“以local系統為宿主的live系統實現機制”技術研究

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或未適配硬件時無法使用live系統實現系統啟動的問題。使用live系統啟動流程大致分為四步，啟動介質選擇，加載內核及必須的驅動，內存加載SquashFS文件，掛載根文件系統并初始化。其中，本專利主要針對的是啟動介質的維護及驅動快速適配。我們使用了“以local系統為宿主的live系統實現機制”技術。本文詳細介紹了local系統的實現及優勢，將local系統作為宿主實現live系統詳細實現流程，并詳細闡述了使用本專利技術帶來的優勢。采用以local系統為宿主的live系統實現機制，相比原live系統大大減少了對存儲介質的依賴，并提升了對硬件設備的兼容性。

關鍵詞 Local系統;Live系統;SquashFS（只讀文件壓縮）;BIOS;initramfs（內存加載臨時根文件）

1簡介

使用live系統啟動linux操作系統時過于依賴外部介質，以及在使用過程中會出現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系統為宿主的live系統實現機制”技術。

本專利技術中發現Local系統無需依賴外部介質，并存在大量可用的穩定存儲空間，squashfs-tools的文件壓縮也可直接壓縮至Loacl系統中，這樣通過squashfs-tools將原Live系統中的SquashFS文件壓縮至Local系統即可無需外部介質也能正常啟動Live系統，并且通過本技術中的菜單引導項以及initramfs的虛擬根文件系統，減少對硬件驅動的維護成本。

2根文件系統宿主轉移設計

2.1 簡要分析

一個標準的Linux系統，必須要有一個完整的根文件系統，Live文件系統作為以外部介質為存儲的啟動系統，直接從CD-ROM或類似存儲設備運行到計算機內存中的操作系統，而不是從硬盤驅動器中加載。Live系統可以在沒有輔助存儲（例如硬盤驅動器）或損壞的硬盤驅動器或文件系統的計算機上運行，從而可以恢復數據。

Live系統主要分為兩部分：完整的根文件系統，Linux內核啟動管理器。但由于受硬件設備的限制，不可能直接將根文件系統拷貝到計算機內存中去使用，必須使用SquashFS對根文件系統進行壓縮，然后將其加載進內存中供操作系統調用。

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

本技術結合Local的優勢，將Live文件系統依賴的啟動介質轉移至機器硬件上，減輕了Live文件系統對外部介質的依賴，并且由于Local文件系統中存在完整的系統內核和必備的硬件驅動，在使用本技術時可以避免對這部分的額外維護。

2.2 與本發明相關的現有技術

Live文件系統本質上是一個簡易的Linux操作系統，其技術是將Linux系統的根文件進行壓縮管理，壓縮成SquashFS文件，在使用時將Live文件系統中的SquashFS加載進內存中供操作系統調用，Live文件系統的啟動則一般使用Syslinux、GRUB、GRUB Legacy和LILO，指引用戶選擇正確的Live文件系統選項，加載內核及initramfs，保證系統的完整性。

使用Live文件系統啟動流程如下圖：

1.用戶進入BIOS設置界面，將承載Live文件系統的介質作為系統的啟動盤;

2.等待系統加載承載介質中的內核及initramfs;

3.完成內核及initramfs加載后，查找Live文件系統中的SquashFS文件;

4.將SquashFS文件加載到內存中，供Linux內核讀寫;

5.將內存中的SquashFS文件以偽設備的形式進行掛載，并作為當前系統的根文件系統;

6.掛載根文件完成后，調用初始化腳本對操作系統進行初始化，完成Live系統的啟動。

2.3現有技術的缺點

用戶選擇使用Live文件系統啟動，必須將Live文件系統存儲到額外的存儲介質，并保證該存儲介質有足夠的空間存放，一旦缺少存儲介質，該技術則無法使用，因此使用Live文件系統對存儲介質的依賴太強。由于當前Live文件系統多數是可移動的，無法適配所有機型，因此在Live文件系統中必須使用單獨的內核及必要的設備驅動，一旦出現使用的Live文件系統中設備驅動無法適配當前機型，則會導致在使用Live文件系統時需要額外新增當前機型的設備適配，這樣大大增加了系統的維護成本。

3本發明技術方案的詳細闡述

3.1本發明所要解決的技術問題

本發明解決了Linux操作系統使用Live文件系統帶來的下列技術問題：

1.當缺少外部介質時仍可以正常使用Live文件系統，減輕Live文件系統對存儲介質依賴;

