安装环境的定制
于辰涛 ([email protected])
2001 年 9 月
这是一个向用户介绍如何构造Linux的图形化安装程序的专栏。介绍的内容包括：安装环境的定制，图形化启动，本地化支持，分区功能，如何支持reiserfs、raid、lvm，rpm包的安装，定制各种启动配置脚本等等。本文是这个系列文章的第一篇，主要是向您介绍如何定制系统安装环境，包括生成安装内核，初始Ram盘的生成，最小化安装环境的定制。
自从Caldera推出了第一个Linux系统下的图形化安装程序以来，现在的主流Linux发布大多都使用图形化的安装程序进行系统环境的安装，比如RedHat的安装程序anaconda，Suse的安装程序yast2，Caldera的安装程序lizard，以及Mandrake的安装程序gi。
这些主流厂商的安装程序都有一个共同的特点，就是它们都是先构造一个完备的最小化的Linux运行环境，定制Linux的启动过程，使得系统内核启动后，加载一个系统装载程序，这个程序将定制好的Linux运行环境部分或者全部加载进入内存，然后将控制转移到图形化安装程序。最后再由此程序启动的图形环境（XFree86），设置对应的语言环境，启动对应的系统安装过程。
1 主流安装程序简介
Caldera的安装程序lizard是Linux世界的第一个图形化安装程序，它的全部程序使用c++语言编制，图形化的风格是基于kde和qt的。值得一提的是，caldera在定制图形化安装时，修改了内核，实现了内核的图形化启动，同时其安装程序的硬件检测功能很强大，可以检测到部分非即插即用的isa设备，而且还提供了类似html风格的帮助系统。因为安装程序要求精炼的环境，而此时通用的XWindows窗口管理器是无法满足需求的（太大而且占用资源太多），所以caldera中还提供了一个最小化的窗口管理器lwm。在caldera安装系统包的过程中，您还可以玩吃豆子游戏，这也是lizard的一大创意。
Redhat的安装程序anaconda可能是大家最熟悉的安装程序之一。它的全部程序都是由Python完成。Python是一种面向对象的脚本语言，您可以在http://www.python.org获得它的相关资料。Redhat使用Python Gtk作为图形界面的开发工具。在您解开anaconda的源码包之后，您会发现一个anaconda的文件，这是程序执行的主文件。它提供了一个最小化的slang库以支持文本方式的安装。Redhat的安装程序最大的特点就是很稳健，支持的驱动程序较多，对硬件的支持很强（这说明Redhat安装内核定制得非常好，而且得到了相当多的厂商支持）。但是Redhat安装程序的功能不是特别强，比如对于reiserfs、lvm不提供支持，不支持中文安装（7.2可能会推出中文版）。也有很多厂商的安装程序是稍微修改了RedHat源码构成的，比如VALinux、中科红旗等。
对于Mandrake的安装程序gi，它的全部程序都是使用Perl编制，您可以从Mandrake的CVS服务器上下载最新的安装程序。Perl是一种功能强大的脚本语言，可以非常方便的处理Linux上的各种配置脚本，它的图形界面使用Perl-GTK编制。Mandrake的安装程序是第一种提供中文安装的主流发布。它的安装程序的特点是新，支持的功能相当多，包括配置复杂的文件系统，支持无线通讯设备，多种打印机支持等等。
Redhat和Mandrake的安装程序都是由脚本构成的，它们虽然速度稍慢，但是其构成的安装程序一般都比较稳定，而且便于移植到其他平台上。Redhat的整个安装环境是保存在一个stage2.img的文件里。您可用命令：
mount -o loop stage2.img /mnt/tmp
将其挂接到指定的目录下，察看Redhat安装程序的结构。Mandrake的安装环境保存在mdkinst的目录下。
2 安装环境的构成
一个图形化的安装环境实际上就是一个最小化的Linux运行环境。一般由如下几部分构成：Linux系统安装内核，Linux系统的初始Ram磁盘，系统运行所需的一些shell命令和程序所必需的系统库，初始化程序，系统运行时必须的外部命令，XFree86子系统，字体集和本地化的环境设置，系统的桌面风格和贴图，键盘映射，设备配置数据库，系统安装程序等部分。
系统内核vmlinuz存在系统的启动映像之中，在系统启动时调入，然后Linux调入初始Ram磁盘，由此Ram磁盘上的程序加载运行安装程序的第一阶段加载程序。这是个可执行程序，它一般执行加载硬盘驱动模块，将磁盘上的整个安装环境调入内存，并作为根分区挂接。
