Käynnistysprosessi

Yleensä käyttäjän ei tarvitse huolehtia siitä, mitä tapahtuu sillä välin kun tietokoneeseen kytketään virta ja ruudulle pamahtaa graafinen ympäristö, jossa pyydetään kauniisti kirjautumaan sisään järjestelmään. Kuitenkin jossain vaiheessa saattaa tavankin käyttäjälle tulla halu säätää käynnistysaikaa tai vaikka käynnistyviä palveluita. Tällöin olisi hyvä tuntea kuinka järjestelmä itseasiassa käynnistyykään. Tässä artikkelissa pyritään selvittämään väliä virtanapin ja järjestelmään kirjautumisen välissä. Ikävä kyllä artikkeli ei voi tarjota kaikille jakelupaketeille "suoraa lähestymistä", mutta kirjoittaessa on pyritty tästä tekemään mahdollisimman jakelupakettiriippumaton.

Virtanapista eteenpäin

Niin, mitkä oikeastaan ovat ensimmäiset vaiheet? Tämä on yksi niitä elämän mysteerejä, eikä oikeastaan millään tavalla vielä liity käyttöjärjestelmään. Yleensä virran kytkemisen jälkeen tietokone lataa BIOS:n, joka on pieni ohjelma emolevyn erillisellä muistipiirillä. Tämä pieni ohjelma, joka pyörii pienellä piisirulla tekee ensimmäisenä käynnistyttyään POST-testin (Power-On-Self-Test), joka tarkastaa, että tiettyjä laitteita (kuten muistit, emolevy ja prosessori) on paikalla, ja että ne ovat toimintakunnossa. Sen jälkeen BIOS alustaa joitakin järjestelmäkomponentteja (kuten kiintolevyt), jakaa niille keskeytyksiä sekä tulostaa niistä taulukon ruudulle. Kaiken muun tehtävän seassa voitaisiin sanoa, että BIOS:illa on päätehtävä, jonka tarkoitus on etsiä käynnistettävän median aivan alkupäästä ohjelma, joka kykenee lataamaan käyttöjärjestelmän. Voitaisiinkin sanoa, että BIOS ei ole olemassakaan mitään muuta varten kuin sitä, että se osaa ladata ohjelman nimeltä käynnistyslatain. Käynnistyslatain sijaitsee yleensä Master Boot Recordilla (MBR), joka sijaitsee yleensä käynnistettävän median alkupäässä. Kiintolevyistä puhuttaessa alkupää on ensimmäinen sektori, ensimmäinen sylinteri sekä ensimmäinen lukupää. Menikö hieman ohi? Ei hätää, emme ole vielä päässeet käyttöjärjestelmän käynnistämiseen :)

Käynnistyslatain on siis ohjelma, joka kykenee lataamaan käyttöjärjestelmän. Tämä onkin oikeastaan ensimmäinen vaihe, jossa pystytään puhumaan GNU/Linuxin käynnistysprosessista. Käynnistyslatain kuulostaa varmaan tutulta ja monelle se tulee vielä tutummaksi kun mainitaan, että kaksi suosituinta käynnistyslatainta ovat GRUB (Grand Unified Bootloader) sekä LILO (Linux Loader). Käynnistyslataimen tehtävä on tarjota tietokoneelle keino päästä käynnistämään käyttöjärjestelmän ydintä, eli kerneliä. Miksi BIOS ei voi suoraan käynnistää ydintä, niinhän windowskin tekee? Itseasiassa näin ei Windowskaan tee. Vaikka ruudulle ei tulekaan mitään tekstiä, joka kehottaa valitsemaan käyttöjärjestelmää, vaatii myöskin Windows käynnistyslataimen.

No takaisin asiaan. Nyt tiedämme, että BIOS lataa käynnistyslataimen ja käynnistyslataimen tehtävä on ladata käyttöjärjestelmän ydin. Mitä eroa sitten LILO:lla ja GRUB:lla on? Vaikka LILO ja GRUB vaikuttavat hyvinkin samanlaisilta ohjelmilta, ne molemmat tarjoavat käynnistysvalikon, mistä saa valittua ladattavan käyttöjärjestelmän ja ne molemmat myös lataavat sen käyttöjärjestelmän. Ero piileekin lähinnä siinä, kuinka nämä käynnistyslataimet sen tekevät.

