O Processo de Boot de um Sistema Linux

Do momento em que a placa mãe é energizada, até a execução do primeiro aplicativo no espaço de usuário, o boot do computador é uma jornada!

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Introdução

De forma sintética, no momento em que apertamos o botão “ligar” na carcaça do PC e a energia flui por seus componentes, vemos uma sequência que lembra dominós pequenos derrubando dominós maiores: pequenos processos, de poucos bits na placa mãe, executam um sistema tão complexo.

A sequência do boot completo de um computador, pelo menos rodando Linux, é:

CSM (UEFI) -> MBR (GPT) -> GRUB -> KERNEL -> INIT -> RUNLEVEL

Boot

O termo boot deriva do inglês booting que, por sua vez, deriva do termo bootstrapping, de boot straps – conhecemos no Brasil como “lingua de bota”, uma tira de couro que fica no alto do calcanhar usado pra auxiliar a calçar um determinado calçado.

O termo faz alusão às fantásticas histórias sobre o Barão de Münchhausen, que, segundo a lenda, dentre outras tantas façanhas absurdas e incríveis que afirma-se ter realizado – Como as piadas de Chuq Norris -, foi capaz de se erguer de um pântano para não se molhar ao se levantar pelas linguetas das próprias botas – pulling himself by his own boot straps.

Ou seja, o termo procura dar a imagem de um processo aparentemente impossível pelo qual o sistema se ergue – ou se coloca em funcionamento – por seus próprios esforços. Em computação, as três expressões têm basicamente o mesmo significado.

A sequência de boot a partir daqui segue a seguinte estrutura:

De forma resumida temos:

1. A BIOS – também conhecida como CSM ou poderia ser o UEFI
   Verifica a placa mãe e localiza o ponto de início MBR/GPT em um dos discos.
2. O MBR/GPT aponta a localização do GRUB, instalado no disco.
3. O GRUB localiza e executa o Kernel Linux
4. O Kernel, uma vez que inicia os componentes de hardware, dá início ao Init (ou SystemD)
5. O Init (ou SystemD) inicia os pacotes de processos chamados Runlevels
6. Os Runlevels são basicamente a sequência de outros processos de sistema que concluem seu início.

Abaixo, mais detalhes de cada etapa do processo de boot!

1. BIOS/CSM

A energia fluiu pela placa mãe!
Nesse momento a placa mãe vai executar o BIOS: Basic Input/Output System (o Sistema Básico de Entrada e Saída). O BIOS é um programa instalado na placa mãe que faz ela reconhecer seus próprios componentes.

Uma vez ligado, ele faz uma rápida checagem de integridade da estrutura da placa mãe e dos componentes ligados a ela conhecido como POST – para verificar se está tudo Ok antes de continuar – e então, procura pelas mídias conectadas: Disco rígido, disquete, CD, DVD, etc. Quando ele encontra um – e seguindo a ordem definida pelo usuário ou pré definida pela própria placa mãe, pra qual tem prioridade de carregamento -, ele procura pelo MBR – Master Boot Record – um espacinho de poucos kilobytes nessa mídia, que vai informar aonde o GRUB fica.

Observação:
Em sistemas mais modernos, a tendência é que o BIOS em formato CSM desapareça e dê lugar ao UEFI, que possui um método de boot mais rápido e mais otimizado. Abordamos sobre o UEFI neste post do site!

4. MBR/GPT

Localizado no 1º setor de todo disco rígido.
Normalmente /dev/hda ou /dev/sda.
Possui menos de 512 bytes de tamanho.
Possui 3 partes:

1. Carregador de sistema primário, com 446 bytes
2. Tabela de partição com ~66 bytes, informando onde estão as partições do disco
3. Validação de integridade.

Basicamente o MBR aponta a localização do GRUB (ou LILO)

Observação:
A tendência é que o MBR desapareça junto da BIOS e dê lugar á estrutura de partições GPT. Ao contrário da MBR que é limitada e suporta somente 4 partições primárias, a tabela de partição GPT suporta até 64 partições primárias, Secure Boot – onde somente sistemas assinados digitalmente podem iniciar – e redundância na tabela de partição, melhorando a recuperação do sistema em caso de falhas.

Assim como o MBR, o papel do GPT é apontar a localização do GRUB.