这时就有一个在内存中的最小化的Linux系统了，一段映像程序结束运行，释放自己所占的内存，并将控制转移到真正的系统安装程序。这时系统安装程序开始启动XFree86子系统，设置正确的本地化环境，包括本地化环境变量，字体集，正确的键盘映射等，这时就允许用户进行交互，从而在用户的干预下，完成整个系统的安装过程。
整个安装过程的一般流程：
图 2-1
2.1 定制安装内核
一个好的安装程序内核是和安装程序紧密相关的，它必须是完备的和精简的。完备的内核是指：如果安装程序要对某方面的功能进行支持的话，必须在内核中也提供相应的支持。精简的内核是指：对于安装程序不需要的功能，内核一定不要支持，而且能作为模块存在的，就一定要把它设置为模块。这样定制出来的内核很小，保证了定制的内核以及必须的硬盘驱动模块能放入启动映像中。
例如，对于2.4.3内核一组选项是：（在下面的一组选项中没有注明的选项，可以在定制安装程序的内核时省略）
Loadable module support 可加载模块支持
[*] Enable loadable module support 将可加载模块支持打入内核
[*] Kernel module loader 将内核模块加载器打入内核
Processor type and features 内核支持的处理器类型
(386) Processor family 选择386兼容方式编译内核
Toshiba Laptop support 东芝笔记本支持作为模块
(off) High Memory Support 对大于2GB的内存不提供支持
选择386兼容方式是为了保证安装程序具有良好的兼容性，在某种程度上来说，速度的快慢并不是衡量安装程序的指标。一个好的安装程序，应该具有高稳定性和高兼容性。
General setup 一般选项
[*] Networking support 内核级网络支持
[*] PCI support 内核级PCI总线支持
(Any) PCI access mode PCI硬件的存取方式
[*] EISA support 内核级EISA总线支持
[*] Support for hot-pluggable devices 支持热插拔设备
[*] System V IPC SystemV的进程间通讯机制
(ELF) Kernel core (/proc/kcore) format 内核文件格式为ELF
Kernel support for a.out binaries 内核模块支持a.out文件
Kernel support for ELF binaries 内核支持ELF格式
Kernel support for MISC binaries 内核模块支持其他的格式
对于网络支持和IPC机制的内核支持是必须的，因为Linux上的很多程序，即便它没有进行网络通讯，它也用这些方式进行进程间通讯。对于ELF的内核支持也是必须的，因为安装程序需要使用初始内存映像（initrd），这种方式需要调用程序完成一些初始化的工作，这就要求内核必须能够支持ELF可执行文件格式。其他对于PCI、EISA设备的支持，是提高安装内核硬件兼容性的必要选项。
Parallel port support 并行端口支持，要引入并口设备支持时
Parallel port support 模块化的并行端口支持
PC-style hardware PC类型的硬件
[*] IEEE 1284 transfer modes IEEE 1284传送模式支持（支持设备自检）
对于并口而言，为了自动检测连接到并口的设备，必须将IEEE 1284传送模式支持打入内核。对于不支持IEEE 1284传送模式的并口设备，系统是无法进行自动检测的。
Plug and Play configuration
Plug and Play support 模块化的即插即用设备支持
ISA Plug and Play support 模块化的ISA即插即用设备支持
在2.4.x内核中，对ISA Plug and Play设备的支持存在一些错误，对于部分设备，将此选项置入内核，设备是无法正常工作的。因此，建议在定制内核时，对此类设备的支持采用内核模块方式。
Block devices 引入对块设备的支持
RAM disk support 核心支持RAM磁盘
(4096) Default RAM disk size
[*] Initial RAM disk (initrd) support
初始RAM磁盘的内核支持。因为安装程序需要设置初始内存镜像以加载设备模块，所以这一选项对于安装程序是必须的。
其他的选项都作为设备模块存在，在需要时可以放入初始内存镜像中。
Multi-device support (RAID and LVM)
[*] Multiple devices driver support (RAID and LVM)
RAID support 将设备模块md.o打入内核
