郭垚 閆博文 王少君

摘要 ：為了解決用戶在遇到缺少存儲介質(zhì)或未適配硬件時無法使用live系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)啟動的問題。使用live系統(tǒng)啟動流程大致分為四步，啟動介質(zhì)選擇，加載內(nèi)核及必須的驅(qū)動，內(nèi)存加載SquashFS文件，掛載根文件系統(tǒng)并初始化。其中，本專利主要針對的是啟動介質(zhì)的維護及驅(qū)動快速適配。我們使用了“以local系統(tǒng)為宿主的live系統(tǒng)實現(xiàn)機制”技術(shù)。本文詳細介紹了local系統(tǒng)的實現(xiàn)及優(yōu)勢，將local系統(tǒng)作為宿主實現(xiàn)live系統(tǒng)詳細實現(xiàn)流程，并詳細闡述了使用本專利技術(shù)帶來的優(yōu)勢。采用以local系統(tǒng)為宿主的live系統(tǒng)實現(xiàn)機制，相比原live系統(tǒng)大大減少了對存儲介質(zhì)的依賴，并提升了對硬件設(shè)備的兼容性。

關(guān)鍵詞 Local系統(tǒng);Live系統(tǒng);SquashFS（只讀文件壓縮）;BIOS;initramfs（內(nèi)存加載臨時根文件）

1簡介

使用live系統(tǒng)啟動linux操作系統(tǒng)時過于依賴外部介質(zhì)，以及在使用過程中會出現(xiàn)高額的硬件適配維護成本，為了解決這些問題，我們使用了“以local系統(tǒng)為宿主的live系統(tǒng)實現(xiàn)機制”技術(shù)。

本專利技術(shù)中發(fā)現(xiàn)Local系統(tǒng)無需依賴外部介質(zhì)，并存在大量可用的穩(wěn)定存儲空間，squashfs-tools的文件壓縮也可直接壓縮至Loacl系統(tǒng)中，這樣通過squashfs-tools將原Live系統(tǒng)中的SquashFS文件壓縮至Local系統(tǒng)即可無需外部介質(zhì)也能正常啟動Live系統(tǒng)，并且通過本技術(shù)中的菜單引導(dǎo)項以及initramfs的虛擬根文件系統(tǒng)，減少對硬件驅(qū)動的維護成本。

2根文件系統(tǒng)宿主轉(zhuǎn)移設(shè)計

2.1 簡要分析

一個標(biāo)準(zhǔn)的Linux系統(tǒng)，必須要有一個完整的根文件系統(tǒng)，Live文件系統(tǒng)作為以外部介質(zhì)為存儲的啟動系統(tǒng)，直接從CD-ROM或類似存儲設(shè)備運行到計算機內(nèi)存中的操作系統(tǒng)，而不是從硬盤驅(qū)動器中加載。Live系統(tǒng)可以在沒有輔助存儲（例如硬盤驅(qū)動器）或損壞的硬盤驅(qū)動器或文件系統(tǒng)的計算機上運行，從而可以恢復(fù)數(shù)據(jù)。

Live系統(tǒng)主要分為兩部分：完整的根文件系統(tǒng)，Linux內(nèi)核啟動管理器。但由于受硬件設(shè)備的限制，不可能直接將根文件系統(tǒng)拷貝到計算機內(nèi)存中去使用，必須使用SquashFS對根文件系統(tǒng)進行壓縮，然后將其加載進內(nèi)存中供操作系統(tǒng)調(diào)用。

Local文件系統(tǒng)直接儲存在硬盤中，隨時可供系統(tǒng)讀寫，依賴硬盤存儲，并具備完整的適配驅(qū)動。一般的PC機上自啟動的系統(tǒng)則是依賴Local文件系統(tǒng)，但是由于硬件存儲的局限性，無法做到系統(tǒng)可移動啟動，一旦硬盤出現(xiàn)損壞將會導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常運行。

本技術(shù)結(jié)合Local的優(yōu)勢，將Live文件系統(tǒng)依賴的啟動介質(zhì)轉(zhuǎn)移至機器硬件上，減輕了Live文件系統(tǒng)對外部介質(zhì)的依賴，并且由于Local文件系統(tǒng)中存在完整的系統(tǒng)內(nèi)核和必備的硬件驅(qū)動，在使用本技術(shù)時可以避免對這部分的額外維護。

