LiveCD及Casper调研

 1.LiveCD原理

   LiveCD本质上是ISO 9660/El Torito格式的CD-ROM。

   下面对LiveCD涉及的各种技术做了简单的调研。

1.1. CD-ROM

   CD-ROM是一种光盘存储介质。

   与磁盘类似，CD-ROM被划分为多个track，track又被划分为多个sector。sector大小为2352字节，随着sector所采用的编码方式的不同，其内部结构也不同，见下图。CD digital audio格式是CD唱片采用的方式，CD-ROM Mode1/2是CD-ROM数据盘(LiveCD属于此种情况)采用的方式。

 

 

 

1.2. ISO9660

   CD-ROM中，每个track上都可以构建一个独立的文件系统。ISO 9660便是一种构建在CD-ROM之上的文件系统，专为光盘存储介质而设计，又被称为CDFS(Compact Disk File System)。

   ISO 9660考虑了CD-ROM的顺序访问及只读的特性，将文件连续存储在CD-ROM的track上，对文件名的格式、属性、大小、数量、目录的层次等都作了限制。

   ISO 9660文件系统的存储格式如下

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   在Data Area的头部，有多个Volume Descriptor，其功能类似于ext4文件系统中的Super Block，用于描述当前Volume的属性信息。

    Volume是逻辑上的概念，对应到底层物理介质，就是存储当前ISO 9660文件系统实例的CD-ROMtrack。

   Volume Descriptor有多种类型，如Boot Record Volume Descriptor, PrimaryVolume Descriptor, Volume Descriptor Set Terminator等，其中Primary Volume Descriptor记录了当前volume的大小, Root Directory的起始地址(Logical Block Address)等，ISO 9660要求至少包含一个Primary Volume Descriptor。

1.3. ElTorito

   El Torito Bootable CD Specification是对ISO 9660的扩展，用于实现可引导的CD-ROM。

   El Torito定义了3种引导模式，分别是floppy disk emulation, hard disk emulation以及no emulation。前两种模拟模式，通过将软盘或者磁盘的image存放在CD-ROM中，由BIOS负责加载到内存中，并将其虚拟成软盘或者磁盘驱动器，然后从虚拟软盘或虚拟磁盘中引导OS，从而实现对老OS的支持。现在最常用的是第3种方式，即直接从CD-ROM引导OS (LiveCD采用此方式)。El Torito Bootable CD需要BIOS的支持，当然，现在的BIOS都已经支持完全3种引导模式了。

   El Torito遵循ISO 9660的存储格式，只是对特定区域的功能做了进一步的定义，其格式如下

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    El Torito将紧接着Primary Volume Descriptor的Sector 17定义为Boot Record Volume Descriptor，其记录了Booting Catalog的起始地址。

    实际上，Boot Record Volume Descriptor并不是新的VolumeDescriptor类型，其在ISO 9660中已有定义。

   Booting Catalog是一个目录表，包含了多个目录项，目录项进一步记录了可引导镜像文件的起始地址。从上图可以看出，El Torito支持单镜像引导和多镜像引导两种模式。顾名思义，在多镜像引导下，从一个CD-ROM可以引导多个系统。

   从ISO 9660文件系统的角度看，El Torito Bootable CD中的Booting Catalog实际上就是Root Directory文件，Bootable Disk Image以及CD-ROM Image都是文件系统中的文件，只不过是在引导阶段使用的特殊文件，如bootloader等。

   当从El Torito Bootable CD进行no emulation启动时，BIOS读取Boot Record Volume Descriptor，得到Booting Catalog的位置并读取此目录表，如果发现其中包含多个Boot Entry，则需要用户选择一个启动项，接着，BIOS将被选中的Boot Entry所指向的Bootable Disk Image载入内存。

    需要注意的是，无论Disk Image文件有多大，BIOS都只会载入固定数量的sector，这就要求Bootable Disk Image不能太大。

   载入完成之后，BIOS跳转到Bootable Disk Image的0字节处开始执行，顺序执行到代码结束。可以看出，Bootable Disk Image实际上就是bootloader，其需要完成OS加载和初始化的工作，由于bootloader不能太大，因此它会进一步加载下一阶段的bootloader完成复杂的工作。

