千知博客

原文作者:xhuacmer

 一、总体结构

本文旨在分析在X86体系结构下CentOS 7 ISO镜像安装CentOS的过程，从ISO镜像boot起来到安装程序anacoda被启动起来进行软件包的安装。Linux CentOS ISO镜像安装系统的Boot过程和系统安装好后的boot过程在主体流程是一致的，只是用的bootloader有差异。目前ISO镜像安装盘使用的isolinux作为其bootloader,而正常的CentOS系统启动现阶段主流的bootloader一般是Grub2。ISO镜像安装的boot主要过程如下图1所示，这其中涉及到硬件POST自检、BIOS、磁盘分区、主引导记录MBR等前置知识点1。本文不会详细描述这部分的细节，只会在具体的流程中描述它起了什么作用。

图1

既然是分析CentOS ISO镜像的boot过程，我们先展示CentOS ISO镜像目录结构内容如图2所示，这里阐述一下涉及到boot过程的几个重要目录。

isolinux  目录主要存放光盘启动时的加载kernel的bootloader isolinux.bin以及其配置文件isolinux.cfg，kernel文件vmlinuz，虚拟文件系统initrd.img。

images   目录包括了PXE启动时必要的启动映像文件。

Packages 目录存放需要安装到系统上的rpm软件包及信息。

Repodata 目录存放rpm包依赖信息。

LiveOS   目录存放了一个重要只读文件系统squashfs.img镜像，安装程序anaconda就放在镜像中。

EFI      目录存放的EFI引导模式下所需的引导文件，如BOOTX64.EFI、grubx64.efi。

                                                      图2

二、详细分析

现在准备工作基本完毕，我们结合图1的流程图来逐一分析安装启动过程，并与CentOS ISO镜像目录结构内容中进行匹配。

2.1 系统固件初始化

现在x86架构上要想启动整个操作系统首先就要让机器加载 BIOS (Basic Input Output System)，BIOS用于计算机硬件自检、CMOS设置、引导操作系统启动、提供硬件I/O、硬件中断等4项主要功能，因此BIOS程序可以分为若干模块，主要有Boot Block引导模块、CMOS设置模块、扩展配置数据（ESCD）模块、DMI收集硬件数据模块，其中引导模块直接负责执行BIOS程序本身入口、计算机基本硬件的检测和初始化，ESCD用于BIOS与OS交换硬件配置数据，DMI则充当了硬件管理工具和系统层之间接口的角色，通过DMI，用户可以直观地获得硬件的任何信息，CMOS设置模块就是实现对硬件信息进行设置，并保存在CMOS中，是除了启动初始化以外BIOS程序最常用的功能。

BIOS会根据CMOS中用户指定的硬件启动顺序，读取相应设备的启动或引导记录，引导相应设备上的操作系统启动，进入操作系统，此后便由操作系统接替BIOS负责硬件和软件间的相互通信。如果发现所有硬件都没有能引导操作系统的记录，则会在屏幕上显示相应错误信息，并将电脑维持在16位实模式。

2.2 加载bootloader

如2.1所描述，BIOS会读取MBR中存放的bootloader，即图3所示的isolinux目录下的isolinux.cfg文件，isolinux.cfg会协助进一步加载isolinux.bin。isolinux.bin会根据isolinux.cfg配置文件内容显示相应的boot菜单选择进行kernel的加载。

                                             图 3

2.3 加载kernel与initrd

isolinux.bin完成加载后，会根据用户在boot menu中的选择进行对应kernel的加载。Kenel自身是一个压缩文件，但是在kernel文件头部嵌入有解压的代码。Kernel就会将自己解压缩到主存储器当中， 并且利用内核的功能，开始测试与驱动各个周边装置，包括储存装置、CPU、网卡、声卡等等。 此时内核会以自己的功能重新侦测一次硬件，但是不一定会使用 BIOS 侦测到的硬件信息，此时内核才开始接管 BIOS 后的工作了。