2.2 與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)

Live文件系統(tǒng)本質(zhì)上是一個簡易的Linux操作系統(tǒng)，其技術(shù)是將Linux系統(tǒng)的根文件進行壓縮管理，壓縮成SquashFS文件，在使用時將Live文件系統(tǒng)中的SquashFS加載進內(nèi)存中供操作系統(tǒng)調(diào)用，Live文件系統(tǒng)的啟動則一般使用Syslinux、GRUB、GRUB Legacy和LILO，指引用戶選擇正確的Live文件系統(tǒng)選項，加載內(nèi)核及initramfs，保證系統(tǒng)的完整性。

使用Live文件系統(tǒng)啟動流程如下圖：

1.用戶進入BIOS設(shè)置界面，將承載Live文件系統(tǒng)的介質(zhì)作為系統(tǒng)的啟動盤;

2.等待系統(tǒng)加載承載介質(zhì)中的內(nèi)核及initramfs;

3.完成內(nèi)核及initramfs加載后，查找Live文件系統(tǒng)中的SquashFS文件;

4.將SquashFS文件加載到內(nèi)存中，供Linux內(nèi)核讀寫;

5.將內(nèi)存中的SquashFS文件以偽設(shè)備的形式進行掛載，并作為當(dāng)前系統(tǒng)的根文件系統(tǒng);

6.掛載根文件完成后，調(diào)用初始化腳本對操作系統(tǒng)進行初始化，完成Live系統(tǒng)的啟動。

2.3現(xiàn)有技術(shù)的缺點

用戶選擇使用Live文件系統(tǒng)啟動，必須將Live文件系統(tǒng)存儲到額外的存儲介質(zhì)，并保證該存儲介質(zhì)有足夠的空間存放，一旦缺少存儲介質(zhì)，該技術(shù)則無法使用，因此使用Live文件系統(tǒng)對存儲介質(zhì)的依賴太強。由于當(dāng)前Live文件系統(tǒng)多數(shù)是可移動的，無法適配所有機型，因此在Live文件系統(tǒng)中必須使用單獨的內(nèi)核及必要的設(shè)備驅(qū)動，一旦出現(xiàn)使用的Live文件系統(tǒng)中設(shè)備驅(qū)動無法適配當(dāng)前機型，則會導(dǎo)致在使用Live文件系統(tǒng)時需要額外新增當(dāng)前機型的設(shè)備適配，這樣大大增加了系統(tǒng)的維護成本。

3本發(fā)明技術(shù)方案的詳細闡述

3.1本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明解決了Linux操作系統(tǒng)使用Live文件系統(tǒng)帶來的下列技術(shù)問題：

1.當(dāng)缺少外部介質(zhì)時仍可以正常使用Live文件系統(tǒng)，減輕Live文件系統(tǒng)對存儲介質(zhì)依賴;

2.避免使用Live文件系統(tǒng)時對基礎(chǔ)設(shè)備驅(qū)動帶來的維護成本;

3.2本發(fā)明提供的完整技術(shù)方案

3.2.1根文件宿主轉(zhuǎn)移

完整的根文件系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)必備的，正常使用的Linux根文件系統(tǒng)一般是存儲在硬盤中，系統(tǒng)運行需要提供文件讀寫服務(wù)，如果用戶使用Live文件系統(tǒng)作為機器運行系統(tǒng)，則系統(tǒng)運行依附于運行環(huán)境內(nèi)存，當(dāng)前市場是普遍使用的機器并沒有太大的內(nèi)存，因此使用Live文件系統(tǒng)其根文件系統(tǒng)不能過大，為了保證運行環(huán)境內(nèi)存的充分利用，一般Live文件系統(tǒng)使用的根文件系統(tǒng)都是壓縮之后的，更方便讀取。