如果将md.o不置入内核，仅为模块方式，raid分区将无法作为根分区启动系统。这主要是因为raid设备需要在启动之初对硬盘进行读写，以决定raid分区的位置，类型等参数。
Linear (append) mode
RAID-0 (striping) mode
RAID-1 (mirroring) mode
RAID-4/RAID-5 mode
Multipath I/O support
Logical volume manager (LVM) support
为了支持软件RAID设备和逻辑卷管理的分区，将上述设备定制为内核模块。为了对上述特殊类型的存储设备进行支持，就需要mkinitrd支持生成正确的初始内存映像，同时为了在正确挂接设备模块之后，系统能正确的安装文件系统并进行检查，也必须提供初始启动脚本的支持（initscript）。
Networking options
Packet socket 设置包协议
Unix domain sockets 支持unix域套接字
[*] TCP/IP networking 内核支持TCP/IP网络
ATA/IDE/MFM/RLL support 对ATA/(E)IDE和ATAPI的低端存储设备提供支持。
ATA/IDE/MFM/RLL support
IDE, ATA and ATAPI Block devices
Enhanced IDE/MFM/RLL disk/cdrom/tape/floppy support
Include IDE/ATA-2 DISK support
Inculde IDE/ATAPI CDROM support
Inculde IDE/ATAPI TAPE support
Inculde IDE/ATAPI FLOPPY support
SCSI emulation support
IDE chipset support/bugfixes作为内核支持存在
对常见的IDE设备支持，最好打入内核，这样保证了安装程序可以直接从硬盘、软盘、光驱启动，而无须额外的设置。
SCSI support
支持的SCSI设备全部作为内核模块。这些模块将压缩以后存入初始内存映像，以便在使用SCSI控制器时，系统能够插入正确的设备驱动模块。
Network device support
[*] Network device support
对网络设备包括ARCnet、Appletalk devices、Ethernet、PPP、SLIP、Token Ring等类型的设备提供支持，这些设备的驱动程序都可作为设备模块。
ISDN subsystem
ISDN support
对ISDN设备提供支持，为了减小内核底层的ISDN卡的硬件驱动程序全部作为模块。
Old CD-ROM drivers (not SCSI, not IDE)
[*] Support non-SCSI/IDE/ATAPI CDROM drivers
对于具体的老CDROM设备，它们的驱动程序也以模块的形式存在。
Input core support
Input core support
Keyboard support
Mouse support
Joystick support
Event interface support
打开USB设备的HID支持
Character devices
[*] Virtual terminal
允许您在一个虚拟终端上运行几个虚拟中断，可以使用Alt-进行切换
[*] Support for console on virtual terminal
设置一个虚拟终端作为系统控制台
Standard/generic (8250/16550 and compatible UARTs) serial support
生成serial.o，允许串口鼠标、串口modem以及其他相似的设备连接到标准的串行端口上。
File systems
Kernel automounter support
Reiserfs support
DOS FAT fs support
MSDOS fs support
VFAT (Windows-95) fs support
Simple RAM-based file system support
ISO 9660 CDROM file system support
[*] Microsoft Joliet CDROM extensions
NTFS file system support
[*] /proc file system support
[*] /dev/pts file system for Unix98 PTYs
ROM file system support
Second extended fs support
