使用初始 RAM 磁碟 (initrd)

由 Werner Almesberger <werner.almesberger@epfl.ch> 和 Hans Lermen <lermen@fgan.de> 於 1996,2000 年編寫

initrd 提供了一種功能，可以透過引導載入程式載入 RAM 磁碟。然後可以將此 RAM 磁碟掛載為根檔案系統，並可以從中執行程式。之後，可以從不同的裝置掛載新的根檔案系統。然後將先前的根（來自 initrd）移動到目錄，並隨後可以解除安裝。

initrd 的主要設計目的是允許系統啟動分兩個階段進行，其中核心啟動時包含最小的一組編譯到核心中的驅動程式，並且從 initrd 載入其他模組。

本文件簡要概述了 initrd 的使用。有關引導過程的更詳細討論，請參見 [1]。

操作

使用 initrd 時，系統通常按以下方式啟動

  1. 引導載入程式載入核心和初始 RAM 磁碟

  2. 核心將 initrd 轉換為“普通” RAM 磁碟，並釋放 initrd 使用的記憶體

  3. 如果根裝置不是 /dev/ram0，則遵循舊的（已棄用）change_root 過程。請參見下面的“過時的根更改機制”部分。

  4. 掛載根裝置。 如果它是 /dev/ram0，則將 initrd 映像掛載為根

  5. 執行 /sbin/init（可以是任何有效的可執行檔案，包括 shell 指令碼；它以 uid 0 執行，並且基本上可以執行 init 可以執行的所有操作）。

  6. init 掛載“真實”根檔案系統

  7. init 使用 pivot_root 系統呼叫將根檔案系統放置在根目錄中

  8. init 在新的根檔案系統上執行 /sbin/init，執行通常的啟動順序

  9. 刪除 initrd 檔案系統

請注意，更改根目錄不涉及解除安裝它。 因此，可以在該過程中使程序在 initrd 上繼續執行。 另請注意，掛載在 initrd 下的檔案系統仍可訪問。

引導命令列選項

initrd 新增以下新選項

initrd=<path>    (e.g. LOADLIN)

  Loads the specified file as the initial RAM disk. When using LILO, you
  have to specify the RAM disk image file in /etc/lilo.conf, using the
  INITRD configuration variable.

noinitrd

  initrd data is preserved but it is not converted to a RAM disk and
  the "normal" root file system is mounted. initrd data can be read
  from /dev/initrd. Note that the data in initrd can have any structure
  in this case and doesn't necessarily have to be a file system image.
  This option is used mainly for debugging.

  Note: /dev/initrd is read-only and it can only be used once. As soon
  as the last process has closed it, all data is freed and /dev/initrd
  can't be opened anymore.

root=/dev/ram0

  initrd is mounted as root, and the normal boot procedure is followed,
  with the RAM disk mounted as root.

壓縮的 cpio 影像

最近的核心支援從壓縮的 cpio 存檔填充 ramdisk。 在這種系統上，ramdisk 映像的建立不需要特殊的塊裝置或環回； 您只需在磁碟上建立一個具有所需 initrd 內容的目錄，cd 到該目錄，然後執行（例如）

find . | cpio --quiet -H newc -o | gzip -9 -n > /boot/imagefile.img

檢查現有影像檔案的內容同樣簡單

mkdir /tmp/imagefile
cd /tmp/imagefile
gzip -cd /boot/imagefile.img | cpio -imd --quiet

安裝

首先，必須在“普通”根檔案系統上建立 initrd 檔案系統的目錄，例如

# mkdir /initrd

名稱不相關。 有關更多詳細資訊，請參見 pivot_root(2) 手冊頁。

如果在引導過程中建立了根檔案系統（即，如果您正在構建安裝軟盤），則根檔案系統建立過程應建立 /initrd 目錄。

如果 initrd 在某些情況下不會被掛載，如果建立了以下裝置，仍然可以訪問其內容

# mknod /dev/initrd b 1 250
# chmod 400 /dev/initrd

其次，必須編譯核心，啟用 RAM 磁碟支援和初始 RAM 磁碟支援。 此外，至少必須將執行 initrd 中的程式所需的所有元件（例如，可執行檔案格式和檔案系統）編譯到核心中。

第三，必須建立 RAM 磁碟映像。 這是透過在塊裝置上建立檔案系統，根據需要將檔案複製到其中，然後將塊裝置的內容複製到 initrd 檔案來完成的。 對於最近的核心，至少有三種類型的裝置適合該方法

