这里，点击a进入编辑内核参数

在参数后面加一个1 | s | S | singel 参数都可以，然后输入回车，进入单机模式

在单机模式下面，直接输入passwd命令修改root账号密码，搞定。

grub legacy

CentOS 6启动流程：

POST --> Boot Sequence(BIOS) --> Boot Loader --> Kernel(ramdisk) --> rootfs--> switchroot--> /sbin/init-->(/etc/inittab, /etc/init/*.conf) --> 设定默认运行级别--> 系统初始化脚本rc.sysinit--> 关闭或启动对应级别的服务--> 启动终端

grub: GRand Unified Bootloader

grub 0.97: grub legacy

grub 2.x: grub2

grub legacy:

stage1: mbr

stage1_5: mbr之后的扇区，让stage1中的bootloader能识别stage2所在的分区上的文件系统

stage2：磁盘分区(/boot/grub/)

配置文件：/boot/grub/grub.conf <--/etc/grub.conf(软链接)

stage2及内核等通常放置于一个基本磁盘分区

功用：

(1) 提供启动菜单、并提供交互式接口

a：内核参数

e: 编辑模式，用于编辑菜单

c: 命令模式，交互式接口

(2) 加载用户选择的内核或操作系统

允许传递参数给内核

可隐藏启动菜单

(3) 为菜单提供了保护机制

为编辑启动菜单进行认证

为启用内核或操作系统进行认证

grub的命令行接口

help: 获取帮助列表

help KEYWORD: 详细帮助信息

find (hd#,#)/PATH/TO/SOMEFILE：

root (hd#,#)

kernel /PATH/TO/KERNEL_FILE: 设定本次启动时用到的内核文件；额外还可添加许多内核支持使用的cmdline参数

例如：max_loop=100 selinux=0init=/path/to/init

initrd/PATH/TO/INITRAMFS_FILE: 设定为选定的内核提供额外文件的ramdisk

boot: 引导启动选定的内核

cat /proc/cmdline 查看内核的位置

内核参数文档:/usr/share/doc/kernel-doc-2.6.32/Documentation/kernel-parameters.txt

识别硬盘设备：

(hd#,#)

hd#: 磁盘编号，用数字表示；从0开始编号

#: 分区编号，用数字表示; 从0开始编号

(hd0,0) 第一块硬盘，第一个分区

手动在grub命令行接口启动系统：

grub> root (hd#,#)

grub> kernel /vmlinuz-VERSION-RELEASE roroot=/dev/DEVICE

grub> initrd/initramfs-VERSION-RELEASE.img

grub> boot

配置文件：/boot/grub/grub.conf

default=#: 设定默认启动的菜单项；落单项(title)编号从0开始

timeout=#：指定菜单项等待选项选择的时长

splashimage=(hd#,#)/PATH/TO/XPM_FILE：菜单背景图片文件路径

hiddenmenu：隐藏菜单

password [--md5] STRING: 启动菜单编辑认证

title TITLE：定义菜单项“标题”, 可出现多次

root (hd#,#)：grub查找stage2及kernel文件所在设备分区；为grub“根”

kernel /PATH/TO/VMLINUZ_FILE [PARAMETERS]：启动的内核

initrd/PATH/TO/INITRAMFS_FILE: 内核匹配的ramfs文件

password [--md5] STRING: 启动选定的内核或操作系统时进行认证

grub-md5-crypt命令

破解root口令：

启动系统时，设置其运行级别1

进入单用户模式：

(1) 编辑grub菜单(选定要编辑的title，而后使用e命令);

(2) 在选定的kernel后附加1, s, S或single都可以；

(3) 在kernel所在行，键入“b”命令

openssl 命令

openssl passwd -1 密码加密

openssl passwd -salt "HRSby" -1 指定盐为"HRSby"

grub安装

安装grub：

(1) grub-install

安装grub stage1和stage1_5到/dev/DISK磁盘上，并复制GRUB相关文件到DIR/boot目录下

grub-install --root-directory=DIR /dev/DISK

(2) grub

grub> root (hd#,#)

grub> setup (hd#)

示例1：新建一个启动项，并且调整内核参数

修改grub.conf文件的参数

default=1 即是开机的时候默认启动第二个选项，默认是0

password --md5 XXX 那里的意思，如果在title前面，那么进入菜单栏前面的时候会提示输入密码，

如果在title后面。那么在进入指定的菜单的时候，会提示输入密码。

kernel 内核后面加了max_loop=20 selinux=0 rhgb quiet，一会看一下效果

然后在此处，默认选中了刚创建的Hello Linux的启动菜单

在进入菜单后，会发现，提示我们输入密码

kernel rhgb quiet 的效果，静默进入操作系统，这个功能不建议选用，因为看不到开机的启动菜单

如果没有内核参数rhgb quiet的话，我们可以看见每个进程的开机自检过程

kernel max_loop=20的效果,默认的话只有7个

示例2：当引导有问题的时候，手动输入命令启动系统

假如grub里面设置了系统启动密码

启动的时候发现忘记了密码，囧，怎么办

此时可以退回菜单，选择c的的cli启动方式。

手动输入root的位置，内核，以及initramfss的位置，然后输入boot加载

因为selinux的关系，启动的时候可能系统会进行自检，此时等待一会就可以了，又后者可以在内核参数那里直接添加selinux=0来跳过系统自检

然后发现已经可以登陆进去系统了，此时再登陆进去，然后把grub.conf里面的password删掉就可以了

示例3：分区情况下，删除/boot 和/etc/fstab，破坏446字节的mbr信息，并恢复之

首先，破坏mbr前446个字节，把/boot目录下面所有的文件删除，把/etc/grub.conf文件删除

此时再重启，会发现，计算机根本就识别不到硬盘上面的系统

此时我们放入光盘（此步骤也可以从其他有同样文件的地方来scp拷一份过来）

加载光盘里面的救援模式

然后进去救援模式，会提示我们的计算机上面没有发现linux分区，因为我们前面把分区表破坏了

此处选择开启shell就可以

进入到救援模式的cli界面，此时需要操作的是：

假设我们并不了解此计算机的分区，首先要查询原来的分区表，此时可以用用lsblk命令查看到此前系统的块设备信息，虽然可以看到块设备信息，但是我们还是不能够了解此前的分区信息，df命令出来的结果也并没有显示，所以，此时我们只能够推断此前的/根目录是在哪个位置。
创建一个空的目录，然后把块设备挂载到此目录
通过挂载，然后ls查看里面的信息，然后可以推断出来此前的根目录大概是哪里，还有boot分区在哪里，找到根目录和boot目录，然后就可以进入下一步的操作了
创建/etc/fstab文件，以保存我们已知的分区信息