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【网络运维】Linux：系统启动原理与配置

news 2025/8/6 12:23:10

Linux 系统启动原理

CentOS 7 启动过程

现代计算机系统是硬件与软件的复杂组合。从断电状态开始，到拥有登录提示符的运行中系统，这需要大量的硬件和软件配合工作。

以下列表从较高层面概述了 CentOS7 启动过程。
在这里插入图片描述

  1. 计算机接通电源。系统固件（现代UEFI或更旧的BIOS)运行开机自检(POST)，并开始初始化硬件。

    配置： 在系统启动早期，通过按特定的组合键，例如F2，配置系统固件。

  2. 系统固件搜索启动设备，根据固件配置的顺序搜索启动磁盘上的主启动记录(MBR)。系统固件从磁盘读取boot loader，然后将系统控制权交给boot loader，boot loader是GRand Unified Bootloader version 2(GRUB2)。

    配置： 使用 grub2-install 命令进行配置，它将安装 GRUB2 作为磁盘上的启动加载器。

  3. GRUB2从/boot/grub2/grub.cfg文件加载配置并显示一个操作系统菜单，可以从中选择要启动的系统。

    配置： 使用 /etc/grub.d/ 目录、/etc/default/grub 文件和 grub2-mkconfig 命令进行配置，以生成 /boot/grub2/grub.cfg 文件。

  4. boot loader根据选定条目的配置，从磁盘中加载kernel和initramfs，并将它们放入内存中。initramfs是一个存档，其中包含启动时所有必要硬件的内核模块、初始化脚本等等。

    boot loader将控制权交给kernel，并同时将启动项的内核参数、initramfs在内存中的位置传递给kernel。内核在initramfs中找到所有硬件驱动程序，并初始化这些硬件。

    配置： 使用 /etc/dracut.conf.d/ 用录、dracut 命令和 lsinitrd 命令进行配置，以检查 initramfs 文件。

  5. initramfs 执行/sbin/init，作为PID 1。在CentOS中，/sbin/init是一个指向systemd的链接。

    配置： 使用内核参数init=command配置系统初始化程序。

  6. 随后，systemd会加载从内核命令行传递的target或者加载系统配置的default.target，该目标通常启动一个基于文本的登录或图形登录屏幕。

    配置： 使用systemctl设置默认target。

  7. default.target依赖sysinit.target，sysinit.target用于初始化系统，例如读取/etc/fstab挂载文件系统，激活systemd-journald等。

    配置： 使用/etc/fstab配置文件系统开机自动挂载。

  8. default.target还会激活开机启动的单元。

    配置： 使用systemctl设置开机启用服务。

  9. default.target还会激活getty.target，该target将打开tty1终端用于用户登录。

系统 target

systemd使用类型为target的单元来分组不同单元，例如multi-user.target包涵chronyd.service、crond.service、firewalld.service等服务。

target还可以包涵其他target，例如graphical.target包涵multi-user.target，multi-user.target包涵basic.target，basic.target包涵sysinit.target。

使用以下命令查看target之间依赖关系：

[root@server-tpl ~]# systemctl list-dependencies graphical.target
graphical.target
● ├─accounts-daemon.service
● ├─gdm.service
● ├─initial-setup-reconfiguration.service
● ├─network.service
● ├─rtkit-daemon.service
● ├─systemd-readahead-collect.service
● ├─systemd-readahead-replay.service
● ├─systemd-update-utmp-runlevel.service
● ├─udisks2.service
● └─multi-user.target
......# 查看反向依赖
[root@server-tpl ~]# systemctl list-dependencies sshd.service --reverse 
sshd.service
● └─multi-user.target
●   └─graphical.target

系统启动级别

CentOS 6 之前使用启动级别控制系统开机激活哪些服务。CentOS 7 使用target控制系统开机激活哪些服务。

runleveltarget作用
0关机，init 0 同 poweroff 和systemctl poweroff
1emergency.target rescue.target单用户模式、救援模式和紧急模式用于修复系统
2多用户文本界面，不具备NFS功能
3multi-user.target多用户文本界面
4未使用
5graphical.target多用户图形界面
6重启，init 6 同 reboot 和systemctl reboot

设置系统运行目标

/etc/inittab文件是CentOS 6之前版本初始化系统使用的配置文件。

# 部分内容如下
# Default runlevel. The runlevels used by RHS are:
#   0 - halt (Do NOT set initdefault to this)
#   1 - Single user mode
#   2 - Multiuser, without NFS (The same as 3, if you do not have networking)
#   3 - Full multiuser mode
#   4 - unused
#   5 - X11
#   6 - reboot (Do NOT set initdefault to this)
# 
# 设置运行级别为5，也就是图形化方式启动。
id:5:initdefault:

