linux: breve tutorial sull'initrd

Initrd è l'abbreviazione di init ial r am d isk, cioè un filesystem da tenere in RAM usato da un sistema linux per effettuare un boot completo.

Per capire il suo utilizzo bisogna prima fare una premessa: un kernel linux è di tipo (semi-)monolitico, in pratica i driver per le periferiche sono interni al kernel stesso: quindi per avere un kernel generale che funzioni su più hardware possibile dovremmo compilarlo inserendo tutti i driver disponibili ma facendo così renderemmo il kernel stesso molto pesante. Ci viene in aiuto il fatto che questo OS non è completamente monolitico ma predispone la possibilità di compilare i propri device driver anche come moduli, cioè come delle speciali librerie da attivare al momento più opportuno tramite i comandi in user space come modprobe.

Il problema è in parte risolto, in realtà solo spostato: i moduli sono file e come tutti i file saranno presenti su un filesystem che per essere opportunamente gestito dal kernel dovrà avere il necessario driver (sia per il filesystem che per il controller SATA che per quello PCI) caricato; proprio per evitare questo si utilizza un early userspace, cioè un filesystem con tutti i moduli possibili da cui il kernel potrà caricare solo quelli necessari.

Per capire effettivamente come funziona nel dettaglio è meglio fare una carrellata dei passaggi che linux esegue all'avvio:

1. il booloader carica il kernel e l'initrd
2. il kernel converte initrd in un normale disco RAM e libera la memoria prima occupata da questo
3. se non indicato diversamente viene usata come root device /dev/ram0 che corrisponde proprio ad initrd
4. /init viene eseguito (a meno che non si passi l'opzione rdinit con un eseguibile alternativo)
5. init deve preoccuparsi di effettuare il mount del vero root file system utilizzando la chiamata di sistema pivot_root
6. a questo punto init cerca /sbin/init nel nuovo filesystem e lo esegue completando la procedura di boot

Ovviamente nulla vieta di creare un initrd che semplicemente esegue una shell: per esempio esiste la versione del net-installer di Debian per ARM che in qualche mega di initrd ha tutto quello che serve per riuscire ad installare un sistema funzionante su questa architettura.

È possibile utilizzare due tipologie di initrd

• un semplice archivio compresso
• un vero e proprio filesystem

mi occuperò solamente del primo caso in quanto è molto più semplice. L'archivio compresso è del tipo gestito dal comando cpio(1) e possiamo averne un esempio prendendo un initrd che probabilmente esiste già nel vostro sistema nella directory boot.

$ mkdir initrd && cd initrd
$ cat /boot/initrd.gz | gunzip | cpio -imd
52109 blocks
$ ls
bin  conf  etc  init  lib  run  sbin  scripts

come potete vedere dall'ultimo comando sono disponibili tutte le directory che ci aspetterebbe in un sistema. Inversamente per ricreare un initrd a partire dal contenuto di una directory basta eseguire

find . | cpio -H newc -o | gzip -n -9 > new-initrd.gz

Ma come crearsi un proprio early userspace? È disponibile nei sorgenti del kernel linux un comando predisposto a questo scopo chiamato gen_init_cpio nella directory usr/. Quello che segue è l'help

 $ usr/gen_init_cpio 
 Usage:
    usr/gen_init_cpio [-t <timestamp>] <cpio_list>

 <cpio_list> is a file containing newline separated entries that
 describe the files to be included in the initramfs archive:

 # a comment
 file <name> <location> <mode> <uid> <gid> [<hard links>]
 dir <name> <mode> <uid> <gid>
 nod <name> <mode> <uid> <gid> <dev_type> <maj> <min>
 slink <name> <target> <mode> <uid> <gid>
 pipe <name> <mode> <uid> <gid>
 sock <name> <mode> <uid> <gid>

 <name>       name of the file/dir/nod/etc in the archive
 <location>   location of the file in the current filesystem
              expands shell variables quoted with ${}
 <target>     link target
 <mode>       mode/permissions of the file
 <uid>        user id (0=root)
 <gid>        group id (0=root)
 <dev_type>   device type (b=block, c=character)
 <maj>        major number of nod
 <min>        minor number of nod
 <hard links> space separated list of other links to file

 example:
 # A simple initramfs
 dir /dev 0755 0 0
 nod /dev/console 0600 0 0 c 5 1
 dir /root 0700 0 0
 dir /sbin 0755 0 0
 file /sbin/kinit /usr/src/klibc/kinit/kinit 0755 0 0

 <timestamp> is time in seconds since Epoch that will be used
 as mtime for symlinks, special files and directories. The default
 is to use the current time for these entries.

