Linux引导过程与服务控制(包括技术实验)

本文详细介绍Linux操作系统的启动流程,包括从开机自检到init进程初始化的各个阶段,并深入探讨了Systemd在系统初始化中的作用。此外,还介绍了如何诊断和修复常见的启动故障,例如MBR和GRUB引导故障,以及遗忘root密码后的处理方法。

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一、Linux操作系统引导过程

(一)、引导过程总览

开机自检(BIOS)→ MBR引导 → GRUB菜单 → 加载内核(kernel)→ init进程初始化

(二)、Linux操作系统的引导过程详细解读:

1、开机自检

服务器主机开机以后,将根据主板BIOS中的设置对CPU、内存、显卡、键盘等设备进行初步检测,检测成功后根据预设的启动顺序移交系统控制权,大多时候会移交给本机硬盘。
总结:检测出第一个能够引导系统的设备,比如硬盘或者光驱

2、MBR引导

当从本机硬盘中启动系统时,首先根据硬盘第一个扇区中MBR (主引导记录)的设置,将系统控制权传递给包含操作系统引导文件的分区或者直接根据MBR记录中的引导信息调用启动菜单(如GRUB)。
总结:运行放在MBR扇区里的启动GRUB引导程序

3、GRUB菜单

对于Linux操作系统来说,GRUB (统一启动加载器)是使用最为广泛的多系统引导器程序。系统控制权传递给GRUB以后,将会显示启动菜单给用户选择,并根据所选项(或采用默认值)加载Linux内核文件,然后将系统控制权转交给内核。
Centos 7采用的是 GRUB2 启动引导器
总结:GRUB引导程序通过读取GRUB配置文件 /boot/grub2/grub.cfg ,来获取内核和镜像文件系统的设置和路径位置。

4、加载Linux内核

Linux内核是一个预先编译好的特殊二进制文件,介于各种硬件资源与系统程序之间,负责资源分配与调度。内核接过系统控制权以后,将完全掌控整个Linux操作系统的运行过程。
Centos 7系统中,默认的内核文件位于 “/boot/vmlinuz-3.10.0-514.e17.x8664”
总结:把内核和镜像文件系统加载到内存中

5、init进程初始化

为了完成进一步的系统引导过程, Linux内核首先将系统中的 “/sbin/init” 程序加载到内存中运行(运行中的程序称为进程) ,init进程负责完成整个系统的初始化,最后等待用户进行登录。
总结:加载硬件驱动程序,内核把init进程加载到内存中运行

二、系统初始化进程

(一)、init进程

1、由Linux内核加载运行 /sbin/init 程序
2、init 进程是系统中第一个进程,是所有进程的父进程
3、init进程的PID (进程标记)号永远为1

(二)、Systemd

1、Systemd是Linux操作系统的一种 init 软件
2、CentOS7中采用全新的Systemd启动方式,取代传统的SysVinit
3、CentOS7中运行的第一个 init 进程是 /lib/systemd/systemd

传统 SysVinit 依赖于串行执行 Shell 脚本启动服务,导致效率低下,系统启动速度较慢.
systemd 能够将更多的服务进程并行启动,并且具有提供按需启动服务的能力,使得启动更少进程,从而提高系统启动速度。

(三)、Systemd 单元类型

单元类型扩展名说明
Service.service描述一个系统服务
Socket.socket描述一个进程间通信的套接字
Device.device描述一个内核识别的设备文件
Mount.mount描述一个文件系统的挂载点
Automount.automount描述一个文件系统的自动挂载点
Swap.swap描述一个内存交换设备或交换文件
Path.path描述一个文件系统中文件或目录
Timer.timer描述一个定时器(用于实现类似cron的调度任务)
Snapshot.snapshot用于保存一个systemd的状态
Scope.scope使用systemd的总线接口以编程的方式创建外部进程
Slice.slice描述居于Cgroup的一组通过层次组织的管理系统进程
Targe.target描述一组systemd的单元

(四)、运行级别所对应的Systemd目标

运行级别Systemd的target说明
0target关机状态,使用该级别时将会关闭主机
1rescue.target单用户模式,不需要密码验证即可登录系统,多用于系统维护
2multi-user.target用户定义/域特定运行级别。默认等同于3
3multi-user.target字符界面的完整多用户模式,大多数服务器主机运行在此级别
4multi-user.target用户定义/域特定运行级别。默认等同于3
5graphical.target图形界面的多用户模式,提供了图形桌面操作环境
6reboot.target重新启动,使用该级别时将会重启主机