  • 軟盤（隨處可用，但速度很慢）

  • RAM 磁碟（速度快，但分配物理記憶體）

  • 環回裝置（最優雅的解決方案）

我們將描述環回裝置方法

  1. 確保環回塊裝置已配置到核心中

  2. 建立適當大小的空檔案系統，例如

    # dd if=/dev/zero of=initrd bs=300k count=1
# mke2fs -F -m0 initrd

    （如果空間至關重要，則可能需要使用 Minix FS 代替 Ext2）

  3. 掛載檔案系統，例如

    # mount -t ext2 -o loop initrd /mnt

  4. 建立控制檯裝置

    # mkdir /mnt/dev
# mknod /mnt/dev/console c 5 1

  5. 複製正確使用 initrd 環境所需的所有檔案。 不要忘記最重要的檔案 /sbin/init

    注意

    /sbin/init 許可權必須包括“x”（執行）。

  6. 即使不使用命令重新啟動，也可以經常測試initrd環境的正確操作

    # chroot /mnt /sbin/init

    當然，這僅限於不干擾常規系統狀態（例如，重新配置網路介面，覆蓋已掛載的裝置，嘗試啟動已在執行的守護程式等）的initrd。 但是請注意，通常可以在這種chroot'ed initrd環境中使用pivot_root。）

  7. 解除安裝檔案系統

    # umount /mnt

  8. initrd 現在位於檔案“initrd”中。 可選擇對其進行壓縮

    # gzip -9 initrd

為了嘗試 initrd，您可能需要使用救援軟盤，並且僅將從 /sbin/init 到 /bin/sh 的符號連結新增到其中。 或者，您可以嘗試實驗性的 newlib 環境 [2] 來建立一個小的 initrd。

最後，您必須啟動核心並載入 initrd。 幾乎所有 Linux 引導載入程式都支援 initrd。 由於引導過程仍然與較舊的機制相容，因此必須給出以下引導命令列引數

root=/dev/ram0 rw

（僅當寫入 initrd 檔案系統時才需要 rw。）

使用 LOADLIN，您只需執行

LOADLIN <kernel> initrd=<disk_image>

例如

LOADLIN C:\LINUX\BZIMAGE initrd=C:\LINUX\INITRD.GZ root=/dev/ram0 rw

使用 LILO，您可以將選項 INITRD=<path> 新增到全域性部分或 /etc/lilo.conf 中相應核心的部分，並使用 APPEND 傳遞選項，例如

image = /bzImage
  initrd = /boot/initrd.gz
  append = "root=/dev/ram0 rw"

並執行 /sbin/lilo

有關其他引導載入程式，請參考相應的文件。

現在您可以啟動並享受使用 initrd 的樂趣了。

更改根裝置

完成其職責後，init 通常會更改根裝置，並繼續在“真實”根裝置上啟動 Linux 系統。

該過程包括以下步驟

  • 掛載新的根檔案系統

  • 將其變成根檔案系統

  • 刪除對舊（initrd）根檔案系統的所有訪問

  • 解除安裝 initrd 檔案系統並釋放 RAM 磁碟

掛載新的根檔案系統很容易：只需將其掛載在當前根下的目錄中即可。 例子

# mkdir /new-root
# mount -o ro /dev/hda1 /new-root

根更改透過 pivot_root 系統呼叫完成，該呼叫也可透過 pivot_root 實用程式獲得（請參見 pivot_root(8) 手冊頁；pivot_root 隨 util-linux 版本 2.10h 或更高版本一起分發 [3]）。 pivot_root 將當前根移動到新根下的目錄，並將新根放在其位置。 用於舊根的目錄必須在呼叫 pivot_root 之前存在。 例子

# cd /new-root
# mkdir initrd
# pivot_root . initrd

現在，init 程序可能仍然透過其可執行檔案、共享庫、標準輸入/輸出/錯誤及其當前根目錄訪問舊根。 所有這些引用都透過以下命令刪除

# exec chroot . what-follows <dev/console >dev/console 2>&1

其中 what-follows 是新根下的程式，例如 /sbin/init。 如果新根檔案系統將與 udev 一起使用，並且沒有有效的 /dev 目錄，則必須先初始化 udev，然後才能呼叫 chroot，以提供 /dev/console。

