4단계 리눅스 시스템 부팅과정

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4단계 리눅스 시스템 부팅과정

YonKim 2021. 12. 15. 17:36

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🐧욘로그(Yon-Log)

네트워크, 리눅스, AWS, 트러블슈팅 로그 by Yon

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시스템 부팅이란

시스템 부팅 프로세스의 목적은 커널을 메모리에 올리고 실행하는 것이다. 리눅스 시스템의 부팅 과정을 4단계로 나누어 가시화하고 이해하기 위해 이 포스팅을 작성했다. 디테일한 부팅 프로세스를 알아보기 전, 아래와 같은 의문이 선행될 수 있다.

Q1. 부팅 전, 커널은 어디에 있지?
Q2. 부팅 전, 메모리에는 뭐가 있지?
Q3. 부팅 후 첫 번째로 실행되는 것은 뭐지?

리눅스 시스템 부팅 프로세스

리눅스 시스템의 부팅 프로세스는 아래 4단계의 순서로 진행된다.

1단계: 하드웨어 단계
2단계: 부트로더 단계
3단계: 커널로드 단계
4단계: INIT 단계(SysV / Systemd)

1단계: 하드웨어 단계

1-1. Power On

파워버튼을 통해 전원이 공급되면 메인보드는 리셋 벡터(Reset Vector)를 통해 CPU가 BIOS 코드를 호출하도록 한다.
모든 Intel CPU들은 전원 공급 직후 초기 부팅 때 real mode로 동작하는데, 이 시점에서는 전체 메모리의 1MB 영역까지만 접근할 수 있다. 이 영역의 주소는 0xFFFFFFFF로, 1978년도의 Intel CPU 8086도, 최신 CPU도 같은 방식으로 동작한다.
초기부팅 직후 CPU가 처음으로 하게 될 일은 EIP(Extend Instruction Pointer-CPU가 할 일들, 즉 메모리에 등록되어 있는 Code의 주소를 가리키는 포인터)에 숨겨진 0xFFFFFFF0 주소로 점프하는 것이다. 이 주소는 펌웨어(BIOS, EFI)의 엔트리 포인트로 매핑되는 영역으로 리셋 벡터(Reset Vector)라고 한다. 이 영역은 전원을 켰을 때 항상 같은 자리에 있지만 real mode(초기 부팅 때 전체 메모리의 1MB 영역까지만 접근 가능하지 못함)에서는 접근할 수 없도록 숨겨져 있다.
즉, 부팅 직후 CPU는 리셋 벡터를 통해 펌웨어(BIOS, EFI)로 접근하고, 이곳에서 펌웨어 코드(BIOS Code)를 실행한다.
특히 BIOS는 레거시 바이오스라고 불리며, 하드디스크의 첫 섹터를 읽어서 첫 섹터에 지시된 주소에 있는 코드를 실행하도록 하는 부팅 절차를 따른다.
펌웨어는 시스템의 하드웨어 구성을 저장한다.

1-2. POST, BOOT SECTOR(MBR/VBR/EBR)

Power-on-self-test (POST): "삐~" CPU, RAM, 제어장치, BIOS 코드 자체, 주변장치 등에 대한 검사 진행
OS외 기존 가상화 확장, 보안 등에 대한 구성 확인

MBR(Master Boot Record)
POST 과정이 완료되면, BIOS는 부팅 디바이스(하드디스크 등)를 검색하고, 해당 디바이스의 파티션 테이블을 검색한다. 파티션 되지 않은 장치의 시동 섹터는 VBR이 된다. 파티션 테이블을 찾은 경우, 해당 파티션의 첫 번째 블록(섹터 0) 512 bytes의 MBR(Master Boot Record-시동섹터)에서 부트로더 코드(Boot Loader Code=OS Loader)를 검색한다. 부트로더 코드를 찾으면 메모리에 로드시킨다.

ㅡ파티션 테이블(Partition Table): 4개 Primary partition 정보(시작~끝 블록, 크기 등) (64bytes)
ㅡ부트 시그니처(Boot Signature): 부트로더 코드의 고유값(0x55AA) (2 bytes)

VBR(Volume Boot Record)
- 각 Primary partition의 첫 번째 블록(부트로더 코드와 부트시그니처를 포함할 수 있다)
- 파티션되지 않은 장치의 시동 섹터는 VBR이다.

EBR(Extended Boot Record)
- 각 Logical partition(하나의 파티션을 sub-divide 한 파티션 단위)의 첫 번째 블록(파티션 테이블, VBR 부트시그니처 포함)
- EBR의 파티션 테이블에는 모든 Logical partition이 링크되어 있다.

