LiveCD及Casper調研

時間 2019-11-18

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1.LiveCD原理php

LiveCD本質上是ISO 9660/El Torito格式的CD-ROM。html

下面對LiveCD涉及的各類技術作了簡單的調研。linux

1.1. CD-ROMgit

CD-ROM是一種光盤存儲介質。shell

與磁盤相似，CD-ROM被劃分爲多個track，track又被劃分爲多個sector。sector大小爲2352字節，隨着sector所採用的編碼方式的不一樣，其內部結構也不一樣，見下圖。CD digital audio格式是CD唱片採用的方式，CD-ROM Mode1/2是CD-ROM數據盤(LiveCD屬於此種狀況)採用的方式。ubuntu

1.2. ISO9660緩存

CD-ROM中，每一個track上均可以構建一個獨立的文件系統。ISO 9660即是一種構建在CD-ROM之上的文件系統，專爲光盤存儲介質而設計，又被稱爲CDFS(Compact Disk File System)。網絡

ISO 9660考慮了CD-ROM的順序訪問及只讀的特性，將文件連續存儲在CD-ROM的track上，對文件名的格式、屬性、大小、數量、目錄的層次等都做了限制。app

ISO 9660文件系統的存儲格式以下函數

在Data Area的頭部，有多個Volume Descriptor，其功能相似於ext4文件系統中的Super Block，用於描述當前Volume的屬性信息。

Volume是邏輯上的概念，對應到底層物理介質，就是存儲當前ISO 9660文件系統實例的CD-ROMtrack。

Volume Descriptor有多種類型，如Boot Record Volume Descriptor, PrimaryVolume Descriptor, Volume Descriptor Set Terminator等，其中Primary Volume Descriptor記錄了當前volume的大小, Root Directory的起始地址(Logical Block Address)等，ISO 9660要求至少包含一個Primary Volume Descriptor。

1.3. ElTorito

El Torito Bootable CD Specification是對ISO 9660的擴展，用於實現可引導的CD-ROM。

El Torito定義了3種引導模式，分別是floppy disk emulation, hard disk emulation以及no emulation。前兩種模擬模式，經過將軟盤或者磁盤的image存放在CD-ROM中，由BIOS負責加載到內存中，並將其虛擬成軟盤或者磁盤驅動器，而後從虛擬軟盤或虛擬磁盤中引導OS，從而實現對老OS的支持。如今最經常使用的是第3種方式，即直接從CD-ROM引導OS (LiveCD採用此方式)。El Torito Bootable CD須要BIOS的支持，固然，如今的BIOS都已經支持徹底3種引導模式了。

El Torito遵循ISO 9660的存儲格式，只是對特定區域的功能作了進一步的定義，其格式以下

El Torito將緊接着Primary Volume Descriptor的Sector 17定義爲Boot Record Volume Descriptor，其記錄了Booting Catalog的起始地址。

實際上，Boot Record Volume Descriptor並非新的VolumeDescriptor類型，其在ISO 9660中已有定義。

Booting Catalog是一個目錄表，包含了多個目錄項，目錄項進一步記錄了可引導鏡像文件的起始地址。從上圖能夠看出，El Torito支持單鏡像引導和多鏡像引導兩種模式。顧名思義，在多鏡像引導下，從一個CD-ROM能夠引導多個系統。

從ISO 9660文件系統的角度看，El Torito Bootable CD中的Booting Catalog實際上就是Root Directory文件，Bootable Disk Image以及CD-ROM Image都是文件系統中的文件，只不過是在引導階段使用的特殊文件，如bootloader等。

當從El Torito Bootable CD進行no emulation啓動時，BIOS讀取Boot Record Volume Descriptor，獲得Booting Catalog的位置並讀取此目錄表，若是發現其中包含多個Boot Entry，則須要用戶選擇一個啓動項，接着，BIOS將被選中的Boot Entry所指向的Bootable Disk Image載入內存。

須要注意的是，不管Disk Image文件有多大，BIOS都只會載入固定數量的sector，這就要求Bootable Disk Image不能太大。

載入完成以後，BIOS跳轉到Bootable Disk Image的0字節處開始執行，順序執行到代碼結束。能夠看出，Bootable Disk Image實際上就是bootloader，其須要完成OS加載和初始化的工做，因爲bootloader不能太大，所以它會進一步加載下一階段的bootloader完成複雜的工做。

1.4. ISOLINUX

isolinux是爲Linux/i386的CD-ROM啓動而設計的引導程序(bootloader)，它支持以ISO 9660/El Torito的no emulation模式引導OS。

isolinux是syslinux的一部分，syslinux是一個bootloader集合，針對各類介質設計了相應的引導程序，如針對MS-DOS FAT文件系統的輕量級引導程序syslinux，針對Ext2/3/4/btrfs設計的extlinux，網絡引導程序pxelinux以及CD-ROM引導程序isolinux。

isolinux的主體是bootloader，即isolinux.bin，其負責讀取isolinux.cfg配置文件，載入相應的linux內核。isolinux.bin實現了遍歷ISO 9660文件系統的功能，所以，啓動時所需的配置，Linux內核等均可以以文件的形式存放在CD-ROM中。除了isolinux.bin和isolinux.cfg兩個文件，isolinux中還有一個重要文件，即boot.cat，即Booting Catalog，它記錄了全部可引導的文件的起始地址，對於isolinux來講，boot.cat中只記錄了isolinux.bin。

1.5. Initrd/Initramfs

1.5.1. Initrd的做用

Initrd是initial ram disk的簡稱，是Linux內核在啓動過程當中使用的臨時根文件系統，只包含必要的可執行文件和系統文件，爲掛載最終的rootfs做準備。其設計的初衷是，考慮到內核啓動時缺乏驅動，沒法訪問多數I/O外設(尤爲是存儲設備)，因而在內存中虛擬一個根文件系統，使得內核能夠加載其中的驅動，執行一些初始化，進而能夠訪問外設，掛載真正的rootfs。