注意：pivot_root 的實現細節可能會隨著時間的推移而變化。 為了確保相容性，應注意以下幾點

  • 在呼叫 pivot_root 之前，呼叫程序的當前目錄應指向新的根目錄

  • 使用 . 作為第一個引數，並使用舊根目錄的_相對_路徑作為第二個引數

  • chroot 程式必須在舊根和新根下都可用

  • 之後 chroot 到新根

  • 在 exec 命令中使用 dev/console 的相對路徑

現在，可以解除安裝 initrd，並且可以釋放 RAM 磁碟分配的記憶體

# umount /initrd
# blockdev --flushbufs /dev/ram0

也可以將 initrd 與 NFS 掛載的根一起使用，有關詳細資訊，請參見 pivot_root(8) 手冊頁。

使用場景

實現 initrd 的主要動機是允許在系統安裝時進行模組化核心配置。 該過程將按以下方式工作

  1. 系統從軟盤或其他介質啟動，該介質具有最小的核心（例如，對 RAM 磁碟、initrd、a.out 和 Ext2 FS 的支援）並載入 initrd

  2. /sbin/init 確定需要什麼來 (1) 掛載“真實”根 FS（即裝置型別、裝置驅動程式、檔案系統）和 (2) 分發介質（例如 CD-ROM、網路、磁帶等）。 這可以透過詢問使用者、自動探測或使用混合方法來完成。

  3. /sbin/init 載入必要的核心模組

  4. /sbin/init 建立並填充根檔案系統（這不必是一個非常可用的系統）

  5. /sbin/init 呼叫 pivot_root 以更改根檔案系統，並透過 chroot 執行一個繼續安裝的程式

  6. 安裝引導載入程式

  7. 引導載入程式被配置為載入一個 initrd，其中包含用於啟動系統的模組集（例如，可以修改 /initrd，然後將其解除安裝，最後將映像從 /dev/ram0 或 /dev/rd/0 寫入到檔案中）

  8. 現在系統可以啟動，並且可以執行其他安裝任務

initrd 在這裡的關鍵作用是在正常系統操作期間重新使用配置資料，而無需使用臃腫的“通用”核心或重新編譯或重新連結核心。

第二種情況是，Linux 在單個管理域中具有不同硬體配置的系統上執行的安裝。 在這種情況下，希望只生成一小部分核心（理想情況下只有一個），並儘可能保持系統特定配置資訊的大小。 在這種情況下，可以生成一個包含所有必要模組的通用 initrd。 然後，只有 /sbin/init 或它讀取的檔案必須不同。

第三種情況是更方便的恢復磁碟，因為不必在啟動時提供諸如根 FS 分割槽位置之類的資訊，而是可以從 initrd 載入的系統可以呼叫使用者友好的對話方塊，並且還可以執行一些健全性檢查（甚至某種形式的自動檢測）。

最後，CD-ROM 發行商可以使用它來更好地從 CD 進行安裝，例如，透過使用啟動軟盤並透過 initrd 從 CD 引導更大的 RAM 磁碟； 或者透過像 LOADLIN 這樣的載入程式或直接從 CD-ROM 啟動，並從 CD 載入 RAM 磁碟而無需軟盤。

過時的根更改機制

在引入 pivot_root 之前使用了以下機制。 當前的核心仍然支援它，但是您_不_應該依賴於它的持續可用性。

它的工作方式是，當 linuxrc 退出時，將“真實”根裝置（即核心映像中使用 rdev 設定的或引導命令列中使用 root=... 設定的裝置）掛載為根檔案系統。 然後解除安裝 initrd 檔案系統，或者，如果它仍然繁忙，則如果新根檔案系統上存在這樣的目錄，則將其移動到目錄 /initrd。

為了使用此機制，您不必指定引導命令選項 root、init 或 rw。（如果指定，它們將影響真實根檔案系統，而不是 initrd 環境。）

如果掛載了 /proc，則可以透過將新根 FS 裝置的編號寫入特殊檔案 /proc/sys/kernel/real-root-dev，從 linuxrc 中更改“真實”根裝置，例如

# echo 0x301 >/proc/sys/kernel/real-root-dev

請注意，該機制與 NFS 和類似的檔案系統不相容。

這種舊的、已棄用的機制通常稱為 change_root，而新的、受支援的機制稱為 pivot_root。

混合 change_root 和 pivot_root 機制

如果您不想使用 root=/dev/ram0 來觸發 pivot_root 機制，則可以在 initrd 映像中同時建立 /linuxrc 和 /sbin/init。

/linuxrc 將僅包含以下內容

#! /bin/sh
mount -n -t proc proc /proc
echo 0x0100 >/proc/sys/kernel/real-root-dev
umount -n /proc

一旦 linuxrc 退出，核心將再次將您的 initrd 掛載為根，這次執行 /sbin/init。 同樣，此 init 的職責是在最終執行真實 /sbin/init 之前，構建正確的環境（可能使用在 cmdline 上傳遞的 root= 裝置）。

資源