LILOn lähestymistapa

Voisi kuvitella, että kaikki tiedostot ovat boottisektorilla vain odottamassa lataamista. Näin ei kuitenkaan ole, sillä boottisektori on aivan liian pieni kernelille tai edes kokonaiselle LILO:lle. Tästä syystä LILO onkin käytännössä pilkottu eri "vaiheisiin". Ensimmäisenä kun BIOS lataa käynnistyslataimen (tässä tilanteessa LILO:n), se lataa tosiasiassa vain pienen osan koodia, joka osaa käynnistää toisen vaiheen suoraan kiintolevyltä. Ensimmäisen vaiheen jälkeen LILO tulostaa ruudulle kirjaimen "L". Kun toinen vaihe on ladattu, LILO tulostaa ruudulle"I"-kirjaimen ja käynnistää toisen vaiheen. Toisen vaiheen käynnistämisen jälkeen LILO tulostaa ruudulle "L"-kirjaimen ja yrittää lukea kiintolevyltä karttatiedoston, joka kertoo LILO:lle mm. että mitä käyttöjärjestelmiä levyllä on ja missä ne sijaitsevat. Jos tämän karttatiedoston lataaminen onnistuu, printtaa LILO ruudulle "O"-kirjaimen. Nämä tulostetut kirjaimet mahdollistavat myös LILO:n virhetilanteiden korjaamisen, ja ne ovat dokumentoitu varsin hyvin joten googlen pitäisi auttaa ongelmatilanteissa. Mutta ettemme karkaisi asiasta liikaa, niin LILOn ongelma on karttatiedoston tarve, jos jostain syystä levyn geometria muuttuu tai karttatiedosto on väärä tai viallinen, ei lilo osaa enää käynnistää kerneliä. Tämä on periaatteessa korjattavissa rescue-cd:llä, sillä LILO sisältää komennon nimeltä "lilo", joka kirjoittaa oikeellisen karttatiedoston. Tämä aiheuttaa myös sen, että komento "lilo" tulee ajaa aina kun käännetään uusi kernel tai muutetaan LILO:n asetuksia. Tämän karttatiedoston tarpeen poistamiseen onkin kehitetty toinen käynnistyslatain nimeltään GRUB.

GRUB:n lähestymistapa

Aivan kuten LILO, myöskään GRUB ei pysty käynnistymään suoraan boottisektorilta, vaan sekin jakautuu eri vaiheisiin. Boottisektorille mahtuu itseasiassa vain yksi+reilu vaihetta, joten ensimmäisen vaiheen jälkeen GRUB siirtyy oikeastaan vaiheeseen 1,5. Vaiheessa 1,5 GRUB lataa tiedostojärjestelmän sille osiolle, millä toinen vaihe sijaitsee. Riippuen käytettävästä tiedostojärjestelmästä, ladataan aina eri tiedostojärjestelmälle eri 1,5 vaihe. Koska GRUB lataa tiedostojärjestelmän karttatiedoston sijaan, voi se myös siis bootata kernelin josta sille ei ole aiemmin konfiguraatiotiedostossa kerrottu. Vaiheessa 2 GRUB lataa käytännössä valikon sekä pienen komentokehotteen, jolla voidaan ladata kerneleitä jotka eivät valikoihin kuulu. Tämä poistaa myös tarpeen ajaa mitään erillistä karttatiedostoa luovaa ohjelmaa GRUB:n käynnistyslataimen konfiguroinnin jälkeen. Periaatteessa konfiguraatiotiedosto voi olla vaikka kuinka väärin, sillä se on aina muokattavissa käynnistyksen yhteydessä (ellei sitä salasanalla suojata ja salasana on hukassa).