Nel mio caso specifico ho utilizzato questi file

 $ cat cpio.conf 
 # A simple initramfs
 dir /dev 0755 0 0
 nod /dev/console 0600 0 0 c 5 1
 dir /root 0700 0 0
 dir /sbin 0755 0 0
 dir /bin 0755 0 0
 file /init /pandora/raspberrypi/init-debian-arm.sh 0755 0 0
 file /sbin/busybox /opt/busybox/busybox 0755 0 0
 slink /bin/sh /sbin/busybox 0755 0 0
 slink /sbin/chroot /sbin/busybox 0755 0 0
 slink /sbin/mount /sbin/busybox 0755 0 0
 slink /bin/mkdir /sbin/busybox 0755 0 0
 slink /bin/ls /sbin/busybox 0755 0 0
 $ cat init-debian-arm.sh 
 #!/bin/sh

 echo "Loading, please wait..."

 [ -d /dev ] || mkdir -m 0755 /dev
 [ -d /root ] || mkdir -m 0700 /root
 [ -d /sys ] || mkdir /sys
 [ -d /proc ] || mkdir /proc
 [ -d /tmp ] || mkdir /tmp
 mkdir -p /var/lock
 mount -t sysfs -o nodev,noexec,nosuid sysfs /sys
 mount -t proc -o nodev,noexec,nosuid proc /proc

 # Note that this only becomes /dev on the real filesystem if udev's scripts
 # are used; which they will be, but it's worth pointing out
 tmpfs_size="10M"
 if [ -e /etc/udev/udev.conf ]; then
    . /etc/udev/udev.conf
 fi
 if ! mount -t devtmpfs -o mode=0755 udev /dev; then
    echo "W: devtmpfs not available, falling back to tmpfs for /dev"
    mount -t tmpfs -o size=$tmpfs_size,mode=0755 udev /dev
    [ -e /dev/console ] || mknod -m 0600 /dev/console c 5 1
    [ -e /dev/null ] || mknod /dev/null c 1 3
 fi
 mkdir /dev/pts
 mount -t devpts -o noexec,nosuid,gid=5,mode=0620 devpts /dev/pts || true
 mount -t tmpfs -o "nosuid,size=20%,mode=0755" tmpfs /run

 ls /dev

 rootmnt=/root
 init=/sbin/init

 mount -t ext4 /dev/sda ${rootmnt}

 # Chain to real filesystem
 exec chroot ${rootmnt} ${init} <${rootmnt}/dev/console >${rootmnt}/dev/console
 echo "Could not execute run-init."

(questo ultimo è il nostro init ispirato da quello presente nel sistema Debian che ha hardcodato il fatto che la root è /dev/sda e il device ha un filesystem ext4) e ho generato l'archivio con il comando

$ /usr/src/linux-2.6/usr/gen_init_cpio cpio.conf | gzip -9 -n > new-initrd.gz

Da tenere conto che siccome l'initrd deve avere delle funzionalità di base non è necessario utilizzare le glibc ma il più delle volte si preferisce la leggerezza di librerie alternative come per esempio busybox che in un unico eseguibile (compilato staticamente) mette a disposizione tutti i maggiori comandi *NIX.

Per provare effettivamente l'initrd così generato è possibile utilizzare qemu

$ qemu-system-i386 -kernel bzImage -initrd new-initrd.gz -hda hd.img

e se tutto va bene dovreste vedere la procedura di boot avvenire correttamente.

Ovviamente se volete saperne di più vi consiglio di leggervi i file nei sorgenti di linux, in particolare Documentation/filesystems/ramfs-rootfs-initramfs.txt e Documentation/initrd.txt.