设置系统当前运行 target

# 设置系统当前运行target为multi-user.target
[root@server-tpl ~]# systemctl isolate multi-user.target# 设置系统当前运行target为graphical.target 
[root@server-tpl ~]# systemctl isolate graphical.target

设置系统开机默认运行 target

# 查看系统开机默认运行target
[root@server-tpl ~]# systemctl get-default 
graphical.target# 设置系统开机默认运行target
[root@server-tpl ~]# systemctl set-default multi-user.target
# 重启验证

在系统启动时选择其它目标

要在启动时选择其他目标，将 systemd.unit=target.target 参数附加到内核命令行。该配置是临时生效的，经常用于系统启动过程中故障排除。

要使用这种选择其他目标的方法，请执行以下步骤：

  1. 启动或重新启动系统。

  2. 按任意键中断启动加载器菜单倒计时（Enter除外，它用于执行正常启动）。

  3. 将光标移至第一个内核条目，按e编辑当前条目。
    在这里插入图片描述

  4. 将光标移至以linux16开头的行，末尾附加systemd.unit=target.target。例如，systemd.unit=multi-user.target。按 Ctrl+x 使用这些更改进行启动。
    在这里插入图片描述

重置 ROOT 密码

以下几种方法可用于设置新的root密码。例如：

  • 系统管理员可以使用Live CD启动系统，挂载根文件系统，然后编辑/etc/shadow：
    • 删除root账户密码字段
    • 使用已知密码字段替换root密码字段
  • 在CentOS 7之后版本中，可以让initramfs运行的脚本在某些点暂停，以提供root身份的shell，然后在该shell中重置root密码。

方法1：rd.break

  1. 重新启动系统。

  2. 按任意键（Enter除外）中断启动加载器倒计时。

  3. 将光标移至第一个内核条目，按e编辑当前条目。
    在这里插入图片描述

  4. 将光标移至以 linux16 开头的行，末尾附加 rd.break。利用该选项，在系统从initramfs向实际系统移交控制权前，系统将会中断。按Ctrl+x进行启动。
    在这里插入图片描述

  5. 此时，系统会显示root shell，且磁盘上的实际根文件系统以只读方式挂载在/sysroot。

    以读/写形式重新挂载/sysroot。

    switch_root:/# mount -o remount,rw /sysroot

  6. 切换root位置，把/sysroot做为文件系统树的根。

    switch_root:/# chroot /sysroot

  7. 设置新root密码。

    sh-4.2# echo password | passwd --stdin root

    提示：password 处输入自定义密码。

  8. 如果系统开启了 SELinux 功能，则需要确保所有未标记的文件（包括此时的/etc/shadow)在启动过程中都会重新获得标记。

    sh-4.2# touch /.autorelabel

  9. 执行以下命令，系统将继续启动。如果系统开启了SELinux功能，还需要执行完整的 SELinux 重新标记，然后再次重新启动。

    sh-4.2# exit
switch_root:/# exit

  10. 登录验证。

方法2：init=/bin/bash

  1. 重新启动系统。

  2. 按任意键（Enter除外）中断启动加载器倒计时。

  3. 将光标移至第一个内核条目，按e编辑当前条目。

  4. 将光标移至以 linux16 开头的行，末尾附加 init=/bin/bash。利用该选项，在系统从initramfs向实际系统移交控制权前，系统将会中断，请开启一个root shell。按Ctrl+x使用这些更改进行启动。

  5. 此时系统会显示root shell，且磁盘上的实际根文件系统以只读方式挂载在/。以读/写形式重新挂载/。

    bash-4.2# mount -o remount,rw /

  6. 使用以下命令删除root密码，等进入系统后再重新设置root密码。

    sh-4.2# passwd -d root

    此时还可以使用vi编辑器直接编辑/etc/shadow文件，复制已知用户的密码记录替换root密码。

  7. 如果系统开启了 SELinux 功能，则需要确保所有未标记的文件（包括此时的/etc/shadow)在启动过程中都会重新获得标记。

    sh-4.2# touch /.autorelabel

  8. 执行以下命令，系统将继续启动。如果系统开启了SELinux功能，还需要执行完整的 SELinux 重新标记，然后再次重新启动。

    sh-4.2# exec /usr/lib/systemd/systemd

  9. 使用root登录，此时不需要密码。

/etc/fstab 引起的系统启动问题

环境准备

# 设置磁盘分区管理方案
[root@server-tpl ~]# parted /dev/sdb mklabel msdos# 创建分区
[root@server-tpl ~]# parted /dev/sdb unit MiB mkpart primary 1 10241# 格式化为xfs文件系统
[root@server-tpl ~]# mkfs.xfs /dev/sdb1# 创建挂载点
[root@server-tpl ~]# mkdir /data01# 设置持久化挂载
[root@server-tpl ~]# echo '/dev/sdb1 /data01 xfs defaults 0 0' >> /etc/fstab# 挂载并验证
[root@server-tpl ~]# mount -a
[root@server-tpl ~]# df -h /data01
文件系统        容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/sdb1        10G   33M   10G    1% /data01