Network File Systems作为模块
Partition Types
[*] PC BIOS (MSDOS partition tables) support
Native Language Support作为模块
这样的选项使得定制的内核支持/proc，ext2和/dev/pts文件系统，可以使用插入模块的方式支持fat、vfat、ntfs、cdrom、reiserfs、rom文件系统。支持NFS文件系统，并能支持内核级的自动挂接。同时，在挂接文件系统时提供本地语言支持，缺省值为iso8859-1。
Console drivers
[*] VGA text console
[*] Video mode selection support
MDA text console (dual-headed)
Frame-buffer support
允许Linux的文本模式使用VGA模式或者是帧缓冲方式，支持Frame-buffer对于安装程序是必须的，它使得安装程序能够以fbdev的方式启动XFree86。
Sound
Sound card support
对于声卡的支持，内核可以把各个声卡的设备驱动定制成模块。
USB support
Support for USB
[*] Preliminary USB device filesystem
usb文件系统，必须定制到内核中，这样以后才可以通过/proc文件系统检测安装的usb设备。usb的桥接器(uhci、ohci)和其他不同的设备驱动程序都可以作为内核模块。
2.2 定制内存初始镜像
由于在定制安装程序的内核时，要求内核很小，而另一方面安装程序又要支持尽可能多的硬件设备。为了支持尽可能多的硬件，尤其是特殊的存储设备，我们需要在定制初始的启动镜像时将需要支持的部分，如常见的SCSI控制器和非标准的IDE控制器的驱动程序模块放入其中。这样才能够使内核在尝试使用硬盘或其他存储设备时，其设备驱动程序已经提前加载了。
在内核调入内存之后，如果存在内存初始镜像（initrd），那么控制会转到其上并执行配置脚本linuxrc。内存的初始镜像使引导加载器加载一个RAM盘，此RAM盘可以作为根文件系统挂接并且能在其上运行应用程序。此后，新的根文件系统能从不同的设备上挂接（比如光驱或者硬盘）。在挂接了新的文件系统之后，作为根分区的内存初始镜像将成为目录/initrd或者被卸装。
内存初始镜像（initrd）的使用将使得系统的引导过程分成两个阶段，初始启动的内核只需保留最精简的驱动程序最小集，当启动必须加载附加的驱动模块时再由内存初始镜像加载。比如，您在使用了软件RAID方式管理硬盘并使用RAID 1类型的分区作为系统的根分区之后，就必须创建内存初始镜像。这时的内存初始镜像中包含了设备模块raid1.o以及系统命令insmod，和一个shell脚本linuxrc，其内容一定包含：
insmod raid1.o
在使用内存初始镜像时，系统引导过程如下：
引导加载程序加载内核和初始化RAM盘。
内核转变内存初始镜像为正常的RAM盘并释放内存初始镜像所用的内存。
内存初始镜像挂接为根分区，此分区允许读/写操作。
执行linuxrc（它可以是任何合法的执行程序，包括shell脚本；该程序以uid为0方式运行，可以完成init所做的每件基本工作）。
在linuxrc终止时，真正的根文件系统被挂接。
若/initrd目录存在，则initrd被移动到此处，否则，initrd被卸载。
在根文件系统上完成正常的引导过程。例如，对于正常的系统而言，执行/sbin/init，这时控制就会转到正常的大家所熟知的启动过程了。而对于安装程序，它只需将控制转到安装过程的第一阶段，由它完成后续的安装环境的加载，设备的进一步初始化等操作。
创建一个初始内存镜像实际上就是创建一个文件，这个文件上包含了一个ext2文件系统，它可以使用回环方式（loop）挂接到本地文件系统上。下面的shell程序段可以创建初始内存镜像：
dd if=/dev/zero of=/tmp/initrd bs=1k count=2000
创建一个2000k的整块文件，一定不能有碎片
mke2fs /tmp/initrd
创建一个ext2文件系统
mount -t ext2 /tmp/initrd /mnt -o loop
将此文件作为回环文件系统挂接到/mnt目录下
创建所需的路径和文件：
mkdir /mnt/dev
mknod /mnt/dev/tty1 c 4 1
mkdir /mnt/lib
cp raid1.o /mnt/lib/
mkdir /mnt/sbin
cp /sbin/insmod /mnt/sbin/
cp /sbin/ash /mnt/sbin/
... ...
