Linux学习(10)——引导过程与服务控制(解决启动类故障)
目录
一、内核设计流派
二、引导过程
1、开机自检
2、MBR引导
3、GRUB菜单
4、加载Linux内核
5、init进程初始化
6、init进程与Systemd的区别
6.1 init进程（串行启动）
6.2 Systemd（并行启动）
三、服务
1、systemd服务
2、systemd新特性
3、systemd单元类型
4、运行级别所对应的Systemd 目标
四、排除启动类故障
1、修复MBR扇区故障
1.1实验：修复MBR扇区
2、修复GRUB引导故障
2.1实验：修复GRUB引导故障的具体步骤
3、遗忘root用户密码
3.1实验：遗忘root用户密码并重设的具体步骤
三、服务控制及切换运行级别
1、系统服务控制
1.1systemctl
2、设置运行级别
2.1 systemctl工具
2.1.1 systemctl和init
2.2 chkconfig工具
2.3 编译安装，并把nginx加入systemctl服务中管理
一、内核设计流派
宏内核(monolithic kernel)：又称单内核和强内核，Unix，Linux把所有系统服务都放到内核里，所有功能集成于同一个程序，分层实现不同功能，系统庞大复杂，Linux其实在单内核内核实现了模块化，也就相当于吸收了微内核的优点。
微内核(micro kernel)：Windows，Solaris，HarmonyOS简化内核功能，在内核之外的用户态尽可能多地实现系统服务，同时加入相互之间的安全保护，每种功能使用一个单独子系统实现，将内核功能移到用户空间，性能差。
二、引导过程
1、开机自检
- 检测出第一个能够引导系统的设备，比如硬盘或者光驱。
服务器主机开机以后，将根据主板 BIOS 中的设置对 CPU（Central Processing Unit， 中央处理器）、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，因为操作系统一般都装在硬盘中。
硬件启动POST：Power-On-Self-Test，加电自检，是BIOS功能的一个主要部分。负责完成对CPU、主板、内存、硬盘子系统、显示子系统、串并行接口、键盘等硬件情况的检测。
主板的ROM：BIOS，Basic Input and Output System，保存着有关计算机系统最重要的基本输入输出程序，系统信息设置、开机加电自检程序和系统启动自举程序等。
2、MBR引导
- 运行放在MBR扇区里的启动GRUB引导程序。
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
- 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以及路径位置。
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FRUB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）
4、加载Linux内核
- 把内核和镜像文件系统加载到内存中。
Linux内核是一个预先编译好的特殊二进制文件，介于各自硬件资源与系统程序之间，复制资源分配与调度，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.x86_64”）
5、init进程初始化
- init 进程初始化：加载硬件驱动程序，内核把init进程加载到内存中运行。
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。
- 传统init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— 排队
- 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 —大家一起
6、init进程与Systemd的区别
6.1 init进程（串行启动）
- 由Linux内核加载运行/sbin/init程序；
- init进程是系统中第一个进程，是所有进程的父进程；
- init进程的PID（进程标记）号永远为1。
6.2 Systemd（并行启动）
- Systemd是Linux操作系统的一种init软件；（centos7的第一个进程是systemd,centos6以及之前的第一个进程是init）
- CentOS 7中采用权限的Systemd（并行启动服务进程）启动方式，取代传统的SysVinit(串行执行shell脚本启动服务)；
- CentOS 7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、服务
1、systemd服务
- 可以解决依赖关系并行启动
- 按需启动
- 自动解决依赖关系
- 负责在系统启动或运行时，激活系统资源，服务器进程和其它进程
systemd 核心概念：unit
unit表示不同类型的systemd对象，通过配置文件进行标识和配置；文件中主要包含了系统服务、监听、socket、保存的系统快照以及其它与init相关的信息
2、systemd新特性
-
系统引导时实现服务并行启动
-
按需启动守护进程
-
自动化的服务依赖关系管理
-
同时采用socket式与D-Bus总线式激活服务
-
socket与服务程序分离
-
向后兼容sysv init脚本
-
使用systemctl 命令管理，systemctl命令固定不变，不可扩展，非由systemd启动的服务，
-
systemctl无法与之通信和控制
-
系统状态快照
3、systemd单元类型
- system unit（单元）：systemd方便管理程序，将程序按照特定的功能分成了很多单元
- 在systemd中不同类型的systemd对象被统一称为单元，是让系统知道该如何进行操作和管理资源的主要对象，所以systemd有许多单元类型。
- systemd单元文件最初默认存放在/lib/systemd/system目录中，每当安装新的软件都会自动在这个目录中添加一个配置文件。
