Kernel Initialisierung

Schaubild

1. GRUB2 wird in den Speicher geladen.
2. Anhand seiner Konfiguration (/boot/grub/grub.cfg) wählt GRUB2 den Kernel aus.
3. Der Kernel wird in den Speicher geladen.
4. Die Ramdisk (initramfs) wird in den Speicher geladen.
5. Der Kernel initialisiert sich und startet /init aus der initramfs. Diese lädt die nötigen Module und mountet das root-Dateisystem.
6. Danach wird systemd gestartet. (Der Übergang zum Userspace)
7. systemd wird in den RAM geladen.
8. systemd startet weitere Programme.
9. Diese werden in den Speicher geladen.

Kerneldatei in den Speicher laden

• Nachdem der zu ladende Kernel ausgewählt und evtl. weitere Bootparameter eingegeben wurden, lädt der Bootloader den Kernel in den Hauptspeicher.
• Hier sind bei Linux grundsätzlich zwei Varianten zu unterscheiden.
• Zum einen kann der Kernel unkomprimiert vorliegen.
• Der Einstiegspunkt für die Ausführung ist dann mit dem Beginn des Kernelcodes identisch.
• Zum anderen kann der Kernel komprimiert sein.
• In diesem Fall wurde dem Kernel beim Übersetzen ein kleines Programmstück vorangestellt.
• Dies ist für das Entpacken des Kernels und das Finden des richtigen Einstiegspunktes zuständig.
• Eine unkomprimierte Kerneldatei erkennt man nach dem Übersetzen an ihrem Namen vmlinux.
• Eine komprimierte Kerneldatei heißt vmlinuz, zImage oder bzImage.
• Auf PCs (x86) ist das heute immer ein bzImage, das die Distributionen als /boot/vmlinuz-<Version> ablegen.
• Gehen wir also nun davon aus, dass der Kernel geladen und der korrekte Einstiegspunkt gefunden wurde.

Selbst nachschauen

• ls -l /boot

-rw-r--r-- 1 root root 78117255 Okt 15 19:26 initrd.img-6.12.95+deb13-amd64
-rw-r--r-- 1 root root 12122048 Jul  4 20:24 vmlinuz-6.12.95+deb13-amd64

• file /boot/vmlinuz-$(uname -r)

/boot/vmlinuz-6.12.95+deb13-amd64: Linux kernel x86 boot executable, bzImage, ... ZST compressed ...

• Der Kernel ist hier mit zstd komprimiert.

Die initramfs

• Der Kernel hat nicht alle Treiber fest eingebaut. Bei Debian ist z.B. sogar ext4 ein Modul.
• Um die root-Partition zu lesen, braucht er aber den Treiber für den Plattencontroller und für das Dateisystem.
• Diese Module liegen auf der root-Partition, an die er ohne sie nicht herankommt.
• Die Lösung ist die initramfs (initial RAM filesystem), oft noch Ramdisk oder initrd genannt.
• Sie ist ein kleines, gepacktes Dateisystem mit den nötigen Modulen und Werkzeugen.
• GRUB2 lädt sie zusammen mit dem Kernel in den Speicher.
• Der Kernel entpackt sie in den RAM und startet das Programm /init daraus.
• /init lädt die Module, findet die root-Partition (z.B. über die UUID) und mountet sie.
• Danach wechselt es mit switch_root bzw. run-init auf die echte root-Partition und startet dort /sbin/init.
• Debian baut die initramfs mit update-initramfs, Rocky mit dracut.

Inhalt ansehen

• lsinitramfs /boot/initrd.img-$(uname -r) | less
• lsinitramfs /boot/initrd.img-$(uname -r) | grep ext4.ko

usr/lib/modules/6.12.95+deb13-amd64/kernel/fs/ext4/ext4.ko.xz

• Rocky: lsinitrd

Übergang vom Kernelspace zum Userspace

• Das root-Dateisystem wird zunächst readonly gemountet (Bootparameter ro).
• So kann es beim Start noch geprüft werden.
• Später hängt systemd es laut /etc/fstab les- und schreibbar ein.
• Als letztes wird das Programm gestartet, das im Bootparameter init steht.
• Ohne diesen Parameter ist das /sbin/init, heute ein Link auf systemd.
• Dies ist der Prozess mit der Nummer EINS und dieser startet nun alle Userspace-Programme.
• readlink -f /sbin/init

/usr/lib/systemd/systemd

• ps -o pid,comm -p 1

    PID COMMAND
      1 systemd

• Wie lange welcher Abschnitt gedauert hat, zeigt systemd-analyze:

Startup finished in 10.848s (firmware) + 6.990s (loader) + 4.092s (kernel) + 10.861s (userspace) = 32.792s

• Prozesse Eltern und Kinder

Bootparameter übergeben

• Der Linux-Kernel kann mit einer Vielzahl unterschiedlicher Parameter geladen werden.
• Diese schalten meist bestimmte Funktionen ein oder aus.
• Dies ist insbesondere im Fehlerfall von Interesse.
• Startet das System z.B. wegen eines Grafiktreibers nur mit schwarzem Bildschirm, hilft der Parameter nomodeset.
• Bestünde diese Möglichkeit nicht, so wäre es u.U. gar nicht mehr möglich, das betreffende System hochzufahren.
• Die Übergabe solcher Parameter ist auf zweierlei Weise möglich:
• Zum einen können Standardparameter, die man bei jedem Systemstart übergeben möchte, in einer Konfigurationsdatei festgehalten werden.
• Zum anderen kann man beim Systemstart die Parameter einmalig im GRUB-Menü ändern.

Aktuelle Parameter anzeigen

• cat /proc/cmdline

BOOT_IMAGE=/boot/vmlinuz-6.12.95+deb13-amd64 root=UUID=39e34c3f-a1b2-4f30-8c6e-13c067430a26 ro quiet

Einmalig im GRUB-Menü

• Im GRUB-Menü den Eintrag markieren und e drücken.
• In der Zeile, die mit linux beginnt, den Parameter ans Ende anhängen.
• Mit Strg+X oder F10 starten.
• Die Änderung gilt nur für diesen einen Start.

Dauerhaft

• Debian: in /etc/default/grub die Zeile GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT ändern

GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet"

• Danach die GRUB-Konfiguration neu schreiben:
• update-grub
• Rocky: grubby --update-kernel=ALL --args="nomodeset"

Wichtige Bootparameter

Parameter	Wirkung
root=UUID=...	welche Partition das root-Dateisystem ist
ro / rw	root zuerst nur lesbar / gleich schreibbar mounten
quiet	weniger Meldungen beim Start
nomodeset	Grafiktreiber erst später laden, hilft bei schwarzem Bildschirm
systemd.unit=rescue.target	Rettungsmodus, root-Passwort nötig
init=/bin/bash	statt systemd direkt eine Shell starten (Notfall, root-Passwort vergessen)
modprobe.blacklist=modulname	ein Modul für diesen Start nicht laden

Links

• Liste wichtiger Bootoptionen (EN)
• Alle Kernelparameter (EN)