Linux系统启动过程及其修复过程简析

21fsdsd

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
  
  

此处由于暂时只知道两个信息，然后把信息写入到此文件
完成此挂载信息后，千万不能自己再对根目录等进行操作，以免造成其他问题，此处应该要重启电脑

重启电脑以后再进入救援模式，会发现，已经提示有找到linux系统了，并且把系统挂载到了/mnt/sysimage目录下面


之前那一步骤，只是稍微的修复了系统配置文件里面的两个分区的信息而已
下面，我们需要对内核和grub进行修复
1.首先，挂载光驱到一个空目录，然后安装光盘里面的内核~


2.安装完内核以后，我们可以切换到真实的系统，可以发现/boot目录下面的文件大部分已经修复了，但是此处还是没有grub.conf文件
3.然后我们开始对grub文件进行修复，命令是grub-install DEVICE
修复的过程中，会弹出来好多信息，注意的是千万不要中断此操作，不然会出现问题

等了一段时间以后，会发现修复已经完成，但是grub文件还是没有，因为此处只是修复mbr

然后我们自己创建一个grub.conf的文件，并且手动添加以下等核心信息

编辑完，重启计算机

然后此处会遇上selinux自检，需要等待一段时间了，如果想调过此步操作，可以在之前的操作里面添加到kernel那一行的最后那里输入selinux=0，以此来关闭selinux,不过不是很建议这么操作。

好久以后，发现登陆界面已经出来了~此时修复操作已经完毕。

注意:此操作是恢复了，但是分区表里面的信息，还是刚刚手动添加的分区表的信息，所以重启挂载那些分区也是一个麻烦的事情，通过此案例，大家可以知道mbr引导，/boot目录和/etc/fstab的重要性了吧？所以这些文件，最好平时就最好备份的操作，以免等到出现问题才来修复，会浪费很多的时间的。
示例4:假设是在逻辑卷情况下，删除mbr 、/boot 和/etc/fstab，并且恢复之
之前的示例3是在普通的磁盘上面的修复操作，但是生产环境中，很可能我们会用上逻辑卷等，那么修复的操作就一样了，但是修复的原理是跟示例3的几乎是一样的，只是在修复逻辑卷的地方稍有不同。
此处的前面的步骤是跟示例3的是一样的，所以此处只界面跟示例3不一样的地方

首先，也是需要进入救援模式
当mbr 、/boot 和/etc/fstab等信息删除以后，进入救援模式里面也是提示找不到linux分区，此处我们依然不需要理会

进入到救援模式里面，我们直接用blkid命令，发现逻辑卷也没有显示出来，所以此处应该用逻辑卷的命令
1、输入lvscan,然后就可以查找到此前系统里面的逻辑卷，并且此处带有逻辑卷板的卷标，一看就知道该逻辑卷是挂载到哪里的，这样的话对于我们修复的帮助就非常大
2、输入vgchange -ay激活逻辑卷分区，默认的话是不激活的，所以开始的时候用blkid是不会显示，在激活以后再输入blkid，会发现已经可以查看到相关的信息。
3、找到分区信息的，下一步就跟示例3的一样，需要挂载分区信息了

编辑/etc/fstab文件，输入相关的挂载信息

编辑完文档，此刻就可以重启了

重启完再重新进入救援模式，会提示系统已经挂载到/mnt/sysimage目录里面的，跟此前的操作是一样的

进入到救援模式，就开始修复grub的mbr信息，此操作过程跟示例3的一样就不重复展示了。
修复完mbr的信息,此时就可以手动创建grub.conf文件

此处的kernel后面root=/dev/vg0/root,而不是此前的/dev/sda2,需要注意了，应该现在的root根目录是挂载在逻辑卷里面，此处就是指定根的目录位置，编辑完grub.conf文件，确认没有问题就重启电脑

重启完电脑以后，可以发现已经可以重新进入系统了，此处实验已经完毕。


示例5：修改Linux开机背景
有时候，Linux黑色的开机北京略显无聊，此处我们当然也可以修改拉
在grub.conf文件里面我们可以此处有一个指向(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz文件，这个就是开机的背景文件了，并且是个压缩的文件。

此文件我们可以在/boot/grub目录下面看到它，好了，既然知道文件在那里，那么修改起来大家就知道怎么操作了吧？不过有一个要求就是此图片的分辨率为640x480.而且替换的背景的图片也需要跟原文件一样的后缀名，就是需要生成XXX.xpm.gz这样格式的图片
此处我们需要一个linux的工具ImageMagick软件

然后把需要替换的原图，用此工具编辑一下，然后把编辑完的图片放到/boot/grub/目录下面

这就是修改完开机背景的linux系统，是不是很炫酷？

修改图片具体操作步骤