2.避免使用Live文件系統時對基礎設備驅動帶來的維護成本;

3.2本發明提供的完整技術方案

3.2.1根文件宿主轉移

完整的根文件系統是標準Linux系統必備的，正常使用的Linux根文件系統一般是存儲在硬盤中，系統運行需要提供文件讀寫服務，如果用戶使用Live文件系統作為機器運行系統，則系統運行依附于運行環境內存，當前市場是普遍使用的機器并沒有太大的內存，因此使用Live文件系統其根文件系統不能過大，為了保證運行環境內存的充分利用，一般Live文件系統使用的根文件系統都是壓縮之后的，更方便讀取。

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

根文件宿主轉移流程如下圖：

3.2.2 Live文件系統引導

Live系統正常啟動需要啟動管理器來進行引導，常見的啟動管理器有Syslinux、GRUB、GRUB Legacy和LILO等，本技術以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，并附帶系統所有內核配置。

2./etc/grub.d/：包含所有GRUB需要使用的腳本，用戶創建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，但是不應手動更改，應該使用grub.d文件夾中的腳本去更新該文件。

為了實現使用Live文件系統可以在當前運行環境上使用，本技術在grub.d文件夾中新增Live文件系統的啟動項配置腳本，在腳本中實現Live文件系統啟動的內核和initramfs與當前運行環境是相同的，保證使用Live文件系統在安裝SquashFS文件時使用指定分區加載根文件系統，確定根文件路徑，腳本同時添加了Live的引導方式。這樣，在用戶進入GRUB界面選擇Live文件系統啟動時，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加載到內存，并將根文件掛載到指定路徑，在掛載根文件系統后，直接使用Local系統的內核和initramfs，減少后期環境適配成本。

Live系統添加到GRUB啟動器引導流程如下圖：

3.2.3同步內核模塊

Initramfs作為tmpfs的一個應用，使用cache作為文件系統的裝卸，在本技術中，initramfs是通過啟動引導程序加載到內存中，在內存中解壓形成一個仿真根文件系統，為了實現加載啟動過程中所需的設備驅動，仿真根文件系統會提供一個可執行程序，在仿真根目錄下加載必要的設備驅動，如：USB、SATA、SCSI硬盤驅動、LVM、RAID文件系統驅動等等。在加載必須的設備驅動后，完整的Linux系統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，系統運行環境滿足后調用Linux系統初始化進程/sbin/init完成系統初始化。

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

內核模塊同步流程如下圖：

3.3本發明技術方案的整體架構

本技術檔案選擇以Local文件系統為宿主，實現了不依賴額外介質，使用本地引導的方式，消除了采用Live文件系統啟動的維護成本，整體的實現架構如上圖，采用本技術后運行環境的Live文件系統啟動流程如下圖：

1.用戶進入BIOS設置界面，直接選擇本地磁盤啟動，不用依賴額外介質;

2.磁盤讀取成功后，加載Local文件系統中的內核及initramfs，保證設備驅動與運行環境正常適配;

3.依據GRUB新增腳本，快速找到SquashFS文件系統;

4.將壓縮后的SquashFS文件系統加載到內存中，此為Live系統的根文件系統;

5.將Local文件系統中的設備驅動模塊/lib/modules拷貝到Live文件系統中的相同目錄，保證Live文件系統的設備與當前運行環境保持一致;

6.卸載Local文件系統根文件系統，防止Local文件系統與Live文件系統發生沖突，完成Live系統的啟動;

通過對比本技術與原Live文件系統啟動流程，我們可以發現：

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

2.系統啟動的引導項，原Live文件系統啟動方式中是引導跟隨SquashFS一起存儲的內核及initramfs，但是在本技術中是引導運行環境中的內核及initramfs;

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

3.4本發明技術方案帶來的有益效果

本發明技術方案通過轉移Live文件系統中SquashFS存儲宿主，實現Live文件系統啟動脫離外接存儲介質依賴，針對Live文件系統添加引導菜單，在運行環境中如果存在內核及內核模塊，Live文件系統啟動直接拷貝Local系統的內核及內核模塊，提升了對硬件設備的兼容性，避免了在Live文件系統啟動后，基礎設備驅動不適配帶來的維護成本。此方案可廣泛應用與Linux操作系統中的系統回退或還原中，實現以Live文件系統回退或還原系統。

參考文獻

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

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

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