리눅스 시스템 부팅 프로세스(리눅스 부팅과정)

Linux

리눅스 시스템 부팅 프로세스(리눅스 부팅과정)

🐧 Yon 2021. 12. 15. 17:15

요약

리눅스 시스템이 올바로 시동하려면 일련의 과정이 올바로 수행되어야 한다.
PC 아키텍처에 직접 설치된 리눅스 시스템은 다음 과정을 거쳐 시동한다.

전원을 켬
하드웨어를 시작함(BIOS 또는 UEFI 펌웨어에서)
부트 로더 위치 찾기 + 시작하기
부트 로더에서 운영체제 고르기
선택된 운영체제에 맞는 커널과 초기 RAM 디스크(initrd) 시작하기
초기화 프로세스(init 또는 systemd) 시작
선택된 런레벨 또는 타깃에 따라 서비스 시작

우리는 위와 같은 일련의 과정을 "부팅(Booting)" 이라 부른다.

시스템 부팅이란

시스템 부팅 프로세스의 목적은 커널을 메모리에 올리고 실행하는 것이다. 봐도봐도 신기하고 어려운 시스템 부팅... 이 포스팅은 리눅스 시스템의 부팅 과정을 4단계로 가시화한 내용을 번역해서 담고 있다. 까먹을 때 마다 구글링하는거 힘들어서 여러가지 레퍼런스를 참고하여 포스팅으로 모았다... 돌아서면 자꾸 까먹는게 문제(눈물)...

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 프로세스를 아래 4단계의 순서로 자세하게 살펴보자

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

BIOS가 디스크의 MBR에서 부트 로더를 찾고, 이 부트 로더가 GRUB 설정 파일을 찾으면, 부트로더는 약 3~5초 동안의 시간을 카운트다운한다. 이 시간 동안(기본 운영체제가 시작하기 전까지) 사용자는 아무 키나 눌러 부트 로더에 개입할 수 있게 된다.

일반적으로 유저가 부트 메뉴에서 부트 로더에 개입해야 하는 이유는 다음과 같다.

다른 런레벨로 시작해야 할 때(런레벨 오버라이드)
다른 커널을 선택해야 할 때
(ex. RHEL의 새 커널이 yum을 통해 설치되면 이전 커널이 하나씩 유지된다. 새 커널이 시작하지 않을 때를 대비하는 것이다)
다른 운영체제를 선택해야 할 때
(ex. 페도라와 RHEL가 함께 설치된 컴퓨터에서 RHEL이 올바로 동작하지 않을 때 페도라로 시동한 뒤 RHEL 파일 시스템을 마운트하여 문제 해결을 시도할 수 있다)
부트 옵션을 변경해야 할 때
(ex. 커널 옵션 추가, 특정 구성 요소 하드웨어 지원 비활성화-일시적으로 USB 포트 비활성화 등-)

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

커널은 컴퓨터의 각종 하드웨어를 사용하는 데 필요한 드라이버와 모듈을 로드한다. 이 시점에서는 주로 하드웨어 실패를 찾아야 한다. 관련된 기능이 올바로 동작하지 않는 문제를 차단해야 하기 때문이다. (매우 드물지만 특정 하드웨어용 드라이버가 없다거나 엉뚱한 드라이버가 로드되기도 한다)

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

커널이 시작하면서 생성한 메시지들이 복사되는 곳은 커널 링 버퍼(Kernel Ring Buffer)라고 하며, 이를 나중에 참조할 수도 있다. 이곳에 커널 메시지가 저장되며, 버퍼가 모두 채워지면 오래된 순서부터 메시지가 삭제된다. 부팅 후 시스템 로그인하여 커널 메시지를 파일로 캡처하는 커맨드를 통해 커널 메시지 기록을 파일 형태로 남길 수 있다.

커널 메시지는 구성 요소 즉, CPU나 메모리, 네트워크 카드, 하드 드라이브 등이 감지될 때 나타난다.

dmesg > /tmp/kernel_msg.txt
less /tmp/kernel_msg.txt

# systemd는 systemd 저널에 저장된다
# 따라서 journalctl을 실행해야 부트 시부터 지금까지 쌓인 메시지 확인 가능

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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