1.4. ISOLINUX

   isolinux是为Linux/i386的CD-ROM启动而设计的引导程序(bootloader)，它支持以ISO 9660/El Torito的no emulation模式引导OS。

   isolinux是syslinux的一部分，syslinux是一个bootloader集合，针对各种介质设计了相应的引导程序，如针对MS-DOS FAT文件系统的轻量级引导程序syslinux，针对Ext2/3/4/btrfs设计的extlinux，网络引导程序pxelinux以及CD-ROM引导程序isolinux。

   isolinux的主体是bootloader，即isolinux.bin，其负责读取isolinux.cfg配置文件，载入相应的linux内核。isolinux.bin实现了遍历ISO 9660文件系统的功能，因此，启动时所需的配置，Linux内核等都可以以文件的形式存放在CD-ROM中。除了isolinux.bin和isolinux.cfg两个文件，isolinux中还有一个重要文件，即boot.cat，即Booting Catalog，它记录了所有可引导的文件的起始地址，对于isolinux来说，boot.cat中只记录了isolinux.bin。

1.5. Initrd/Initramfs

1.5.1. Initrd的作用

   Initrd是initial ram disk的简称，是Linux内核在启动过程中使用的临时根文件系统，只包含必要的可执行文件和系统文件，为挂载最终的rootfs作准备。其设计的初衷是，考虑到内核启动时缺少驱动，无法访问多数I/O外设(尤其是存储设备)，于是在内存中虚拟一个根文件系统，使得内核可以加载其中的驱动，执行一些初始化，进而可以访问外设，挂载真正的rootfs。

   Initrd的目录结构与最终的rootfs类似，但经过精简，只包含必要的可执行文件和系统文件，如shell, mount, insmod, lvm及基本的驱动等。其中最核心的文件是init，该脚本完成内核参数的解析、驱动的加载、最终rootfs的挂载等初始化工作。

1.5.2. Initrd的原理

   Linux内核支持ram disk机制，即将一段内存虚拟成块设备(/dev/ram)。initrd基于该机制。内核在启动时，会将initrd.img拷贝到/dev/ram上，然后将/dev/ram挂载为rootfs。initrd.img实际上是一个块设备镜像，在此镜像中，保存了一个完整的文件系统(如ext2, ramfs等)，将initrd.img拷贝到/dev/ram之后，/dev/ram中便包含该文件系统，之后将/dev/ram作为一个普通的块设备进行挂载，即可以访问其中的文件系统。需要注意的是，为了能够访问该文件系统，需要将该文件系统驱动编译到Linux内核中，而不是以可加载模块的形式存在。

   由于ram disk是块设备，其上层的文件系统需要在文件系统缓存和块设备间进行数据的拷贝，实际上ram disk与文件系统缓存都在内存中，这就造成了不必要的数据拷贝。ramfs作为ram disk的替代，很好地解决了这个问题。ramfs/tmpfs是内存中的文件系统，实现了文件系统的接口，并将所有文件数据保存在内存中，底层并没有块设备，无须进行缓存和块设备间的数据交换。

1.5.3. Initramfs

   Initramfs 即是基于ramfs实现了initrd的功能，两者的rootfs一样，只是存储格式不同。initramfs是一个cpio归档包，即直接对rootfs中的文件进行的打包，而initrd是一个img文件，是对包含rootfs的块设备进行的镜像拷贝。initrd和initramfs都可以进一步压缩，在启动时，内核会完成相应的解压。