- systemctl 命令用于管理各种类型的systemd单元，可以使用“systemctl -t help”命令来查询systemd支持的单元类型。
| 单元类型 | 扩展名 | 说明 |
|---|---|---|
| Service | . service | 描述一个系统服务（给他人提供服务） |
| 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 |
| utomount | .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 |
| Target | .target | 描述一组systemd的单元 |
4、运行级别所对应的Systemd 目标
| 运行级别 | Systemd的target | 说明 |
|---|---|---|
| 0 | target | 关机状态，使用该级别时将会关闭主机 |
| 1 | rescue.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 |
| 2 | multi-user.target | 用户定义/域特定运行级别。默认等同于3 |
| 3 | multi-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 |
| 4 | multi-user.target | 用户定义/域特定运行级别。默认等同于3 |
| 5 | graphical.target | 图形界面的多用户模式，提供了图形桌面操作环境 |
| 6 | reboot.target | 重新启动，使用该级别时将会重启主机 |
四、排除启动类故障
1、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，前446个字节是GRUB程序，后面64个字节是分区表。
故障原因
- 病毒、木马的等造成的破坏；
- 不正确的分区操作、磁盘读写误操作等。
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。
解决思路
- 准备添加另一块硬盘作为备份；
- 应提前做好备份文件；（MBR位于第一块硬盘的第一个物理扇区处，总共512字节）
- 以安装光盘引导进入急救模式；
- 从备份文件中恢复。
1.1实验：修复MBR扇区
①添加一块新硬盘——分区，格式化，挂载
② 备份MBR扇区数据到其他磁盘
[root@localhost ~]#dd if=/dev/sda of=/test/mbr.bak bs=512 count=1
复制覆盖，dev下的sda复制到test下取名为mbr.bak ，一次512个字节，复制1次
③ 模拟破坏的MBR引导扇区
dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=512 count=1
#从/dev/zero复制512字节文件代替磁盘sda的MBR数据
hexdump -C -n 512 /dev/sda
#查看sda硬盘的前512字节，发现已经被破坏了
④重启，进入急救模式，此时读的是光驱的系统
重启后发现无法正常进入系统了，选择第三项进入急救模式
- 当出现安装向导界面时，选择"Troubleshooting"选项,
- 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
2、修复GRUB引导故障
故障原因
- MBR中的GRUB引导程序（1-446字节）遭到破坏
- grub.cfg文件丢失，引导配置有误，文件位置/boot/grub2/grup.cfg
故障现象
- 系统引导停滞，显示grub >提示符
解决思路
- 尝试手动输入引导命令修复（不推荐）
- 进入急救模式，重写或者从备份中恢复grub.cfg
- 急救模式向MBR扇区中重建grub程序
2.1实验：修复GRUB引导故障的具体步骤
/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.el7.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.el7.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
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。
#新建文件夹，将新建的硬盘挂载在其中
mkdir /bak
mount /dev/sdb1 /bak
#将/dev/sda的内容备份到/bak文件夹中
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
--- 引导界面进入急救模式，从备份文件中恢复GRUB引导程序
方法三：引导界面进入急救模式，重建GRUB菜单配置文件
---模拟GRUB菜单配置文件丢失情况
#删除配置文件，模拟GRUB故障
rm -rf /boot/grub2/grub.cfg
#重启
reboot---进入急救模式，加载光盘镜像，切换到系统根目录
#进入急救模式，加载光盘镜像，切换到硬盘的系统根环境
sh-4.2# chroot /mnt/sysimage
#重新将GRUB引导程序安装到第一块硬盘（/dev/sda）的MRB扇区，如果有多个分区可省略
bash-4.2# grub2-install /dev/sda
#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
3、遗忘root用户密码
故障原因
- 遗忘root用户的密码
故障现象
- 无法进行需要root权限的管理操作；
- 若没有其他可用账号，将无法登陆操作系统。
解决思路
- 进入急救模式，重设密码即可。
3.1实验：遗忘root用户密码并重设的具体步骤