故障1：挂载点不存在

环境准备

[root@server-tpl ~]# umount /data01
[root@server-tpl ~]# rmdir /data01

重启系统验证

# 可以正常进入系统，挂载点会被自动创建
[root@server-tpl ~]# df -h /data01
文件系统        容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/sdb1        10G   33M   10G    1% /data01

故障2：设备名称写错或者找不到设备

环境准备

[root@server-tpl ~]# vim /etc/fstab
# 将原先的sdb1修改为sdb2
/dev/sdb2 /data01 xfs defaults 0 0

重启系统验证

  1. 启动过程中找不到该设备。

  2. 1分30秒超时后，进入emergency模式，进行修复。

    修改为正确的值或者注释该条目，确保系统正常启动。

  3. 然后输入exit，继续启动。

  4. 无法脱离emergency模式的情况下重启系统。

故障3：破坏文件系统

环境准备

[root@server-tpl ~]# dd if=/dev/zero of=/dev/sdb1 bs=1M count=1

重启系统验证

  1. 系统启动过程中尝试修复文件系统，修复失败后提示进入 emergency 模式修复。

  2. 进入emergency 模式修复。

    # 执行以下命令修复（在系统emergency模式下）
[root@server-tpl ~]# xfs_repair /dev/sdb1

    修复完成后，输入exit继续启动系统，并可以正常启动系统。

grub2 配置

grub2 配置文件

grub2 的主要配置文件如下：

  • /boot/grub2，grub2的主要配置文件所在目录，例如grub.cfg、grubenv、user.cfg。

  • /etc/grub2.cfg

    • /etc/grub2.cfg 是指向 /boot/grub2/grub.cfg的软连接。

    • 不要直接修改/etc/grub2.cfg文件，该文件由系统自动生成。如果需要自定义这个文件，可以通过修改/etc/grub.d/中脚本和/etc/default/grub文件，然后通过grub2-mkconfig命令生成。

    使用efi启动方式的grub2配置文件是/etc/grub2-efi.cfg。

  • /etc/grub.d/，该目录下存放多个数字开头的脚本，按照从小到大的顺序执行。例如00_header会调用/etc/default/grub配置文件来实现最基本的开机界面配置。

  • /etc/default/grub，定义grub启动部分变量信息，例如grub启动菜单选择条目的超时时间，内核参数等。

  • /boot/grub2/grubenv，设定默认启动条目。

grub 菜单超时时间

[root@server-tpl ~]# vim /etc/default/grub
# 修改GRUB_TIMEOUT为20
GRUB_TIMEOUT=20# 生效grub2.cfg配置文件
[root@server-tpl ~]# grub2-mkconfig -o /etc/grub2.cfg
Generating grub configuration file ...
......
done# 重启
[root@server-tpl ~]# reboot

kernel 启动参数

[root@server-tpl ~]# vim /etc/default/grub
# 修改GRUB_CMDLINE_LINUX，例如在最后添加参数console=ttyS0，导致不显示启动过程
GRUB_CMDLINE_LINUX="rd.lvm.lv=centos/root rd.lvm.lv=centos/swap rhgb quiet console=ttyS0"
# console=ttyS0：启动过程显示到ttyS0终端。
# rhgb：启用图形化启动界面。
# quiet：减少启动过程中的日志输出。# 生成grub2.cfg配置文件，重启验证
[root@server-tpl ~]# grub2-mkconfig -o /etc/grub2.cfg
[root@server-tpl ~]# reboot