Initrd

Nykyiset GNU/Linux-jakelupaketit tarjoavat tuen hyvinkin monelle erityyppiselle laitteelle, toiset tarjoavat jopa mahdollisuuden täyteen toiminnallisuuteen pelkältä levykkeeltä boottaamisen avulla. Kernel alkaakin jo olemaan olennaisessa osassa tässä vaiheessa käynnistystä. Linuxin ydin (siis se kernel) on suunniteltu niin sanotusti modulaariseksi, eli eri tarpeisiin voidaan ladata eri moduleita aina tarpeen mukaan, eikä kaikki ole käännetty sisään yhteen tiedostoon. Tällä saadaan mukavasti itse kernelin kokoa pieneksi ja se osittain mahdollistaa jo levykkeeltä boottaamisen. Joissain tapauksissa kuitenkin modulaarisuus aiheuttaa ongelmia, hyvänä esimerkkinä toiminee tiedostojärjestelmä. Jos meidän pitää ladata tiedostojärjestelmän moduli, että pääsemme käsiksi levyosioon jossa tämä moduli sijaitsee, olemme luonnollisesti ongelmissa. Tätä varten GNU/Linuxin käynnistykseen onkin keksitty sellainen järjestelmä kuin initrd.

Initrd (Initial RAM Disk Image) on pieni "kuva" RAM-muistiin sijoitettavasta paketista, joka sisältää erinäisiä pakattuja ja bootin kannalta tarpeellisia moduleita (kuten SCSI-ohjaimia, verkkoboottausmoduleita yms.). Initrd ei ole aina tarpeellinen, kuten silloin jos on itsekäännetty kernel, jonka sisään on kaikki käynnistyksen kannalta tarpeelliset ajurit käännetty eikä useampaa laitetta tarvitse bootin yhteydessä tukea. Kuitenkin monesti kun on kyseessä esimerkiksi jakelupaketti, jonka pitäisi pyörähtää useilla tuhansilla (ellei jopa miljoonilla) erilaisilla laitekokoonpanoilla, on initrd lähes välttämätön, ettei itse kernel paisu mahdottoman suureksi. Käytännössä initrd on siis pakattu juuritiedostojärjestelmä jonka sisään on pakattu erilaiset käynnistettävät modulit, tämä mahdollistaa jopa 8Mt:n jakelupaketin pakkaamisen yhdelle yksittäiselle levykkeelle. Kernelin lataaminen Pieni välikatsaus tässä vaiheessa lienee paikallaan. Tähän mennessä siis olemme painaneet virtanappia, BIOS on ladannut käynnistyslataimen, joka on mahdollisesti ladannut initrd:n fyysiseen muistiin ja kohta kernel jo latautuukin ja suorittaa koodia. Tässä vaiheessa, riippumatta siitä että onko initrd:tä käytetty vai ei, voimme valmistautua itse ytimen latautumiseen.

Ensimmäisenä kernel ladataan muistiin bootloaderin toimesta ja kontrolli siirtyy bootloaderilta kernelille. Kernel sisältää kernel-imagen purkuun tarvittavat järjestelmät ja se puretaan. Purkamisen jälkeen järjestelmälaitteet alustetaan, myöskin ne jotka BIOS on aiemmin alustanut. Tämä mahdollistaa BIOS-riippumattoman järjestelmän käynnistämisen. Nyt purettu kernel ottaa koneen kunnolla valtaansa ja rupeaa alustamaan keskeytyksiä, schedulereita, konsoleita sekä erinäisiä rautapuolen laitteita. Kun alustukset on tehty, kutsutaan ohjelmaa nimeltä init. Init on ohjelma, joka määrää linuxin käynnistysjärjestyksen sekä sen, mitä käynnistetään. Init-järjestelmiä voi olla kahdenlaisia. Toinen on skriptityylinen Init, joka määrää kaiken yhden skriptitiedoston perusteella ja toinen (käytössä lähes poikkeuksetta nykyisissä jakelupaketeissa) on System V Init, joka lataa yhden tiedoston perusteella tarvittavat palvelut modulaarisesti. Sulautettujen järjestelmien tekijöille pieni vinkki: jos järjestelmään halutaan nopeutta, init:n ei tarvitse olla mitään muuta kuin esim. C-kielellä ohjelmoitu koodinpätkä joka hoitaa ko. Järjestelmässä tarvittavat käyttöönotot (esim. ramdiskin mounttaus jne). System V Init Init:n käynnistyttyä alkaakin järjestelmän muokkaaminenkin olemaan mahdollista ilman suurempaa työtä. Init toimii siten, että ensimmäisenä se lukee konfiguraation inittab-tiedostosta (yleensä /etc -hakemistossa). Tiedosto näyttää jotakuinkin tältä:

# Oletusrunlevel
id:3:initdefault:

# Järjestelmän alustus, paikallisten levyjen mounttaus ym.
si::sysinit:/sbin/rc sysinit

# Myöhempi alustus, aloittaa runlevelit.
rc::bootwait:/sbin/rc boot

l0:0:wait:/sbin/rc shutdown
l1:S1:wait:/sbin/rc single
l2:2:wait:/sbin/rc nonetwork
l3:3:wait:/sbin/rc default
l4:4:wait:/sbin/rc default
l5:5:wait:/sbin/rc default
l6:6:wait:/sbin/rc reboot
#z6:6:respawn:/sbin/sulogin

# terminaalit
c1:12345:respawn:/sbin/agetty 38400 tty1 linux
c2:12345:respawn:/sbin/agetty 38400 tty2 linux
c3:12345:respawn:/sbin/agetty 38400 tty3 linux
c4:12345:respawn:/sbin/agetty 38400 tty4 linux
c5:12345:respawn:/sbin/agetty 38400 tty5 linux
c6:12345:respawn:/sbin/agetty 38400 tty6 linux

# Mitä tehdään, kun painetaan ctrl+alt+del.
ca:12345:ctrlaltdel:/sbin/shutdown -r now

Inittab-tiedostossa tulee olla oletusrunlevel (näistä lisää myöhemmin), jolle bootataan GNU/Linuxin käynnistyessä, terminaalit joita käytetään (virtuaalikonsolit/virtuaaliterminaalit, yleensä kuusi kappaletta), sekä skriptit joita pitää ajaa aina tietyn runlevelin yhteydessä. Inittab mahdollistaakin siis räätälöidyn käynnistysjärjestelyn tekemisen hyvinkin pienellä vaivalla. Monessa skriptissä on myös määritelty respawn-parametri, joka tarkoittaa prosessin uudelleenkäynnistämistä heti sen sammumisen jälkeen. Kuten esimerkiksi kun järjestelmästä kirjaudutaan ulos niin käynnistetään uusi sisäänkirjautumiskehote. Tiedostossa on myös määritelty se, mitä tehdään kun ctrl+alt+del -näppäinyhdistelmää painetaan. Inittabin rakenne sekä tiedostojen sijainnit vaihtelevat hyvinkin paljon distrokohtaisesti, joten niiden säätämistä emme tässä vaiheessa sen enempää käsittele. Esimerkiksi RedHat:lla sekä Debianilla on jokaiselle runlevelille määrätty oma hakemisto, jossa on symbolisia linkkejä ajettaviin ohjelmiin ja ne on numeroitu erikoisennäköisellä koodilla käynnistysjärjestyksen takaamiseksi. Toiset UNIX-variantit käyttävät pelkkiä tiedostoja joissa määrätään mitä järjestelmiä ladataan ja mitä sammutetaan missäkin vaiheessa. Yleispätevänä ohjelmana KDE:n käyttäjille ksysv tarjoaa kohtuullisen hyvät mahdollisuudet muokata eri runleveleitä jakelupakettiriippumattomasti.

Runleveleistä

Mitä nämä runlevelit ovat? Ne ovat käytännössä erilaisia käynnistysprofiileja, joita voidaan muokata tarpeen mukaan. Runleveleitä on yleensä GNU/Linux järjestelmässä kahdeksan kappaletta, joista kolme on varattu erikoiskäyttöön. Vaikka runleveleitä ei ole millään tavalla standardoitu, niin ne menevät yleensä seuraavasti (tarkempaa tietoa haluavat kääntykää jakelupaketin valmistajan dokumentaatioon):

S	Varattu
0	Varattu, järjestelmän sammutus
1	Yleensä yhden käyttäjän tila (Single user mode)
2	Yleensä Ei-graafinen monen käyttäjän tila
3	Ensimmäinen täysin toimiva tila
4	Toinen täysin toimiva tila
5	Kolmas täysin toimiva tilaa
6	Varattu, järjestelmän uudelleenkäynnistys

Yleensä oletusrunlevel, eli runlevel jolle käynnistetään on joko 3. tai 5. Joissain tapauksissa käytetään myös 2. runleveliä. Runlevel 1 on niin sanottu Single User Mode, jota ennen ajetaan S-runlevelin skriptejä. Runleveliä S ei ole oikeastaan tarkoitettukaan ajettavaksi suoraan vaan ennemminkin alustamaan runlevelille 1 siirtyminen.