5. GRUB/LILO.

Software do GNU, do nosso amigo Richard Stallman, cujo nome é contraído de GRand Unifiet Bootloader.
É o mais popular dentre os sistemas Linux e baseados em UNIX por reconhecer a maior % de sistemas operacionais para multiboot em um PC; com ele você faz dual, tri, quad, n boot com seu PC com quantos sistemas seu disco aguentar. Se a partição for UEFI, em vez de MBR, a quantidade será bem maior.

Mais informações sobre o que é o UEFI você encontra neste post!

O GRUB vai procurar aonde estão as imagens de kernel na pasta /boot de cada partição do PC.

Ainda sendo um programa pequeno e leve, ele vai atraz do arquivo padrão /boot/grub/grub.conf para ler a localização exata do Kernel e do Initrd.img (ou dos, se mais de um) no disco rigido. Uma vez encontrado, ele exibe uma pequena tela interativa onde o usuário escolhe qual Kernel previamente localizado vai iniciar o carregamento de qual sistema operacional instalado no disco.

Basicamente, o GRUB serve para localizar e executar o kernel, iniciando seu carregamento.

Tela do GRUB para escolha de qual kernel iniciar e/ou outras opções como verificação da memória.

6. Kernel

No momento em que o usuário escolhe o kernel – ou se existir apenas 1, o GRUB iniciará ele automaticamente -, começa a ficar interessante:

O Kernel Linux será iniciado quando o GRUB iniciar o /boot/vmlinuz, uma versão compactada e resumida do kernel Linux – um executável dele cheio de informação – que dará inicio ao initrd.img.

vmlinuz deriva de virtualmemory, que é basicamente uma pequena memória SWAP no disco rigido, linux, do kernel em si e Z por ser compactado, sendo a descompressão bem rápida.

O initrd.img, tambem em /boot, é um “sistema operacional” resumido em uns 30Mb. Se voce abrir essa .img verá uma hierarquia de pastas que remete á raíz do seu sistema: Com os principais módulos básicos para que o kernel possa iniciar os trabalhos, como execução dos módulos de rede, vídeo, teclado, etc. No linux o uso do termo driver não é incentivado pela maneira como esses módulos se comportam!

Inclusive um dos fundamentos do kernel linux é ser modular, cada módulo pode ser carregado e descarregado quando o sistema achar pertinente e o usuário pode carregar aqueles que achar conveniente, a hora que quiser, sem precisar de reboot’s do PC pra isso. Na prática você pode desconectar e reconectar um teclado ou um pendrive apenas por comandos, sem precisar usar de meios físicos pra fazer isso.

initrd significa “Initial RAM Disk”, será o sistema de arquivos root temporário alocado na RAM, até que o sistema termine de montar o sistema real!

O initrd.img funciona como um sistema de arquivos pequeno numa SWAP dentro do disco rígido, contendo os drivers essenciais e daemons para que o sistema reconheça a RAM física de fato e possa copiar parte do kernel para lá e continuar o boot.

Quando o kernel vmlinuz é descompactado e copiado para a RAM fisica, o initrd.img é desmontado, não sendo mais usado.

Quer conhecer o kernel mais a fundo?

Dê uma olhada na sua /boot, você verá o vmlinuz e o initrd.img.
A pasta /sys, /bin e /lib carregam boa parte dos módulos (drivers, hardware) e executáveis dos Daemons tambem.

O kernel, uma vez carregado na memória RAM, vai montar o sistema de arquivos ROOT definido em “root=” dentro de grub.conf.

Nesse ponto, ele tambem vai iniciar o 1º processo – o único que ele inicia – o programa /sbin/systemd cujo PID é 1. Em sistemas mais antigos, é o Init quem é carregado.

Com o comando:

$ ps -ef | grep systemd

Você verá a ID do processo “systemd”, quem fez o sistema iniciar de fato. Basicamente, o kernel prepara os módulos (drivers) de hardware e deixa o terreno pronto pra iniciar 1 daemon: SYSTEMD.

Mais detalhes sobre quem é o kernel Linux, você encontra neste post!
Mais detalhes sobre os processos de usuário e de sistema, você encontra neste outro post!

7. Init (SystemD)

O init, hoje substituído pelo “systemd”, basicamente vai iniciar os demais processos e daemons.
Quer ver a importância do systemd?

$ pstree

Você verá ele lá no topo, coordenando tudo após o início do sistema. É o UNICO daemon que o kernel inicia, depois o SystemD faz o resto.