同时bootloader会加载initrd虚拟文件系统，虚拟文件系统 (Initial RAM Disk 或 Initial RAM Filesystem) 一般使用的文件名为initrd.img或 initramfs_xxx.img ，这个文件能够通过 Boot Loader 来加载到内存中，然后这个文件会被解压缩且在内存当中仿真成一个根目录， 这个仿真目录在内存当中的文件系统能够提供一个可执行的程序，通过该程序来加载开机过程中所最需要的核心模块， 通常这些模块就是USB, RAID, LVM, SCSI等文件系统与磁盘接口的驱动程序。等到载入完成后，会帮助Kernel重新呼叫systemd来开始后续的正常开机流程。这里为什么需要initrd虚拟文件系统，需要补充这方面的知识。此步骤所需的Linux kernel文件与initrd.img文件如图3所示。

Initrd.img在内存中解压后的目录结构如图4所示，这和Linux所需的根文件系统结构基本保持一致。需要注意的是 initrd.img并没有囊括了所有东西，它仅仅包含了是开机过程会用到的核心模块而已。所以如果在initrd.img里面去找modules这个关键词的话，就可以发现主要的核心模块大概就是 SCSI、virtio、RAID等等跟磁盘相关性比较高的模块。现在由于磁盘大部分都是使用SATA，并没有IDE的格式了，所以没有initrd.img就无法顺利启动Linux系统，除非是将SATA的模块直接编译到内核。

                                                     图4

2.4 系统初始化

Kernel所需的基础运行环境到此已经准备就绪，Kernel会调用虚拟根文件系统中的init程序进行系统初始化。对于CentOS 7以上版本，init程序已经不是传统linuxrc脚本，而是Systemd，如图5所示。

                                                                                                                            图 5

 Systemd调用起来默认执行default.target，对于本文所描述的场景是执行initrd.target，如图6所示，initrd.target的部分依赖关系如图7所示。

                                                                                                                          图 6

                                                                                                                         图 7

initrd.target是需要读入一堆例如 basic.target, sysinit.target等等的硬件侦测、核心功能启用的流程，然后开始让系统顺利运作。最终才又卸除 initramfs 的小型文件系统，然后去挂载系统实际的根目录。

2.5 挂载squashfs.img

Squashfs.img镜像为一个只读压缩文件系统，在上述2.4步骤完成后，squashfs.img会挂载作为CentOS安装过程的根文件系统，形成一个特殊的安装环境。存储与其中的Systemd会被重新唤醒进行相应的target，如graphical.target，启动图形界面安装界面。

                                                                                                                                     图 8

2.6 启动anaconda

Anaconda启动后就会进行系统相关RPM包的安装。Anaconda安装程序的启动是有systemd执行anaconda.target的结果，anaconda.target被执行的依赖关系如下图所示。

                                                                                                                                 图9

                                                                                               图10

anaconda 在进行操作系统安装时会经由如下几个步骤:

安装前配置阶段，主要是设置一些参数。

安装过程使用的语言；

键盘类型

安装目标存储设备

Basic Storage：本地磁盘

Special Storage： iSCSI

设定主机名

配置网络接口

时区

管理员密码

设定分区方式及MBR的安装位置；

创建一个普通用户；

选定要安装的程序包；

安装前配置阶段有两种参数设置方式，一是安装交互式配置方式，利用 anaconda 提供的安装界面，逐项进行选择配置；二是通过读取配置文件中，事先定义好的配置项，自动完成配置；此文件即为kickstart文件。

安装阶段

在目标磁盘创建分区并执行格式化；

将选定的程序包安装至目标位置；

安装bootloader；

Reboot首次启动

iptables

selinux

core dump

参考文献

[1].https://access.redhat.com/documentation/en-us/red_hat_enterprise_linux/7/html/anaconda_customization_guide/sect-iso-images

[2].https://docs.centos.org/en-US/8-docs/standard-install/assembly_preparing-for-your-installation/

[3].https://www.cnblogs.com/simpman/archive/2013/05/29/3105550.html

[4].https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/

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