#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
三、服务控制及切换运行级别
1、系统服务控制
1.1systemctl
格式：
Systemctl 控制类型 服务名称
start 启动 stop 停止 restart 重新启动 reload 重新加载 status 查看服务状态 #开机自启
systemctl enable 服务名
#开机自启，并立即启动
systemctl enable --now 服务名
#开机不自启
systemctl disable 服务名
#开机不自启，并立即启动
systemctl disable --now 服务名
2、设置运行级别
2.1 systemctl工具
命令格式：
systemctl [command] [unit.target]
command参数:
get-default 取得当前的target set-default 设置指定的target为默认的运行级别 3 5 isolate 切换到指定的运行级别 unit.target 上面列出的运行级别
systemctl get-default
#可以查看到默认的运行级别
systemctl set-default multi-user.target
ln -sf /lib/systemd/system/multi-user.target /etc/systemd/system/default.target
#设置默认的运行级别为mulit-user
systemctl isolate multi-user.target
#在不重启的情况下，切换到运行级别mulit-user下
systemctl isolate graphical.target
#在不重启的情况下，切换到图形界面下| 运行级别 | Systemd的target | 说明 |
|---|---|---|
| 0 | target | 关机状态，使用该级别时将会关闭主机 |
| 1 | rescue.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 |
| 2 | multi-user.target | 用户定义域特定运行级别，默认等同于3 |
| 3 | multi-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 |
| 4 | multi-user.target | 用户定义域特定运行级别，默认等同于3 |
| 5 | graphical.target | 图形界面的多用户模式，提供了图形桌面操作系统 |
| 6 | reboot.target | 重新启动，使用该级别时将会重启主机 |
2.1.1 systemctl和init
| init命令 | systemctl工具 | 功能 |
| init 0 | systemctl isolate poweroff.target | systemctl poweroff poweroff 关机 |
| init 1 | systemctl isolate rescue.target | 切换单用户模式 |
| init 3 | systemctl isolate multi-user.target | 切换字符界面多用户模式 |
| init 5 | systemctl isolate graphical.target | 切换图形界面多用户模式 |
| init 6 | systemctl isolate graphical.target | 切换图形界面多用户模式 |
2.2 chkconfig工具
格式:
chkconfig --list [服务名称] #查看服务 chkconfig --add 服务名称 #将服务加入 chkconfig --level 级别列表服务名 on/off #开启/关闭服务
2.3 编译安装，并把nginx加入systemctl服务中管理
mkdir /data
#创建文件夹
cd /data
#切换到该文件夹下
wget http://nginx.org/download/nginx-1.18.0.tar.gz
#下载想要的安装包
tar xf nginx-1.18.0.tar.gz
#解压
cd nginx-1.18.0
#切换到解压包下
yum -y install gcc pcre-devel openssl-devel zlib-devel openssl openssl-devel
#请使用网络源，安装编译环境需要的包
./configure --prefix=/apps/nginx
#检测安装环境
make -j 4 make install
#将人类使用的高级语言翻译成二进制并复制文件到硬盘
ln -s /apps/nginx/sbin/nginx /usr/sbin/nginx
#软连接，为了可以补全
vim /usr/lib/systemd/system/nginx.service
[Unit]
Description=The nginx HTTP and reverse proxy server
#描述软件的功能
[Service]
PIDFile=/apps/nginx/logs/nginx.pid
# 方便使用 pid 号 进行操作 ， 指明进程的 pid 号
ExecStart=/apps/nginx/sbin/nginx
#使用绝对路径启动
ExecStop=/usr/bin/kill -s TERM $MAINPID
#杀死进程
ExecReload=/apps/nginx/sbin/nginx -s reload
#重新加载
[Install]
WantedBy=multi-user.target
安装子字符界面
systemctl daemon-reload
#nginx 要 告诉 systemd 我加入你了
systemctl start nginx
#开启nginx服务
①编译安装，不会生成脚本，单元文件，需要手动编写
②编译安装到指定文件夹，复制文件到硬盘，做个软连接
③写配置文件，将nginx加入systemctl服务中
④测试