在本技術(shù)中根文件系統(tǒng)的壓縮采用的是debootstrap工具，在chroot進入根文件系統(tǒng)后，使用squashfs-tools壓縮Live文件系統(tǒng)所需的根文件，將整個系統(tǒng)目錄打包壓縮成一個SquashFS文件供Live文件系統(tǒng)使用，SquashFS文件則被安裝到Local文件系統(tǒng)中，在用戶選擇Live文件啟動后，會直接從硬盤中查找壓縮的SquashFS文件并加載到當(dāng)前環(huán)境內(nèi)存中，供Linux內(nèi)核使用，這樣就完美的避開了Live文件系統(tǒng)中根文件必須存儲到額外存儲介質(zhì)的特定條件，只需要保證使用Live文件系統(tǒng)啟動的機器中硬盤沒有完全損壞即可正常使用。

根文件宿主轉(zhuǎn)移流程如下圖：

3.2.2 Live文件系統(tǒng)引導(dǎo)

Live系統(tǒng)正常啟動需要啟動管理器來進行引導(dǎo)，常見的啟動管理器有Syslinux、GRUB、GRUB Legacy和LILO等，本技術(shù)以GRUB為例。

GRUB啟動器的主體主要分三部分：

1./etc/default/grub：grub的默認配置文件，控制GRUB菜單項的部分功能，并附帶系統(tǒng)所有內(nèi)核配置。

2./etc/grub.d/：包含所有GRUB需要使用的腳本，用戶創(chuàng)建grub.cfg，并且grub.cfg中的菜單順序也是由此目錄中的文件順序決定的。

3./boot/grub/grub.cfg：這是GRUB的主要配置文件，但是不應(yīng)手動更改，應(yīng)該使用grub.d文件夾中的腳本去更新該文件。

為了實現(xiàn)使用Live文件系統(tǒng)可以在當(dāng)前運行環(huán)境上使用，本技術(shù)在grub.d文件夾中新增Live文件系統(tǒng)的啟動項配置腳本，在腳本中實現(xiàn)Live文件系統(tǒng)啟動的內(nèi)核和initramfs與當(dāng)前運行環(huán)境是相同的，保證使用Live文件系統(tǒng)在安裝SquashFS文件時使用指定分區(qū)加載根文件系統(tǒng)，確定根文件路徑，腳本同時添加了Live的引導(dǎo)方式。這樣，在用戶進入GRUB界面選擇Live文件系統(tǒng)啟動時，提供了指定的SquashFS文件路徑，保證Live啟動能正確查找到選定SquashFS加載到內(nèi)存，并將根文件掛載到指定路徑，在掛載根文件系統(tǒng)后，直接使用Local系統(tǒng)的內(nèi)核和initramfs，減少后期環(huán)境適配成本。

Live系統(tǒng)添加到GRUB啟動器引導(dǎo)流程如下圖：

3.2.3同步內(nèi)核模塊

Initramfs作為tmpfs的一個應(yīng)用，使用cache作為文件系統(tǒng)的裝卸，在本技術(shù)中，initramfs是通過啟動引導(dǎo)程序加載到內(nèi)存中，在內(nèi)存中解壓形成一個仿真根文件系統(tǒng)，為了實現(xiàn)加載啟動過程中所需的設(shè)備驅(qū)動，仿真根文件系統(tǒng)會提供一個可執(zhí)行程序，在仿真根目錄下加載必要的設(shè)備驅(qū)動，如：USB、SATA、SCSI硬盤驅(qū)動、LVM、RAID文件系統(tǒng)驅(qū)動等等。在加載必須的設(shè)備驅(qū)動后，完整的Linux系統(tǒng)所需前置條件就達成了，之后就可以加載硬盤上的根目錄了，系統(tǒng)運行環(huán)境滿足后調(diào)用Linux系統(tǒng)初始化進程/sbin/init完成系統(tǒng)初始化。

由于Live文件系統(tǒng)的局限性，內(nèi)核及設(shè)備驅(qū)動必須與根文件壓縮文件同時存儲在額外介質(zhì)內(nèi)，這樣在使用Live文件系統(tǒng)啟動運行環(huán)境時，可能出現(xiàn)Live文件系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動與運行環(huán)境不適配，Live文件系統(tǒng)啟動完成后還需要用戶進行額外的設(shè)備驅(qū)動更新安裝，造成不必要的維護成本。在本技術(shù)中可以實現(xiàn)Live文件系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動與當(dāng)前運行環(huán)境保持一致，在initramfs初始化時，會主動從Local文件系統(tǒng)中拷貝當(dāng)前運行環(huán)境的驅(qū)動模塊，將/lib/modules拷貝到Live文件系統(tǒng)中對應(yīng)目錄，這樣在使用Live文件系統(tǒng)啟動時，運行環(huán)境的設(shè)備驅(qū)動與Live文件系統(tǒng)完全適配，無需后續(xù)的驅(qū)動維護。