2.Casper

   Casper是debian系统中initramfs-tools的一种hook，辅助init脚本完成LiveCD的启动工作，主要负责rootfs的挂载和初始化。casper不仅支持LiveCD，也支持Netboot tarball, USB stick image等启动方式。

   casper在initramfs的init脚本中插入相应的代码，将init的执行逻辑导向casper中。casper会在所有块设备中查找/casper目录，该目录中保存了根文件系统，通常被打包为一个squashfs镜像文件，找到此文件后，casper会创建一个内存文件系统，然后将squashfs解压到此文件系统中。

   init脚本主要通过/scripts/casper脚本中mountroot()函数，完成rootfs的准备工作，具体过程为：

   (1) 调用find_livefs()遍历所有的块设备，查找/casper/*.squashfs文件。

    在遍历过程中，对于不同的块设备，如cdrom, sata, device-mapper, md等，处理略有不同，但大概过程是相同的，即尝试挂载该块设备，然后查找该块设备的文件系统中，是否包含合法的casper路径(重点是查找/casper/*.squashfs文件)。

   (2) 在某个块设备中找到/casper/*.squashfs文件之后，调用setup_unionfs()将这些文件(可能有多个)以unionfs的形式挂载到/root上。

    setup_unionfs()首先调用get_backing_device()将*.squashfs文件绑定到/dev/loop上，然后挂载到/$imagename目录上，与此同时，挂载一个tmpfs，然后利用unionfs将tmpfs与/$imagename聚合到/root上。由于设置了tmpfs为RW权限，而/$imagename为RO权限，使得对squashfs中文件的修改都被重定向到tmpfs中，这就解释了为什么物理上只读的LiveCD系统却可以正常读写。

    如果向casper传递了toram或todisk参数，则在挂载*.squashfs文件之前，会先将这些文件拷贝到toram/todisk中，之后使用LiveCD系统的过程中，无须再从CD-ROM读取*.squashfs文件，提高了性能。

   (3) *.squashfs挂载完成后，需要对未来的rootfs进行一些配置，这些工作由/scripts/casper-bottom中的脚本完成。

   至此，casper结束执行，返回init脚本。

3.LiveCD启动流程

    BIOS读取CD-ROM中的BootRecord Volume Descriptor，定位boot.cat文件的地址，读取该文件中的Boot Entry，进一步定位isolinux.bin文件的地址，接着，将该文件加载到内存并执行。

   isolinux.bin在光盘中查找isolinux.cfg文件，读取该文件，获得启动配置，该文件记录了采用何种启动界面，有图形界面和者字符界面两种，其中图形界面下，会进一步加载vesamenu.c32文件和splash.jpg文件，完成图形界面的显示。在用户选定一个启动项之后，isolinux.bin按照isolinux.cfg中的配置，查找相应的kernel文件，将其加载到内存中，将相应的参数传递给kernel并执行。

   kernel进行内核初始化，并将initrd.lz解压到/dev/ram中，并将其挂载为rootfs，执行其中的/init脚本。

   init脚本解析isolinux.bin传递进来的内核参数，接着加载核心驱动，挂载运行时文件系统，在参数解析阶段如果识别出boot=casper，init脚本会执行/scripts/casper脚本，主要调用其中mountroot()函数，实现squashfs的解压和挂载rootfs，最后init脚本执行/bin/run-init程序，该程序完成rootfs的切换，并执行/sbin/init程序，init程序根据/etc/rc.d中的配置，进一步初始化用户环境，包括图形界面、网络等。

   至此，LiveCD启动结束。

4.参考资料

http://en.wikipedia.org/wiki/CD-ROM

http://en.wikipedia.org/wiki/ISO_9660

http://www.ecma-international.org/publications/files/ECMA-ST/Ecma-119.pdf

http://en.wikipedia.org/wiki/El_Torito_%28CD-ROM_standard%29

http://wiki.osdev.org/El-Torito

http://download.intel.com/support/motherboards/desktop/sb/specscdrom.pdf

http://littlesvr.ca/isomaster/eltoritosuppl.php

http://www.syslinux.org/wiki/index.php/ISOLINUX

http://blog.csdn.net/liujixin8/article/details/4029887

http://manpages.ubuntu.com/manpages/hardy/man7/casper.7.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Klibc

http://en.wikipedia.org/wiki/UnionFS