umount /mnt
卸载此文件系统
gzip -9 /tmp/initrd
cp -f /tmp/initrd.gz /boot/initrd.img
rm -f /tmp/initrd.gz
这样一个内存映像文件就生成了。
为了生成内存映像文件，内核在编译时必须打开ramdisk支持并且支持初始RAM盘，initrd中执行程序的所有对象（例如，可执行文件格式ELF和文件系统EXT2）必须编入内核，这样您生成的内存映像文件才是正常可用的。
缺省条件下，内核的标准设置指定了根设备，另外还可以由rdev设置，或者由命令行传递参数root=xxx指定。在initrd环境下也可以改变根设备。首先，系统要挂接/proc，然后使下列文件可用：
/proc/sys/kernel/real-root-dev
/proc/sys/kernel/nfs-root-name
/proc/sys/kernel/nfs-root-addrs
real-root-dev能通过向其写入新的根文件系统设备号来改变，例如
# echo 0x301 >/proc/sys/kernel/real-root-dev
总而言之，创建初始内存映像文件的主要目的是为了在系统安装（启动）时配置内核模块。这时整个安装过程的最初阶段会按如下方式工作：
系统由软盘或其它介质以最小内核启动（必须支持RAM盘，初始内存镜像，ELF类型的可执行文件，ext2类型的文件系统）并加载初始内存镜像。
/linuxrc决定下一步的工作：
挂接真正的根文件系统，包括对设备类型，设备驱动程序，文件系统等信息的处理。
安装程序的发布介质（例如，CDROM，网络，磁带…）。这可以通过询问用户，自动探测，或混合的方法完成。
/linuxrc加载必须的设备驱动程序模块。
/linuxrc创建和管理根文件系统。
/linuxrc写在根文件系统和任何已经挂接的其它文件系统，设置/proc/sys/kernel/...，终止。
挂接根文件系统。
引导加载程序被读入内存。
引导加载程序配置带有模块集的初始内存镜像（/initrd能被修改，卸载）。
完成系统引导时附加的安装任务。
2.3 定制最小化的运行环境
安装程序的运行环境是整个安装过程第二阶段，它是在内核以及初始内存映像运行之后，由第一阶段的安装程序装入内存的。在此之后，安装程序才正式从其上开始运行。定制最小化的安装程序运行环境也就是定制最小化的Linux系统运行环境。
定制怎样的安装程序运行环境和安装程序所提供的功能密切相关。一般而言，安装程序都要打开多个控制终端，所以为了便于调试，安装环境中应该具备完整的shell命令环境。同时，为了支持图形化显示，那么安装环境还需要XFree86系统，Gtk（Qt）库环境，可能还需要gtk-engine以支持贴图的显示方式。而对于要提供多语言支持的安装程序，这就需要提供glibc的本地化环境，多种字体集，不同的键盘映射方式。另外对于安装程序提供支持的硬件设备，也应该将其驱动程序模块放入安装程序的运行环境中。
安装程序运行环境一般应包括如下内容：
运行时刻库，包括运行程序必须的动态库
驱动程序模块文件，包括安装程序需要支持的设备和服务模块
系统命令，包括各种系统命令
多语言环境，包括键盘映射、本地化环境、字体
XFree86系统，包括XFree86服务器
脚本解释程序运行环境，例如Perl或Python等
安装程序
为了使运行环境最小，构建安装程序运行时刻库时，必须也是最精简的，也就是说，每个库文件必须被至少一个命令或者安装程序的某个部分所使用。同时在拷贝的过程中，使用strip命令拨去所有的调试信息。要检查一个命令使用了哪些动态库可以使用命令ldd。
例如，当安装程序中包含fdisk命令时，要检查它所需要的运行库，只需要运行下面的命令：
ldd `which fdisk`
这样我们就可以知道，fdisk需要的动态库为libc.so.6和ld-linux.so.2。接下来的工作就是将这两个库拷贝到安装程序的运行环境，同时运行
strip libc.so.6
strip ld-linux.so.2
以拨去所有的调试信息。
下面我们以Mandrake 8.0为例，让我们看看它的安装程序运行环境包含了些什么东西。Mandrake 8.0的安装程序存放在光盘目录mdkinst下，其安装程序的目录结构是：
/etc
包含pcmcia设备的配置选项，sysconfig目录，调色板，Imlib缺生设置。
/lib
包含系统的运行库lib*和支持的驱动程序模块集。
/usr/X11R6/bin
包含XFree86服务器，包括XF86_FBDev、XF86_VGA16。
/usr/X11R6/X11