Detalhe que o SystemD é um processo de sistema que não responde ao comando kill, ele não pode ser morto!

Se por acaso ele encerrar abruptamente, o sistema inteiro cairá, resultando num Kernel Panic.

8. Runlevel

O runlevel indica o modo de operação atual da máquina, definindo quais serviços e recursos devem iniciar imediatamente e quais permanecer ativos. Basicamente cada número do runlevel equivale a um conjunto de softwares que irão iniciar com a máquina naquele momento. A maioria das distros linux inicia com o runlevel 5, ou seja, multiusuários (seu usuário + root), conectado á internet, com servidor gráfico executando e etc. Mas temos outros além desse.

No Linux os runlevels são numerados de 0 a 6. No nível 0 o sistema está parado, nenhum processo é executado. Este modo entra em ação quando desligamos o sistema via software com o comando:

# halt

Os demais operam da seguinte forma:

• O nível 1 é chamado de single user mode e é um modo de recuperação, onde temos ativa apenas a conta de usuário root. Não é possível usar a rede nem rodar programas gráficos. Neste modo é possível alterar as configurações do sistema, alterar as senhas dos usuários, etc.
• Nos níveis 2 e 3 já temos o modo de operação normal do sistema. Nestes modos o sistema inicializa em modo texto e depois de logado o usuário pode abrir o modo gráfico se desejar. A diferença entre os dois é que no modo 2 (também considerado um modo de recuperação) não existe suporte a rede.
• O nível 4 geralmente fica vago. Na maioria das distribuições ele equivale ao modo 3, enquanto em outras, como no Slackware, equivale ao modo de login gráfico 5.
• No nível 5 temos a inicialização com login em modo gráfico, default na maioria das distribuições atualmente.
• O nível 6 é reservado à reinicialização do sistema. Todos os serviços e programas são parados e o sistema é reinicializado via software. O modo 6 difere do modo 0, onde o sistema fica simplesmente parado, apenas esperando ser desligado da energia.

Existe ainda um modo especial, o modo S, que dependendo da distribuição Linux equivale ao modo 1 ou 6.

Para consultar seu runlevel atual, rode no terminal:

$ runlevel

Apesar do SystemD ser o novo daemon gestor de sistema, os scripts do Init continuam compatíveis e vários deles são reaproveitados por questão de praticidade. O usuário pode trocar de runlevel a qualquer momento utilizando um link simbólico do init para o runlevel do SystemD, com o comando:

$ sudo init 1

Basta troca o 1 por qualquer número entre 0 e 6.
Lembrando das consequências, por exemplo, Init 1 deixará o sistema em modo de segurança enquanto que o 6 vai reiniciá-lo.

9. Curiosidade

Acima em Runlevels mostrei o comando que chama scripts reaproveitados do Init para gerenciar o SystemD. Mas como seriam esses scripts se eu usasse a sintaxe original do SystemD?

Aqui a relação entre os Runlevels e os targets, os scripts de gestão do daemon SystemD:

• init 0 equivale ao poweroff.target (e o init0 é um link simbólico para poweroff.target).
• init 1 equivale ao rescue.target (e o init1 é um link simbólico para rescue.target).
• init 3 equivale ao multi-user.target (e o init3.target é um link simbólico para multi-user.target).
• init 5 equivale ao graphical.target (e o init5.target é um link simbólico para graphical.target).
• init 6 equivale ao reboot.target (e o init6.target é um link simbólico para reboot.target).
• Emergency equivale ao emergency.target.

Para ver qual o atual runlevel:

$ sudo systemctl get-default

Trocando de runlevel, seguindo esse padrão, vamos usar de exemplo o equivalente ao Init 3:

$ sudo systemctl isolate multi-user.target

Caso queira definir um desses runlevels como novo padrão:

$ sudo systemctl set-default multi-user.target

Definitivamente é muito mais simples trocar de runlevel usando o link simbólico “init” em vez do padrão estipulado pelo SystemD.

10. Conclusão

Uma vez que os processos iniciam – conexão á internet, servidor de impressão, servidor gráfico, etc -, surge sua tela de login. Então você põe sua senha e usufrui de um sistema que carregou em menos de 2 minutos fazendo um esforço hercúleo para se erguer sobre as próprias botas.

#UrbanCompassPony

Fontes:
TheGeekStuff
Tecmint1
Tecmint2
VivaoLinux1
VivaoLinux2
Hardware