Стартовый виртуальный диск и модули ядра

Пересборка ядра в наше время требуется очень редко. Во-первых, в Linux поддерживается несметное количество различных внешних устройств, драйверы которых (особенно похожих, но разных) вполне могут помешать друг другу работать, если их использовать одновременно. Пришлось бы собирать множество разных ядер, без возможности указать пользователю, какое из них подходит для его компьютера. Во-вторых, выяснением того, какой именно драйвер необходим найденному устройству, занимаются сейчас специальные программы, в распоряжении которых есть целые базы данных - ядру такую работу выполнять неудобно, да и незачем. Это делает процедуру пересборки ядра почти что обязательной (пока не загружено базовое ядро, непонятно, какие драйверы добавлять в профильное). А в-третьих, пересборка ядра требует весьма высокой квалификации. Этот процесс нельзя ни автоматизировать, ни упростить. Утилита linuxconf, устроенная именно для этого на основе окон и меню, дает на выходе работоспособное ядро в трех случаях: (1) в руках профессионала, (2) при четком следовании полной инструкции и (3) по случайности5).

Совсем другие времена настали, когда изобрели и активно внедрили в Linux загружаемые модули ядра. Модуль ядра - это часть ядра Linux, которую можно добавлять и удалять во время работы системы. Модуль ядра - не процесс, он работает в режиме супервизора и в таблице процессов не регистрируется: это набор подпрограмм для работы с определенным устройством, которые добавляются к возможностям ядра6). При загрузке в память модуль компонуется с ядром, образуя с ним одно целое. Просмотреть список загруженных модулей можно командой lsmod, а подгрузить модуль в память, добавив его к ядру, и удалить его оттуда - командами insmod и rmmod соответственно.

# lsmod

Module Size Used by Not tainted

usb-uhci 21676 0 (unused)

Изменилось и базовое ядро: теперь оно включает в себя только устройства, необходимые для загрузки системы: главным образом диски и графическую консоль. Остальные устройства определятся уже самой системой - тогда можно будет и распознать экзотическую аппаратуру, и модуль для нее подгрузить. Однако полностью перевести драйверы всех внешних устройств в модули мешает следующее соображение: что, если загрузка системы происходит именно с того устройства, чей модуль еще не загружен в ядро, например, с дискового массива (RAID)? Вторичный загрузчик и ядро можно, недолго думая, разместить на другом носителе (например, на лазерном диске) или добыть с дискового массива средствами BIOS (карты размещения позволяют не обращать внимания на логическую структуру RAID). Но как добыть модуль работы с RAID, тот самый, что распознает эту логическую структуру?

Модуль ядра. Необязательная часть ядра, расширяющая его функциональность. Модуль можно загрузить в память или удалить оттуда в процессе работы системы.

Подсистема загрузки GRUB умеет разбираться в файловых системах и даже подключать модули к ядру, однако для того, чтобы сделать процесс загрузки более или менее универсальным, пришлось бы обучить GRUB всем видам логики RAID и всем способам подключения модулей. И то, и другое постоянно изменяется, и успевать за этими изменениями означает поддерживать собственную, параллельную Linux, дисковую подсистему.

Вдумаемся. Для того чтобы средствами Linux подключить модуль ядра, работающий с дисковым устройством, необходимо загрузить Linux с этого же устройства. Так ли это невозможно? Ведь если можно прочесть оттуда "ядро", то, наверное, можно прочесть и "Linux"? Более точно, вдобавок к одной области данных, соответствующей ядру, надо прочитать вторую, соответствующую некоторой уменьшенной до предела установке Linux, в которой содержатся только нужные программы и модули, загрузить оттуда "маленький Linux", который настроит и подключит злополучный RAID и запустит процесс загрузки полноценной системы оттуда.

Предельно сжатый вариант Linux есть - это проект busybox, используемый во встроенных системах, где дорог каждый байт. Разместить файловую систему в памяти тоже легко - этим, например, занимается модуль tmpfs, который можно включить в базовое ядро (подробнее о типах файловых систем будет рассказано в лекции 11). Осталось только обучить подсистемы загрузки GRUB и LILO считывать не одну, а две области данных - ядро и образ файловой системы. Ядру при этом передается параметр "пользуйся виртуальным диском", чтобы оно подключило загруженный образ в качестве временной корневой файловой системы. Можно также потребовать, чтобы память, занимаемая временной файловой системой, освобождалась в процессе дальнейшей загрузки.

Такой механизм называется initrd (initial ram disk, где "ram" - это не "баран", а random access memory, то есть оперативная память) или стартовым виртуальным диском. Стартовый виртуальный диск собирается по команде mkinitrd в соответствии с профилем компьютера и записывается на диск по тем же правилам, что и ядро. В примере двухсистемной машины, за которой работал Мефодий, также был стартовый виртуальный диск, причем довольно маленький:

[root@localhost root]# ls -lg /boot

drwxr-xr-x 2 root 4096 Nov 20 21:08 grub

-rw------- 1 root 205374 Nov 9 01:33 initrd-2.4.26-std-up.img

lrwxrwxrwx 1 root 29 Nov 9 01:33 initrd-up.img ->

initrd-2.4.26-std-up.img

-rw------- 1 root 45056 Nov 20 19:07 map

-rw-r--r-- 1 root 935892 Aug 3 21:59 vmlinuz-2.4.26-std-up

lrwxrwxrwx 1 root 26 Nov 9 01:33 vmlinuz-up -> vmlinuz-2.4.26-std-up Пример 10.5. Размеры и наименование файлов с ядром и стартовым виртуальным диском

Как видно из примера, ядро в четыре раза превосходит по размеру стартовый виртуальный диск. Стоит заметить, что и ядро, и образ диска упакованы с помощью утилиты gzip (причем ядро умеет распаковываться в памяти самостоятельно), поэтому их действительный размер - больше. В файле map хранится карта размещения LILO, а упомянутые в lilo.conf и menu.lst файлы vmlinuz-up и initrd-up.img оказались символьными ссылками на файлы с более "говорящими" именами. Никаких требований к названиям ядер в Linux нет, это дело авторов дистрибутива. В этом случае в имени ядра и образа диска

встречается версия ядра (2.4.26), тип сборки std (по-видимому, "standard") и тип архитектуры up (uniprocessor, т.е. однопроцессорная).

Стартовый виртуальный диск. Минимальный набор программ и модулей Linux, необходимый для обеспечения загрузки системы. Представляет собой виртуальную файловую систему в оперативной памяти. Загружается вторичным загрузчиком вместе с ядром.