Initrd的目錄結構與最終的rootfs相似，但通過精簡，只包含必要的可執行文件和系統文件，如shell, mount, insmod, lvm及基本的驅動等。其中最核心的文件是init，該腳本完成內核參數的解析、驅動的加載、最終rootfs的掛載等初始化工做。

1.5.2. Initrd的原理

Linux內核支持ram disk機制，即將一段內存虛擬成塊設備(/dev/ram)。initrd基於該機制。內核在啓動時，會將initrd.img拷貝到/dev/ram上，而後將/dev/ram掛載爲rootfs。initrd.img其實是一個塊設備鏡像，在此鏡像中，保存了一個完整的文件系統(如ext2, ramfs等)，將initrd.img拷貝到/dev/ram以後，/dev/ram中便包含該文件系統，以後將/dev/ram做爲一個普通的塊設備進行掛載，便可以訪問其中的文件系統。須要注意的是，爲了可以訪問該文件系統，須要將該文件系統驅動編譯到Linux內核中，而不是以可加載模塊的形式存在。

因爲ram disk是塊設備，其上層的文件系統須要在文件系統緩存和塊設備間進行數據的拷貝，實際上ram disk與文件系統緩存都在內存中，這就形成了沒必要要的數據拷貝。ramfs做爲ram disk的替代，很好地解決了這個問題。ramfs/tmpfs是內存中的文件系統，實現了文件系統的接口，並將全部文件數據保存在內存中，底層並無塊設備，無須進行緩存和塊設備間的數據交換。

1.5.3. Initramfs

Initramfs 便是基於ramfs實現了initrd的功能，二者的rootfs同樣，只是存儲格式不一樣。initramfs是一個cpio歸檔包，即直接對rootfs中的文件進行的打包，而initrd是一個img文件，是對包含rootfs的塊設備進行的鏡像拷貝。initrd和initramfs均可以進一步壓縮，在啓動時，內核會完成相應的解壓。

2.Casper

Casper是debian系統中initramfs-tools的一種hook，輔助init腳本完成LiveCD的啓動工做，主要負責rootfs的掛載和初始化。casper不只支持LiveCD，也支持Netboot tarball, USB stick image等啓動方式。

casper在initramfs的init腳本中插入相應的代碼，將init的執行邏輯導向casper中。casper會在全部塊設備中查找/casper目錄，該目錄中保存了根文件系統，一般被打包爲一個squashfs鏡像文件，找到此文件後，casper會建立一個內存文件系統，而後將squashfs解壓到此文件系統中。

init腳本主要經過/scripts/casper腳本中mountroot()函數，完成rootfs的準備工做，具體過程爲：

(1) 調用find_livefs()遍歷全部的塊設備，查找/casper/*.squashfs文件。

在遍歷過程當中，對於不一樣的塊設備，如cdrom, sata, device-mapper, md等，處理略有不一樣，但大概過程是相同的，即嘗試掛載該塊設備，而後查找該塊設備的文件系統中，是否包含合法的casper路徑(重點是查找/casper/*.squashfs文件)。

(2) 在某個塊設備中找到/casper/*.squashfs文件以後，調用setup_unionfs()將這些文件(可能有多個)以unionfs的形式掛載到/root上。

setup_unionfs()首先調用get_backing_device()將*.squashfs文件綁定到/dev/loop上，而後掛載到/$imagename目錄上，與此同時，掛載一個tmpfs，而後利用unionfs將tmpfs與/$imagename聚合到/root上。因爲設置了tmpfs爲RW權限，而/$imagename爲RO權限，使得對squashfs中文件的修改都被重定向到tmpfs中，這就解釋了爲何物理上只讀的LiveCD系統卻能夠正常讀寫。

若是向casper傳遞了toram或todisk參數，則在掛載*.squashfs文件以前，會先將這些文件拷貝到toram/todisk中，以後使用LiveCD系統的過程當中，無須再從CD-ROM讀取*.squashfs文件，提升了性能。

(3) *.squashfs掛載完成後，須要對將來的rootfs進行一些配置，這些工做由/scripts/casper-bottom中的腳本完成。

至此，casper結束執行，返回init腳本。

3.LiveCD啓動流程

BIOS讀取CD-ROM中的BootRecord Volume Descriptor，定位boot.cat文件的地址，讀取該文件中的Boot Entry，進一步定位isolinux.bin文件的地址，接着，將該文件加載到內存並執行。

isolinux.bin在光盤中查找isolinux.cfg文件，讀取該文件，得到啓動配置，該文件記錄了採用何種啓動界面，有圖形界面和者字符界面兩種，其中圖形界面下，會進一步加載vesamenu.c32文件和splash.jpg文件，完成圖形界面的顯示。在用戶選定一個啓動項以後，isolinux.bin按照isolinux.cfg中的配置，查找相應的kernel文件，將其加載到內存中，將相應的參數傳遞給kernel並執行。

kernel進行內核初始化，並將initrd.lz解壓到/dev/ram中，並將其掛載爲rootfs，執行其中的/init腳本。

init腳本解析isolinux.bin傳遞進來的內核參數，接着加載核心驅動，掛載運行時文件系統，在參數解析階段若是識別出boot=casper，init腳本會執行/scripts/casper腳本，主要調用其中mountroot()函數，實現squashfs的解壓和掛載rootfs，最後init腳本執行/bin/run-init程序，該程序完成rootfs的切換，並執行/sbin/init程序，init程序根據/etc/rc.d中的配置，進一步初始化用戶環境，包括圖形界面、網絡等。