三、排除启动类故障

(一)修复MBR扇区故障

1、故障原因
病毒、木马等造成的破坏
不正确的分区操作、磁盘读写误操作
2、故障现象
找不到引导程序,启动中断
无法加载操作系统,开机后黑屏
3、解决思路
应提前作好备份文件
以安装光盘引导进入急救模式
从备份文件中恢复

4、修复MBR扇区故障MBR位于第一块硬盘(/dev/sda)的第一个物理扇区处,总共512字节
1)、备份MBR扇区数据到其它磁盘 (/dev/sdb1)

mkdir    /backup
mount   /dev/sdb1    /backup
dd    if=/dev/sda    of=/backup/mbr.bak    bs=512     count=1

2)、模拟破坏MBR引导扇区

dd  if=/dev/zero  of=/dev/sda  bs=512  count=1

3)、引导界面进入急救模式,从备份文件中恢复MBR扇区数据
先加载好光盘镜像,重启操作系统,
当出现安装向导界面时,选择 “Troubleshooting” 选项,
再选择 “Rescue a Centos Linux system” 选项,进入急救模式
选择 “1” 选择 continue 并按 Enter 键继续
再次按 Enter 键后将进入带 “sh-4.2#” 提示符的 Bash Shell 环境

sh-4.2#  mkdir    /backupdir
sh-4.2#  mount   /dev/sdb1   /backupdir      #挂载带有备份文件的分区
sh-4.2#  dd   if=/backupdir/mbr. bak    of=/dev/sda      #恢复备份数据
sh-4.2#  exit      #执行exit命令退出临时 Shell 环境,系统将会自动重启

(二)、修复GRUB引导故障

1)、故障原因
MBR中的GRUB引导程序遭到破坏
/boot/grub2/grub. cfg 文件丢失、引导配置有误
2)、故障现象
系统引导停滞,显示 “grub>” 提示符
3)、解决思路
尝试手动输入引导命令
进入急救模式,重写或者从备份中恢复grub.conf
向MBR扇区中重建grub程序
4)、修复GRUB引导故障命令

/boot/grub/目录下的包是用于启动菜单的背景图片及样式
/boot/grub2/grub. cfg      #GRUB配置文件

方法一:手动输入引导命令(笨拙繁琐,不建议使用)

grub>  insmod   xfs      #加载指定的模块到内核
grub>  linux16   /vmlinuz-3.10.0-693.e17.x86_64   root=UUID=8fd74986-ae66-4ffd-b7d8-a19f2eca7b6f   ro   rhgb  quiet
LANG-zh   CN. UTF-8       #内核的名字及位置等信息
grub>  initrd16    /initramfs-3.10.0-693.e17.x86_64.img      #镜像系统文件
grub>   boot       #引导boot

方法二:进入急救模式,恢复GRUB引导程序(仅适用于前446字节被破坏)

MBR位于第一块硬盘(/dev/sda)的第一个物理扇区处,总共512字节,前446字节是主引导记录,分区表保存在MBR扇区中的第447-510字节中。这里注意最好只备份前446字节的数据。

mkdir    /bak
mount    /dev/sdb1   /bak
dd   if=/dev/sda    of=/bak/grub.bak   bs=446   count=1

模拟对MRB中的GRUB引导程序的破坏,但并不破坏分区表

dd   if=/dev/zero    of=/dev/sda    bs=446    count=1

引导界面进入急救模式,从备份文件中恢复GRUB引导程序

sh-4.2#   mkdir     /backupdir
sh-4.2#   mount    /dev/sdb1    /backupdir
sh-4.2#   dd    if=/backupdir/grub.bak    of=/dev/sda
sh-4.2#   exit