效果如下：
在这里插入图片描述

grub 菜单加密

# 查看/etc/grub.d/01_users脚本
[root@server-tpl ~]# cat /etc/grub.d/01_users
#!/bin/sh -e
cat << EOF
if [ -f \${prefix}/user.cfg ]; thensource \${prefix}/user.cfgif [ -n "\${GRUB2_PASSWORD}" ]; thenset superusers="root"export superuserspassword_pbkdf2 root \${GRUB2_PASSWORD}fi
fi
EOF# 生成grub2密码
[root@server-tpl ~]# grub2-mkpasswd-pbkdf2 
Enter password: `123`
Reenter password: `123`
PBKDF2 hash of your password is grub.pbkdf2.sha512.10000.9D2E9BE8B671DDFDC7353CC0BA5BBA25AF0E291BE92B8946E40A547A8627E31ACCA92D3903DA71A78CCE0C77F2E383DC70D3810D5BEF005D059D7DEB9C6FE388.4B31A9B97CF97A65BB4179CB7076B619410CFAAE50EBC77C2CE16FB54E791B4A39F80D369D94727AFCD285EAD70BE1C3491B61069D255328DCF64EB497CB34D4# 创建文件
[root@server-tpl ~]# vim /boot/grub2/user.cfg
GRUB2_PASSWORD=grub.pbkdf2.sha512.10000.9D2E9BE8B671DDFDC7353CC0BA5BBA25AF0E291BE92B8946E40A547A8627E31ACCA92D3903DA71A78CCE0C77F2E383DC70D3810D5BEF005D059D7DEB9C6FE388.4B31A9B97CF97A65BB4179CB7076B619410CFAAE50EBC77C2CE16FB54E791B4A39F80D369D94727AFCD285EAD70BE1C3491B61069D255328DCF64EB497CB34D4# 生成grub2.cfg配置文件，重启验证
[root@server-tpl ~]# grub2-mkconfig -o /etc/grub2.cfg
[root@server-tpl ~]# reboot

效果如下：

  1. 启动菜单界面，按e编辑。

  2. 输入用户名root，然后输入root用户密码。
    在这里插入图片描述

默认启动条目

# 查看启动条目有哪些
[root@server-tpl ~]# ls /boot/loader/entries/
3762d99b9ee243f1a50e755cf5f1881e-0-rescue.conf
3762d99b9ee243f1a50e755cf5f1881e-4.18.0-553.el8_10.x86_64.conf# 修改默认启动条目
[root@server-tpl ~]# vim /boot/grub2/grubenv
# 修改saved_entry为相应条目
saved_entry=3762d99b9ee243f1a50e755cf5f1881e-4.18.0-553.el8_10.x86_64
......

grub2 故障处理

MBR 组成

主引导扇区由三个部分组成：
在这里插入图片描述

  • 引导程序（占446个字节），硬盘启动时将系统控制权转给分区表中的某个操作系统。
  • 磁盘分区表项（DPT，Disk Partition Table)，由四个分区表项构成（每个16个字节）。
  • 结束标志（占2个字节），其值为AA55（十六进制）。

故障1：grub 引导程序故障

环境准备

[root@server-tpl ~]# dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=1 count=446

效果如下： 系统无法从硬盘启动，则会尝试使用其他设备启动。

解决思路： 使用光盘启动，并重新安装引导程序。

解决过程：

  1. 开机从光盘启动，并选择Troubleshooting。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

  2. 选择Rescue a CentOS system
    在这里插入图片描述

  3. 稍等片刻，进入选择界面，选择 1。搜索到系统后，提示系统已经挂载在/mnt/sysimage，按回车继续。
    在这里插入图片描述

  4. 切换root目录，并确保root文件系统是读写挂载。

    sh-4.2# chroot /mnt/sysimage
bash-4.2# mount | grep root
/dev/mapper/centos-root on / type xfs (rw,relatime,seclabel,attr2,inode64,noquota )

  5. 确认系统启动分区所在磁盘。
    在这里插入图片描述

  6. 安装引导程序。

    bash-4.2# grub2-install /dev/sda
Installing for i386-pc platform.
Installation finished. No error reported.

  7. 输入 exit 两次重启系统：第一次exit，退出chroot环境；第二次exit，退出系统。

    bash-4.2# exit
sh-4.2# exit

故障2：引导文件丢失

环境准备

[root@server-tpl ~]# mv /boot/vmlinuz-3.10.0-1160.71.1.el7.x86_64{,.ori}
[root@server-tpl ~]# reboot

效果如下： 系统无法启动，提示/vmlinuz-4.18.0-553.el8_10.x86_64文件找不到。
在这里插入图片描述
解决思路： 使用光盘启动，并从起位置恢复相应文件。

解决过程：

  1. 参考 **<< grub 引导程序故障 >>**处理流程，获取root权限shell。

  2. 恢复文件。（从其他系统复制过来，从rpm包提取等）

  3. 输入 exit 两次继续启动系统。

故障处理总结

通过光盘启动的目的是将硬盘上的系统挂载到内存中，并进行修复。

我们也可以通过U盘启动盘启动或者将故障磁盘拔下来挂载到其他系统。

硬盘加密

在这里插入图片描述
效果：

系统启动时，必须输入密码才能读取硬盘中数据。
在这里插入图片描述
修复磁盘时，同样需要输入密码。
在这里插入图片描述

  • 该加密操作不会加密grub2系统选择菜单，也就是/boot目录中数据。
http://www.lryc.cn/news/611158.html

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