2단계: 부트로더 단계

2-1. GRUB(GRand Unified Bootloader): Linux Loader

GRUB은 GRUB Stage1 > 1.5 > 2 의 세 단계를 거치는 부트로더로 현재는 GRUB2가 가장 보편적으로 많이 사용된다.
- GRUB Stage 1.
  MBR 또는 VBR에 저장되어 있는 부트 이미지가 메모리에 로드되고 실행됨(core.img의 첫 번쩨 섹터 로드)
- GRUB Stage 1.5
  MBR과 첫번째 파티션 사이에 있는 블록(a.k.a MBR gap)에 저장된 core.img가 메모리에 로드되고 실행됨. core.img의 configuration 파일과 파일시스템을 위한 드라이버를 로드한다.
- GRUB Stage 2
  /boot/grub 파일 시스템에 직접 접근하여 커널(vmlinuz)의 압축을 풀어 메모리에 로드하고, 커널이 필요로 하는 모든 드라이버와 모듈, 파일시스템(ext2, ext3, ext4...)등이 담긴 RAM 디스크 파일(initrd.img)를 메모리에 로드한다.
  
  * 커널은 로드되기 이전 /boot 아래 압축된 파일 형태인 vmlinux 로 존재 > GRUB Stage 2에서 압축 풀고 로드
  * 커널 컴파일(Kernel Compile)을 통해 GRUB을 통해 로드할 커널 버전을 고를 수 있음

GRUB은 파일시스템과 함께 동작할 수 있음 (ext2, ext3, ext4... 등등)
UEFI 버전도 ㅇㅋ(grub.efi)
grub> 이라는 고유의 작은 셸을 사용할 수 있음(이 셸의 프롬프트를 통해 부팅 파라미터 및 부팅OS 등을 정의할 수 있음)

3단계: 커널 단계(Loading the Kernel)

부팅 2단계까지 지나며 현재 부트로더는 커널파일과 RAM디스크 파일을 메모리에 로드해놓은 상태이다
ㅡ vmlinux-2.6.26-2-686
ㅡ initrd.img-2.6.26-2-686

로드된 커널파일 실행

로드된 커널파일 실행, 콘솔에 관련 정보 띄워줌
PCI bus 점검 및 감지된 주변장치(Peripheral) 확인 후 /var/log/dmesg 파일에 기록
커널은 swapper 프로세스(PID 0)를 호출, swapper(PID 0)는 커널이 사용할 각 장치드라이브들을 초기화
Root file system (" / ")을 읽기 전용으로 마운트ㅡ이 과정에서 마운트 실패시 "커널 패닉" 메시지 출력
문제없이 커널이 실행되고 나면 언마운트 후 Root File System을 읽기+쓰기 모드로 리마운트
이후 Init 프로세스(PID 1)를 호출

4단계 INIT(sysV)

init 시스템은 SysV 및 Systemd로 구분된다

SysVinit 1. Configuration. the file /etc/inittab

/etc/inittab의 초기 시스템 구성 파일을 읽어옴(Operation mode, 런레벨, 콘솔 등)

SysVinit 2. Initialization. the file /etc/init.d/rc

/etc/init.d/rc.S(debian) 명령 실행
(시스템 초기화-스왑영역 로드, 필요없는 파일 제거, 파일시스템 점검 및 마운트, 네트워크 활성화 등)

SysVinit 3. Services. /etc/init.d 및 /etc/rcN.d 디렉토리들

지정된 런레벨에 해당하는 스크립트 및 서비스 실행
/etc/init.d 의 실행 가능한 서비스들 모두 실행(cron, ssh, lpd 등등)
각 런레벨별로 실행할 서비스들은 /etc/rcN.d 에서 정의할 수 있음 (S01: 런레벨 1에서 활성화, K01:런레벨 1에서 비활성화)

4단계 INIT(systemd: BSD init)

systemd는 대표적으로 Ubuntu Linux의 Init System이다.
Sysvinit에 비해 시작속도가 빠르고, 리눅스 시스템을 보조하는 풀타임 프로세스로 상주한다
Target 유닛을 사용하여 부팅, 서비스관리, 동기화 프로세스를 진행한다
System Unit : Any resource that system can operate/manage (ex. .service, .target, .device, .mount, .swap...)

Systemd Boot process

systemd용 GRUB2 구성(GRUB_CMDLINE_LINUX="init=/lib/systemd/systemd" (이후 update-grub 실행)
첫 번째 .target 유닛 실행 (보통 graphical.target의 심볼릭 링크임)

#첫 번째 .target 유닛

[Unit]

Description=yon boot target
Requires=multi-user.target
Wants=yonbar.service
After=multi-user.target rescue.service rescue.target

Requires = hard dependencies
Wants = soft dependencies (시작이 필요하지 않은)
After = 여기서 정의된 서비스들 실행 이후에 부팅할 것

reference
1) https://itragdoll.tistory.com/3
2) 쉽게 배우는 운영체제 (조성훈 지음)
3) Wasabi Session
4) https://ocw.unican.es/
5) https://manybutfinite.com/post/how-computers-boot-up/

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