方法三:引导界面进入急救模式,重建GRUB菜单配置文件(/boot/grub2/grub. cfg 文件丢失、引导配置有误的情况)

rm   -rf   /boot/grub2/grub.cfg

sh-4.2#   chroot    /mnt/sysimage     进入急救模式,加载光盘镜像,切换到系统根环境

bash-4.2#   grub2-install    /dev/sda        重新将GRUB引导程序安装到第一块硬盘(/dev/sda)的MRB扇区

重新构建GRUB菜单的配置文件
bash-4.2#   grub2-mkconfig    -o    /boot/grub2/grub.cfg

退出chroot 环境,并重启
bash-4.2#   exit
sh-4.2#   reboot

(三)、遗忘root用户密码

1、故障原因
遗忘root用户的密码
2、故障现象
无法进行需要root权限的管理操作
若没有其他可用帐号,将无法登录系统
3、解决思路
进入急救模式,重设密码
4、遗忘root用户的密码
进入急救模式,加载系统镜像,切换到系统根环境

sh-4.2#   chroot   /mnt/sysimage

重设 root 用户密码

bash-4.2#   passwd   root

四、操作过程

(一)、模拟修复MBR扇区故障

首先创建一个20G硬盘 sdb ,然后进行分区
在这里插入图片描述

接着将创建的分区进行格式化之后挂载
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

接着将sda 中的第一个扇区的 mbr数据 备份到新创建的backup目录中
在这里插入图片描述

接着使用 dd 命令进行对sda 的模拟破坏,然后使用init 6 命令进行重启
在这里插入图片描述

选择急救模式后按照流程继续即可
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
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(二)、模拟修复GRUB引导故障中的/boot/grub2/grub. cfg 文件丢失、引导配置有误的情况

首先进入/boot 目录下,找到grub2 ,然后进入grub2 ,删除其中的grub.cfg文件,来模拟GRUB引导故障中的/boot/grub2/grub. cfg 文件丢失、引导配置有误的情况,接着使用reboot命令进行重启。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

重启的时候要在读取进度条的时候按下“Esc”键进入引导界面。如果一直不能进入引导界面,可以更改一下启动优先选项,更改为CD优先(按“+”移动位置),如下操作,完成重新构建GRUB菜单的配置文件后,需要再把这里更改成初始的顺序。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

剩下操作和上面实验步骤一样,只是在Linux 环境下输入的命令不同而已。

(三)、遗忘root用户密码

进入急救模式后,按照之前的操作进入Linux 环境下输入以下命令重新设置密码就行。
在这里插入图片描述

五、系统服务控制

(一)、系统服务控制

systemctl  控制类型   服务名称

(二)、控制类型

start:启动
stop:停止
restart:重新启动
reload:重新加载
status:查看服务状态

六、Linux系统的运行级别

(一)、查看运行级别

1、runlevel命令
2、systemctl工具

查看系统默认的运行级别

systemctl get-default

(二)、临时切换运行级别

1、init命令
2、systemctl工具

init 0    systemctl   isolate   poweroff.target             systemctl   poweroff
init 1   systemctl   isolate   rescue.target
init 3   systemctl   isolate   multi-user.target  
init 5   systemctl   isolate   graphical.target
init 6  systemctl   isolate   reboot.target          systemctlreboot       reboot

(三)、设置永久运行级别

设置永久运行级别
In-sf   /lib/systemd/system/multi-user.target    /etc/systemd/system/default.target
或
systemctl   set-default   multi-user.target
永久修改主机名
hostnamectl   set-hostname   newname
查看主机名的状态
hostnamectl   status
设置系统语言为中文
localectl   set-locale   LANG=zh_CN.utf8
查看当前系统使用的语言
localectl    [status]
查看系统启动耗时
systemd-analyze

七、优化启动过程

(一)、ntsysv工具

1、提供一个交互式、可视化窗口
2、可以在字符终端运行
3、便于集中管理多个服务
4、用于控制服务是否开机自启动

(二)、systemct工具

1、不提供交互式、可视化窗口
2、管理单个服务效率更高

八、系统服务的启动和控制

(一)、ntsysv系统服务管理工具

1、按空格键标志服务选项
2、按↑、↓键切换服务选项
3、按tab键切换光标
在这里插入图片描述

(二)、系统服务的启动和控制

1、查看系统服务的启动状态

systemctl is-enabled 服务名称

2、服务名称设置系统服务的启动状态

systemctl enable 服务名称        #开启开机自启动
systemctl disable 服务名称        #关闭开机自启动
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