Linux系统与网络管理

黄玮

番外：PXE

从零到一 2.0

给「成百上千」台裸机安装操作系统

PXE 基本概念

PXE - Preboot eXecution Environment, 预启动执行环境

Intel公司提出的一种使用网络接口启动计算机的机制，能够代替本地数据存储设备（光盘、硬盘、USB设备）进行安装操作系统。

目前，PXE 启动已成为一种固件标准，大部分服务器BIOS都支持PXE启动，特别适合大规模集群批量、自动化、无人值守方式安装操作系统。

  • PXE 工作基于「客户端/服务器」的网络模式

基于 PXE 安装操作系统的工作过程如下

  • 客户端（裸机）设置 BIOS 开启「从网卡启动」
  • 客户端网卡会发起 DHCP 请求分配 IP 地址
  • DHCP 服务器处理返回分配的IP地址外，还返回预设网关、TFTP 服务器地址及引导程序 Bootstrap
    • 该文件是一种由 PXE 启动规范规定的固定格式的可执行文件，类似于开机启动项的「可执行文件」：并由此支持来自网络的操作系统的启动过程
    • Linux 系统为 pxelinux.0，Windows 使用 PE 系统
  • 客户端通过 TFTP（Trivial File Transfer Protocol）或 MTFTP（Multicast Trivial File Transfer Protocol）协议下载 Bootstrap 的配置文件（例如 pxelinux.cfg/default）
  • 客户端读取收到的配置文件，根据其中内容，再次请求 TFTP 传送内核映像文件和系统启动文件（例如 initrd.gz）
  • 完成后开始启动内核，内核程序读取 Bootstrap 的配置文件，通过网络获取操作系统自动安装脚本（例如 preseed.cfg），并通过网络服务（NFS / FTP / HTTP）获得系统所需安装文件，按照自动安装脚本的配置进行安装

从实例学 PXE + 「无人值守」同时安装多台主机

网络拓扑

网络拓扑

  • PXE 服务器和 PXE 客户端在同一个 局域网
  • PXE 服务器上同时配置了（本例中由 dnsmasq 提供）
    • DHCP Server
    • PXE Server
    • TFTP Server
    • DNS Server（非必需）
    • HTTP Server（提供 preseed.cfg 下载，本例子中由 apache2 提供）

本例所用 PXE 服务器的自动安装配置

c4pr1c3/AnsibleTutorial/pxeboot on Github

  • 关键配置
    • dnsmasq（TFTP 和 PXE 服务路径、多重启动菜单）
    • apache2（preseed.cfg 针对不同发行版系统定制下载 URL）
    • txt.cfg（针对不同发行版系统需要定制和调试内核启动参数）
    • preseed.cfg（针对不同发行版系统需要定制和调试人机交互选项的配置）
    • 提供 PXE 客户端访问互联网能力

通信过程抓包分析

PXE Boot 过程（过滤掉了 TFTP 服务器返回的数据，仅保留「信令」通信过程数据）pcap 文件

PXE 初始化过程

PXE 初始化过程

  • 目标主机（包含 PXE 客户端）上电启动
  • 目标主机的网卡发起 DHCP 请求
  • DHCP 服务器响应目标主机的 DHCP 请求：网络配置信息（IP、子网掩码、网关、DNS等）和 TFP 服务器地址、可启动镜像 地址（ pxelinux.0 ）
  • 目标主机接收到上述响应信息后，访问 TFTP 服务器下载 可启动镜像
  • TFTP 服务器发送 可启动镜像 （pxelinux.0），目标主机执行下载的镜像启动系统

PXE 配置文件下载策略

默认情况下，PXE 客户端 在 TFP 服务器 的 pxelinux.cfg 子目录下 按以下优先级次序 搜索 镜像启动配置文件：

  • 查询 PXE 客户端 所在主机的唯一标识 GUID
    • 例如本例子中的 aabd48c4-0eb7-4b00-9ec1-b9d1271425c0
  • 查无上述命名配置文件后，再查询 PXE 客户端 发起 DHCP 请求所使用网卡的 MAC 地址
    • 例如本例子中的 01-08-00-27-b0-e1-4f

PXE 配置文件下载策略

  • 查无上述命名配置文件后，再查询 PXE 客户端 通过 DHCP 响应获得到的 IP 地址 （转换成 16 进制大写字母表示后，从右向左依次查询匹配）
    • 例如本例子中依次查询了 AC100062, AC10006, AC1000, AC100, AC10, AC1, AC, A
  • 查无上述命名配置文件后，最后查询 default

IPv4 地址转换成 16 进制大写字母表示

IP="172.16.0.98"
printf '%02X' ${IP//./ }; echo
# AC100062
镜像启动配置文件搜索过程

PXE 客户端启动过程

完整 PXE + 无人值守安装过程演示

小结

  • PXE 首先是提供了裸机 批量、自动化 加载运行「最小化」系统的能力
  • 「最小化」系统不仅可以是 Linux，也可以是其他操作系统的「最小化」版本
  • 基于「最小化」系统内置的「无人值守安装配置」能力（例如 Debian/Ubuntu 使用的 preseed 技术）继续通过 网络 在线安装完整操作系统
    • 在「内网」搭建完整的在线安装系统 镜像源 可以大幅度缩短通过互联网在线安装系统的时间

参考资料