Nyt kursitaankin sitten kaikki tietomme kokoon, ettei harhauduta reitiltä. BIOS lataa käynnistyslataimen, käynnistyslatain kernelin ja kernel käynnistää init:n. Kun init käynnistyy, se tekee ensimmäisen init-skriptin vaatimat tehtävät, kuten mounttaa /etc/fstab-tiedostossa luetellut osiot, asettaa järjestelmän kellon, käynnistää satunnaislukugeneraattorin jne. Tämän jälkeen init lukee konfiguraatiotiedostosta oletusrunlevelin numeron ja hyppää suorittamaan oletusrunlevelin käynnistysskriptiä. Nyt otamme mielikuvituksen käyttöön ja kuvitellaan, että runlevelit olisivat hakemistoja, joten kun init lukee oletusrunlevelin 5, se käynnistää kaikki runlevelin 5 hakemistossa olevat skriptit listatussa järjestyksessä. Jos oletusrunlevel olisi 2, init siis käynnistäisi runlevelin 2 hakemiston sisällön. Käytännössä asia ei aivan näin toimi, mutta periaate räätälöidyistä käynnistysprofiileista tullee selväksi.

Pikkuisen init-skripteistä

Ne pienet ohjelmat, joita käynnistetään eri runleveleillä sijaitsevat usein hakemistossa /etc/init.d, josta ne sitten on mahdollisesti linkattu eri runlevelien yhteyteen käynnistettäväksi bootin aikana. Init-skriptit ovat pieniä shell-ohjelmia, joilla voidaan sammuttaa, käynnistää sekä uudelleenkäynnistää palveluita ja ohjelmia. Tästä mainitsen sen takia, koska joskus on erittäin käytännöllistä käynnistää tai sammuttaa järjestelmän käynnissäollessa ohjelmia näillä pienillä init-skripteillä. Käytännössä init-skriptit ottavat vastaan komentoja start (käynnistys), stop (sammutus) sekä restart (uudelleenkäynnistys). Kuvitellaan että haluamme esimerkiksi sammuttaa apache http-palvelimen ilman killall-komentoa. Tämä onnistuu niinkin helposti, kuin

/etc/init.d/apache stop

Pitää kuitenkin muistaa, että hakemisto ei välttämättä jokaisessa jakelupaketissa ole sama, mutta teoriassa näin voimme kätevästi hallita ohjelmia ihan järjestelmän käydessä.

Entä init:n jälkeen

Init käytännössä hoitaa lopun järjestelmän käynnistymisestä, kuten displaymanagerin lataamisen sekä mahdollisesti graafisen käyttöympäristön käynnistämisen. Sama init hoitaa myös järjestelmän sammuttamisen ja uudelleenkäynnistämisen. Init-järjestelmä on oikeastaan lähes koko UNIX-tyylisten käyttöjärjestelmien selkäranka kustomoitavan käynnistämisen kannalta ja siihen perehtyminen ei koskaan ole liian myöhäistä, ennemmin tai myöhemmin sitä tarvitaan.

Tämä artikkeli alkaa olemaan lopuillaan ja sen tarkoitus oli tarjota GNU/Linux-käyttäjille kuva siitä, kuinka järjestelmä itseasiassa käynnistyy ja miten monimutkainen prosessi kokonaisuudessaan on. Paljon yksityiskohtia jäi vielä käsittelemättä, mutta niiden ollessa hyvinkin käyttöjärjestelmäkohtaisia, ei niitä voida käsitellä näinkin geneerisessä artikkelissa.

Onnellisia hetkiä järjestelmän käynnistymisen kanssa :)

Artikkelin kirjoittaja ei ota vastuuta artikkelin aiheuttamista päähänpistoksista muokata järjestelmä hajalle. Syvempi perehtyminen aiheeseen on erittäin suositeltavaa ennen init-skriptien tai bios-piirien vaihtoa omatekemiin.