包含XFree86服务器的字体和本地化环境。
/usr/bin/
这是整个安装程序最关键的目录，它包含安装程序执行时需要的系统命令，安装程序源码，install2文件为安装程序的主控文件，所有安装程序的源程序保存在perl-install目录下。
/usr/lib/
包含多语言支持的运行库保存在gconv目录下，perl5运行所需的模块保存在perl5目录下，其他与本地化和gtk相关的设置。
/usr/share
包含控制台字体保存在consolefonts下，程序贴图和桌面主题贴图一部分保存在gtk目录下同时也包括此目录下的所有*.xpm，*.png文件，glibc的本地化环境保存在locale目录下，键盘映射分别保存在keymaps和xmodmap目录下，检测设备的信息文件（包含设备标识与设备驱动程序的对应关系）保存在ldetect-lst目录下。
保存在/lib/目录下的系统运行时刻库： 系统RPM包 动态库
Glibc Ld-linux.so.2，libc.so.6，libcrypt.so.1，libdl.so.2，libm.so.6，libnsl.so.1，libnss_dns.so.2，libnss_files.so.2，libnss_nis.so.2，libresolv.so.2
libext2fs2 libcom_err.so.2，libe2p，libuuid.so.1
db3 libdb-3.1.so
db3-devel libdb.so.2
zlib1 Libz.so.1
libpng2 libpng.so.2
libgtk+1.2-devel libgtk-1.2.so.0，libgdk-1.2.so.0
libimlib1 libgdk_imlib.so.1
libglib1.2 libglib-1.2.so.0
libglib1.2-devel libgmodule-1.2.so.0
libbzip2_1 libbz2.so.1
Lvm liblvm.so
Rpm librpm.so.0，librpmio.so.0
XFree86-devel LibX11.so.6，libXext.so.6
XFree86-libs libXi.so.6
XFree86-server-common libfont.so.1
Freetype libttf.so.2
表 2-1
保存在/usr/bin/目录下系统支持的命令： 系统rpm包 系统命令
Ash Ash
console-tools Consolechars
Cpio Cpio
Gzip Gzip
e2fsprogs badblocks，mke2fs，resize2fs，dumpe2fs
util-linux fdisk，rescuept
Modutils insmod_，rmmod
Raidtools mkraid，raidstart，
bzip2 bzip2
Rpmtools packdrake，parsehdlist
perl-base Perl
Lvm pvcreate，pvdisplay，vgchange，vgcreate，vgdisplay，vgextend，vgremove，vgscan，lvcreate，lvdisplay，lvremove
kernel-pcmcia-cs Ifport
Dosfstools Mkdosfs
reiserfs-utils mkreiserfs，resize_reiserfs
表 2-2
另外，因为perl语言具有一部分系统功能，所以为了减小运行环境，部分命令还可以采用perl语言编制。这些命令包括：
basename，bug，cat，chmod，chown，cp，dd，df，dirname，displaySize，dmesg，du，e2fsck，fsck.ext2，getopts，grep，gunzip，head，head_tail，header，hexdump，insmod，kill，ln，loadkeys，ls，lsmod，lspci，mkdir，mknod，mkswap，modprobe，more，mount，pack，ps，raidstop，report_bug，rights，rm，rmdir，route，sh，sort，strings，swapoff，swapon，sync，tail，tr，true，umount，uncpio，unpack，which
作者介绍
于辰涛，联想（北京）电脑公司软件工程师。目前主要从事Linux系统安装程序的开发工作，主要研究兴趣是操作系统的工作机制和开发底层系统程序。您可以通过电子邮件 [email protected] 跟他联系。