內(nèi)核模塊同步流程如下圖：

3.3本發(fā)明技術(shù)方案的整體架構(gòu)

本技術(shù)檔案選擇以Local文件系統(tǒng)為宿主，實現(xiàn)了不依賴額外介質(zhì)，使用本地引導(dǎo)的方式，消除了采用Live文件系統(tǒng)啟動的維護成本，整體的實現(xiàn)架構(gòu)如上圖，采用本技術(shù)后運行環(huán)境的Live文件系統(tǒng)啟動流程如下圖：

1.用戶進入BIOS設(shè)置界面，直接選擇本地磁盤啟動，不用依賴額外介質(zhì);

2.磁盤讀取成功后，加載Local文件系統(tǒng)中的內(nèi)核及initramfs，保證設(shè)備驅(qū)動與運行環(huán)境正常適配;

3.依據(jù)GRUB新增腳本，快速找到SquashFS文件系統(tǒng);

4.將壓縮后的SquashFS文件系統(tǒng)加載到內(nèi)存中，此為Live系統(tǒng)的根文件系統(tǒng);

5.將Local文件系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動模塊/lib/modules拷貝到Live文件系統(tǒng)中的相同目錄，保證Live文件系統(tǒng)的設(shè)備與當(dāng)前運行環(huán)境保持一致;

6.卸載Local文件系統(tǒng)根文件系統(tǒng)，防止Local文件系統(tǒng)與Live文件系統(tǒng)發(fā)生沖突，完成Live系統(tǒng)的啟動;

通過對比本技術(shù)與原Live文件系統(tǒng)啟動流程，我們可以發(fā)現(xiàn)：

1.SquashFS存儲，原Live文件系統(tǒng)啟動方式中需要額外的存儲介質(zhì)，但是在本技術(shù)中直接安裝在Loacl文件系統(tǒng)中，脫離了外接存儲介質(zhì)的依賴;

2.系統(tǒng)啟動的引導(dǎo)項，原Live文件系統(tǒng)啟動方式中是引導(dǎo)跟隨SquashFS一起存儲的內(nèi)核及initramfs，但是在本技術(shù)中是引導(dǎo)運行環(huán)境中的內(nèi)核及initramfs;

3.內(nèi)核模塊共用，原Live文件系統(tǒng)的內(nèi)核模塊是存儲在額外介質(zhì)中的，但是在本技術(shù)中直接將運行環(huán)境的內(nèi)核模塊在initramfs中拷貝到Live文件系統(tǒng)的相同目錄下，這樣保證了使用Live文件系統(tǒng)啟動運行環(huán)境也無需消耗額外的維護成本。

3.4本發(fā)明技術(shù)方案帶來的有益效果

本發(fā)明技術(shù)方案通過轉(zhuǎn)移Live文件系統(tǒng)中SquashFS存儲宿主，實現(xiàn)Live文件系統(tǒng)啟動脫離外接存儲介質(zhì)依賴，針對Live文件系統(tǒng)添加引導(dǎo)菜單，在運行環(huán)境中如果存在內(nèi)核及內(nèi)核模塊，Live文件系統(tǒng)啟動直接拷貝Local系統(tǒng)的內(nèi)核及內(nèi)核模塊，提升了對硬件設(shè)備的兼容性，避免了在Live文件系統(tǒng)啟動后，基礎(chǔ)設(shè)備驅(qū)動不適配帶來的維護成本。此方案可廣泛應(yīng)用與Linux操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)回退或還原中，實現(xiàn)以Live文件系統(tǒng)回退或還原系統(tǒng)。

參考文獻

[1]David Clinton.Linux實戰(zhàn)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2019：105-122，298-299

[2]冉宏元.跟老男孩學(xué)Linux運維：核心基礎(chǔ)篇（上）（第2版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2019：179-186

[3]Chris Simmonds.嵌入式Linux編程.北京：機械工業(yè)出版社，2017：134-140